基于發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論下的課程創(chuàng)新改革

［摘 要］ 保障人民群眾飲水安全，是守住人民群眾生活底線、推動城鄉(xiāng)區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的重要保障。“水質(zhì)工程學(xué)I”是一門給排水科學(xué)與工程專業(yè)的必修主干課，對給排水科學(xué)與工程人才培養(yǎng)和專業(yè)建設(shè)具有支撐作用。課程團(tuán)隊將布魯納發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論引入教學(xué)，打通前序課程知識結(jié)構(gòu)，精心豐富教學(xué)內(nèi)容，深度融合科研前沿，創(chuàng)設(shè)研學(xué)工作坊學(xué)習(xí)情境，實施多指標(biāo)綜合評價，打造一門經(jīng)典與前沿、線上與線下、課內(nèi)與課外相結(jié)合的專業(yè)課程。

［關(guān)鍵詞］ 水質(zhì)工程學(xué)；發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論；課程創(chuàng)新改革

［基金項目］ 2022年度教育部高等學(xué)校給排水科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會教改項目“基于課程思政的水質(zhì)工程學(xué)I教學(xué)改革與實踐研究”（GPSJZW2022-31）；2023年度江蘇省高等教育教改項目“雙碳背景下給排水科學(xué)與工程專業(yè)人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)”（2023JSJG488）

［作者簡介］ 談超群（1989—），男，江西南昌人，工學(xué)博士，東南大學(xué)土木工程學(xué)院市政工程系副系主任，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水的化學(xué)氧化與消毒、飲用水處理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）08-0050-04 ［收稿日期］ 2023-12-10

引言

2023年3月，教育部等五部門印發(fā)了《普通高等教育學(xué)科專業(yè)設(shè)置調(diào)整優(yōu)化改革方案》，明確對現(xiàn)有工科專業(yè)全要素改造升級，將相關(guān)學(xué)科專業(yè)發(fā)展前沿成果、最新要求融入人才培養(yǎng)方案和教學(xué)過程。高校課程創(chuàng)新改革要主動適應(yīng)國家和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、知識創(chuàng)新、科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)升級需要［1］。如何使專業(yè)課程符合工科專業(yè)的新要求，靈活生動地融入前沿科技和思政元素，對傳統(tǒng)工科類課程創(chuàng)新改革至關(guān)重要。本文以“水質(zhì)工程學(xué)I”課程創(chuàng)新改革為例，結(jié)合東南大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)最新培養(yǎng)計劃，根據(jù)教學(xué)實踐中的不足，重構(gòu)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，探討基于發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論下推進(jìn)課程改革的一些可行性建議。

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定著人才培養(yǎng)質(zhì)量。學(xué)生通過學(xué)習(xí)專業(yè)課程，達(dá)成課程目標(biāo)，最終符合專業(yè)培養(yǎng)計劃。“水質(zhì)工程學(xué)I”是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的必修主干課程，本課程以給水水質(zhì)達(dá)標(biāo)為核心，講述了各類給水處理工藝原理和設(shè)計方法，以及給水處理前沿理論、技術(shù)方面的知識［2］。“水質(zhì)工程學(xué)I”是一門承前啟后的課程，先修課程主要是“水力學(xué)”“水文學(xué)”“泵與泵站”等，后續(xù)課程為“智慧水務(wù)”“水處理新技術(shù)”等專業(yè)選修課，這些課程都為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計以及研究創(chuàng)新活動打下了重要的工程基礎(chǔ)。因此，基于發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論下的“水質(zhì)工程學(xué)I”課程進(jìn)行創(chuàng)新改革是課程改革的一項重要任務(wù)。

一、“水質(zhì)工程學(xué)I”教學(xué)中存在的問題

“水質(zhì)工程學(xué)I”是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的一門基于水處理而產(chǎn)生的專業(yè)課程［3］。課程具有知識點覆蓋面大、內(nèi)容理論抽象、公式推導(dǎo)困難和整體系統(tǒng)性不強等特點。本文主要分析了課程教學(xué)實踐中存在的三個主要問題。

（一）重單元輕系統(tǒng)，知識與行業(yè)新需求失衡

“水質(zhì)工程學(xué)I”課程的主要內(nèi)容是通過工程手段保證飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)，課程知識點覆蓋生物、化學(xué)、力學(xué)、材料等多方面知識，但整體系統(tǒng)性不強。同時，現(xiàn)有內(nèi)容無法及時迭代，以跟進(jìn)智慧水務(wù)、韌性城市等行業(yè)新需求下對知識的外延拓展需求，相關(guān)前沿知識案例、思政案例庫更是匱乏，學(xué)生對課程知識的代入感不強，畢業(yè)后對待系統(tǒng)性的真實案例常有“不得要領(lǐng)”的困惑。

（二）重理論輕實踐，學(xué)生工程轉(zhuǎn)化能力不足

“水質(zhì)工程學(xué)I”課程內(nèi)容主要圍繞給水工藝?yán)碚摵凸こ淘O(shè)計計算，內(nèi)容較為理論抽象，且現(xiàn)有教學(xué)模式多為知識講解式，學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度和興趣不足。課程的專業(yè)性和工程實踐性要求較高［2］。傳統(tǒng)教學(xué)中理論與工程實踐模塊割裂嚴(yán)重，缺少理論與工程的互反饋訓(xùn)練；同時，傳統(tǒng)教學(xué)中信息化手段實施有限，特別是新形勢下多數(shù)水廠已經(jīng)推廣了智慧加藥、陶瓷膜等新技術(shù)，學(xué)生對水廠新技術(shù)的了解機會較少，對課程中的工程元素感知能力不足。

（三）重結(jié)果輕過程，高階目標(biāo)難以有效考核

以往的課程評價基本上是“平時作業(yè)+期末成績”的考核方式，考核內(nèi)容相對死板，考核價值屬性單一，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的過程性考核不足，難以對學(xué)生能力、思維、素養(yǎng)等高階目標(biāo)的達(dá)成情況進(jìn)行考核，同時束縛了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，禁錮了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在整體土木類行業(yè)下行、學(xué)生被動式選擇該專業(yè)的背景下，這一問題尤為突出。

二、“水質(zhì)工程學(xué)I”教學(xué)改革目標(biāo)

秉承布魯納發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，以促進(jìn)學(xué)生高階能力發(fā)展為宗旨、提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力為目標(biāo)，支撐專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)，以及畢業(yè)要求的達(dá)成，筆者修訂了課程目標(biāo)，包括知識、能力、思維和素養(yǎng)四個層面：（1）知識目標(biāo)：能夠描述水質(zhì)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，運用給水工藝?yán)碚撆c工藝設(shè)計計算方法。（2）能力目標(biāo)：能夠分析原水水質(zhì)條件，具備給水廠涉及的工程實踐能力和設(shè)計能力，以及解決給水廠建設(shè)、運行過程中復(fù)雜工程問題的分析、協(xié)作、決策、創(chuàng)新能力。（3）思維目標(biāo)：能夠運用系統(tǒng)性思維，提出城市給水系統(tǒng)從水源到水龍頭全過程、從設(shè)計到運維全生命周期的工程方案。（4）素養(yǎng)目標(biāo)：提升學(xué)生“推動水務(wù)行業(yè)綠色發(fā)展”的科技報國情懷，具備給排水從業(yè)人員對公眾用水安全、生命健康以及水資源保護(hù)的社會責(zé)任感和歷史使命感。

三、“水質(zhì)工程學(xué)I”教學(xué)改革措施

（一）重塑教學(xué)模塊，強化課程內(nèi)容系統(tǒng)性，促進(jìn)理論與實踐互融

根據(jù)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，學(xué)生學(xué)習(xí)就是不斷地對信息進(jìn)行分類和組合，并輸入已有的知識結(jié)構(gòu)中，使認(rèn)知結(jié)構(gòu)不斷形成和改變。課程對學(xué)生學(xué)過的課程、有可能與課程發(fā)生聯(lián)系的知識點進(jìn)行了歸納，在課堂中啟發(fā)學(xué)生積極提取原有知識結(jié)構(gòu)中的知識，促進(jìn)課程新知識的學(xué)習(xí)。打破以單一處理工藝點為章節(jié)框架的傳統(tǒng)，模塊化整合給水處理中的給水處理系統(tǒng)與理論、城市給水處理設(shè)施、工業(yè)給水系統(tǒng)和給水處理前沿四大主題，從提綱挈領(lǐng)的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，到因地制宜的工程案例實際；從傳統(tǒng)的水處理工藝與設(shè)施，到領(lǐng)域前沿的科研熱點話題，由淺到深，推陳出新，使學(xué)生理解課程的總體結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)知識體系，熟練掌握給水處理的基本思路、理論及工藝。例如，傳統(tǒng)課程模式中主要以單個構(gòu)筑物設(shè)計計算為主，課程團(tuán)隊結(jié)合實際工程全流程的水廠工藝設(shè)計，為學(xué)生介紹整體工藝中各單元的計算方法，加深學(xué)生對整體系統(tǒng)性設(shè)計計算的認(rèn)識。

“水質(zhì)工程學(xué)I”課程教學(xué)應(yīng)注重理論與實踐相結(jié)合，即增強教學(xué)與生產(chǎn)實踐的匹配度。在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，依托給水廠虛擬仿真系統(tǒng)，使學(xué)生動手操作相應(yīng)的運維參數(shù)，了解給水構(gòu)筑物內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)。同時，開展給水廠實地實踐調(diào)研，使學(xué)生整體上了解給水廠布置及工藝流程，真實感受局部與全局的關(guān)系、崗位操作與生產(chǎn)目標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)聯(lián)。學(xué)生反饋這種授課方式理論與實踐相結(jié)合，既動手又動腦，作業(yè)也很靈活，促進(jìn)了學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和工程實踐的認(rèn)識。筆者邀請行業(yè)知名設(shè)計師、主管代表和前沿科學(xué)家為學(xué)生介紹給水工程設(shè)計案例與圖紙解析、供水行業(yè)管理現(xiàn)狀、供水研究前沿科研動態(tài)等內(nèi)容，進(jìn)一步強化學(xué)生的工程倫理意識。通過實踐教學(xué)可以有效鞏固理論知識，有助于培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和綜合能力的研究型、應(yīng)用型人才［2］。

（二）增加科研導(dǎo)入，豐富學(xué)科前沿時效性，提升學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力

高等學(xué)校給排水科學(xué)與工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會推薦的“水質(zhì)工程學(xué)I”教材最新版為李圭白和張杰主編的《水質(zhì)工程學(xué)（第三版）》，課本內(nèi)容已有滯后性［4］。筆者結(jié)合課程大綱，靈活運用科研成果素材，篩選了契合課堂主題的科研素材，同時提煉了科研成果素材中的創(chuàng)新思路，提出了一些能啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思考的前沿科研案例，在課程導(dǎo)入、參與式學(xué)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)中融入科研問題發(fā)散、科研文獻(xiàn)搜索、科研實驗設(shè)計及驗證、科研成果分享等內(nèi)容；學(xué)生通過翻轉(zhuǎn)課堂、課外研學(xué)項目等方式進(jìn)一步鍛煉了科學(xué)思維，提升了創(chuàng)新能力，同時培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，達(dá)到思維訓(xùn)練的目的。例如，筆者以科研項目為出發(fā)點，結(jié)合鄭州暴雨事件，引導(dǎo)學(xué)生開展極端氣候下的給水處理工藝問題研究，學(xué)生圍繞案例通過理論知識點學(xué)習(xí)、課堂實驗驗證等手段逐層深入分析，并在翻轉(zhuǎn)課堂中提出了相應(yīng)解決方案，實現(xiàn)了知識獲取和思維訓(xùn)練的多重效果。

（三）推進(jìn)數(shù)字賦能，增強課程資源多樣性，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識

充分利用數(shù)字化技術(shù)，在線上學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺建立課程，線下通過智慧教室授課，為開展系列創(chuàng)新教學(xué)活動提供有力支撐。線上教學(xué)資源豐富，知識框架合理，目前主要包括授課課件、上課實錄、案例庫、隨堂測驗、典型習(xí)題、項目式學(xué)習(xí)等六大核心內(nèi)容，支撐學(xué)生自主學(xué)習(xí)；線下基于翻轉(zhuǎn)課堂、問題研討等方式，實現(xiàn)對學(xué)生自主學(xué)習(xí)效果的考查與反饋，推進(jìn)學(xué)生獲得以自我為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)體驗。同時，線下課堂中用豐富的實物作為教學(xué)模型講解知識點，如可樂開瓶后的氣浮現(xiàn)象、自制微型過濾柱等，在生活現(xiàn)象中提取與課程相關(guān)的凈水技術(shù)元素，凝練成問題來激發(fā)學(xué)生的興趣，引發(fā)學(xué)生的思考及對后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的期待。

課前，學(xué)生帶著任務(wù)和問題通過線上學(xué)習(xí)通進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，教師通過問卷星等工具開展課前前測數(shù)據(jù)分析，以便實現(xiàn)精準(zhǔn)定教；課中借助智慧教室、BOPPPS有效教學(xué)結(jié)構(gòu)等開展雙向交互研討式教學(xué)，教師進(jìn)行引導(dǎo)式講授時，著重傳授理論知識的重點和難點，尋找理論內(nèi)容所承載的系統(tǒng)思維和科學(xué)方法；課后以發(fā)布的拓展性研討題目為依托，題目均源于生活實際或?qū)W科前沿，具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，學(xué)生依次自由組隊開展翻轉(zhuǎn)課堂（15分鐘），對課程知識進(jìn)行鞏固和內(nèi)容延伸，實現(xiàn)從“教師傳統(tǒng)灌輸式講授”到“引導(dǎo)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”。最后基于發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，學(xué)生不僅解決了提出的問題，還從問題解決的過程中獲取了新知識，構(gòu)建了新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

（四）打破課堂內(nèi)外時空壁壘，提高學(xué)生對課程內(nèi)容的理解

為了進(jìn)一步加深學(xué)生對課內(nèi)理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真過程中給水處理工程內(nèi)容的理解，建設(shè)課程知識運用自主實踐場域，構(gòu)建了運用“水質(zhì)工程學(xué)I”相關(guān)知識的第二課堂研學(xué)工作坊，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)和運用“水質(zhì)工程學(xué)I”課程知識的積極性，通過課程講座、校級—國家級—國際級競賽體系、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與暑期實踐項目和工程實訓(xùn)等形式，激發(fā)學(xué)生的好奇心及求知欲。學(xué)生通過自主實踐訓(xùn)練激發(fā)工程創(chuàng)新思維，觸類旁通，有效深化了課堂知識內(nèi)涵，實現(xiàn)了水質(zhì)工程學(xué)知識綜合應(yīng)用和深化技能等隱性知識的顯性化，與課堂教學(xué)交互式融合。在課程講座中，邀請行業(yè)知名專家分別從給水設(shè)計工程、給水行業(yè)管理和給水前沿科研等方面給學(xué)生拓展課程內(nèi)容。同時，鼓勵本科生參加國際土木工程大學(xué)生（ASCE）競賽，學(xué)生以活性炭、砂石、飲料瓶等材料快速搭建過濾裝置，靈活應(yīng)用課程中的過濾水頭損失計算、吸附動力學(xué)等知識，在“體驗式”深化課內(nèi)經(jīng)典知識內(nèi)涵的同時，顯著培育了創(chuàng)新精神。

（五）重構(gòu)課程評價體系，增加開放型問題，綜合考查學(xué)生的知識運用能力

考核與評價主要聚焦知識、能力、思維和素養(yǎng)等課程目標(biāo)的達(dá)成，考核方式為過程性考核（占55%）和終結(jié)性考核（45%）相結(jié)合的方式。過程性考核主要包括線上作業(yè)與討論（30%）+課堂實驗（10%）+小組研討（10%）+課外實踐（5%）；終結(jié)性考核為期末考試，主要考核學(xué)生的基礎(chǔ)知識（20%）、綜合運用能力（20%）和價值態(tài)度（5%）。

課后作業(yè)采用線上布置的方式，題目案例選取貼近生活，源自行業(yè)新聞、歷史典故、科研數(shù)據(jù)等，內(nèi)容兼具客觀定量計算題與開放型主觀題，能綜合考核學(xué)生知識、能力和素養(yǎng)的提升情況。課堂實驗考核以“過濾裝置搭建及處理效果”實驗為例。實驗基于學(xué)生搭建裝置后對原水進(jìn)行過濾，然后對過濾后的水量體積（15分）、處理時間（15分）、出水水質(zhì)指標(biāo)（共60分，每個指標(biāo)滿分10分）和方案（10分）等項目進(jìn)行賦分，其中水質(zhì)指標(biāo)包括水的pH值、溶解氧、濁度和UV254等，體積、濁度、時間、UV254為相對值（與最好隊伍作比×15分），溶解氧、pH為范圍得分，學(xué)生需要平衡處理水量、操作實踐和處理水質(zhì)之間的相互制約關(guān)系，類比于實際生產(chǎn)工藝中的制水成本、制水效率和制水水質(zhì)相互制約關(guān)系，最終根據(jù)學(xué)生的名次進(jìn)行評價。小組討論的評價依據(jù)學(xué)生研討型題目的完成情況，以及翻轉(zhuǎn)課堂的效果，最終得分以生講生評、生講師評相結(jié)合的方式進(jìn)行評價，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性。

（六）融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實的大國工匠精神

在“水質(zhì)工程學(xué)I”課程教學(xué)中設(shè)計德育遞進(jìn)式教學(xué)路徑。通過對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行全面梳理，對知識點背后的價值觀進(jìn)行塑造導(dǎo)向，可以將知識點蘊含的思政元素歸納為四大專題：工匠精神、創(chuàng)新思維、社會責(zé)任、國際視野。思政元素凸顯從小我發(fā)展到大我的整體脈絡(luò)，同時各專題連貫地均勻分布于整個課程章節(jié)和學(xué)程中，兼具導(dǎo)向性與系統(tǒng)性。

結(jié)語

專業(yè)課程創(chuàng)新改革是為了落實新時代國家級一流本科建設(shè)的新要求，課程質(zhì)量的好壞直接影響著人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。在專業(yè)課程改革中，應(yīng)落實立德樹人根本任務(wù)，擴展課程內(nèi)容的深度和廣度，將課程改革成果落到實處。筆者依據(jù)給排水科學(xué)與工程專業(yè)課程建設(shè)新理念，基于發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，針對教學(xué)中出現(xiàn)的問題，并結(jié)合學(xué)生自身情況，分別從課程內(nèi)容、課程方法和課程評價三個方面進(jìn)行了重構(gòu)，讓學(xué)生在專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中收獲成就感和滿足感。

參考文獻(xiàn)

［1］教育部.關(guān)于印發(fā)《普通高等教育學(xué)科專業(yè)設(shè)置調(diào)整優(yōu)化改革方案》的通知：教高〔2023〕1號［A/OL］.（2023-02-21）［2023-12-01］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202304/t20230404_1054230.html？eqid=8f31b976001f670700000006643ddfce.

［2］蘇冰琴，宋秀蘭，陳啟斌.基于一流專業(yè)建設(shè)的“水質(zhì)工程學(xué)”教學(xué)改革探索［J］.黑龍江教育（理論與實踐），2021（10）：54-57.

［3］楊厚云，黃健，胡昊，等.基于立德樹人任務(wù)的水質(zhì)工程學(xué)教學(xué)改革與探索［J］.高教學(xué)刊，2023，9（10）：40-43.

［4］李圭白，張杰.水質(zhì)工程學(xué)：上冊［M］.3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2021：1-7.

Innovative Curriculum Reform Based on Discovery Learning Theory：

The Case of Water Quality Engineering I

TAN Chao-qun， YANG Xiao-li， GAO Hai-ying， YAO Yi-ming

（School of Civil Engineering， Southeast University， Nanjing， Jiangsu 211189， China）

Abstract： Ensuring the safety of the people’s drinking water is an important guarantee for guarding the bottom line of the people’s lives and promoting the high-quality development of urban and rural areas. Water Quality Engineering I is a compulsory course for water supply and drainage science and engineering majors， which has a supporting role for talent training and professional construction. Based on the new concept of curriculum construction， Bruner’s discovery learning theory is introduced into teaching， the knowledge structure of the preceeding course is opened up， the teaching content is elaborately enriched， the frontier of scientific research is deeply integrated， the learning situation of research workshop is created， and the comprehensive evaluation of multi-indicators is implemented， so as to create a professional course combining the classic and the frontier， the online and offline， and inside the classroom and outside the classroom.

Key words： water quality engineering; discovery learning theory; innovative curriculum reforms