“CUEMC”人才培养理念的提出与践行-以“工业水处理”教学改革为例

中国作为全世界唯一拥有联合国产业分类中所列全部工业门类的国家［1］，系统而完善的工业体系保证了社会经济的持续发展，有力地维护了国家安全，其中工业水处理技术对于当代工业体系的安全运转与稳步发展发挥了至关重要的作用。在国内高校的人才培养体系中，给排水科学与工程专业为我国水处理行业提供了核心人才支撑［2］。然而，国内高校的人才培养方案目前仍然将传统的市政给水处理和市政污水处理作为学习的重点内容，并未对工业水处理这一契合时代发展的议题予以足够的重视［3］。以笔者所在的河北工业大学为例，给排水科学与工程专业开设于2007年，但从专业开设之初至2019年的12年间一直没有设置“工业水处理”这一课程，难以满足新时代产业发展升级对给排水专业人才的知识结构与能力需求。满足行业人才需求是给排水科学与工程专业的责任与使命［2］，因此，笔者从2019年开始着手讲授“工业水处理”这一课程，经过三年的探索与实践，首次提出了“CUEMC”人才培养理念，并以此为指导推进了“工业水处理”课程教学改革，将教学内容的设置、教学组织的安排和实际应用需求作为一个有机的整体进行综合考虑，取得了良好的教学效果。本文将在回顾现实问题的基础上系统介绍该人才培养理念的内涵与教学模式的实施方式。一、国内“工业水处理”课程教学的现实问题（一）缺乏契合时代发展要求的高质量教材传统的高校课程内容设置依照于教材的选用，笔者在调研之后发现目前市场上与工业水处理这一主题相关的教材主要包括朱月海主编的《工业给水处理》、周本省主编的《工业水处理技术》、杨敏等主编的《工业废水处理与资源化技术原理及应用》和赵庆良主编的《特种废水处理技术》，然而前两本只涉及工业给水处理技术，而后两本则仅涵盖部分门类工业废水处理技术。王文东等在2017年编撰出版了同时包含工业给水处理和工业废水处理的《工业水处理技术》一书，但该书目前并未得以推广。（二）课程的教学目标不够准确安徽建筑大学的教学大纲将“工业水处理”定义为一门研究工业废水处理方法的课程［4］，但事实上，工业水处理不仅包括工业废水的处理，还应该覆盖工业用水的处理，特别是在现代科技迅猛发展的今天，以半导体/芯片加工为代表的诸多行业用水标准远高于生活饮用水卫生标准，工业给水的水质直接影响着工业产品的质量与成品率。此外，笔者在参阅多所高校的课程目标后发现，具有运行设计、施工调试、维护管理等方面的能力被列为“工业水处理”课程的教学目标之一，但从目前的高校教学过程来看，这一目标的实现显然是不现实的，有限的课程学时和传统的校内教学显然无法在运行设计、施工调试、维护管理等方面给予学生足够的历练。二、“CUEMC”人才培养理念的提出基于上述国内“工业水处理”教学的现实问题，为了满足新时代产业发展升级对给排水专业人才的知识结构与能力需求，笔者以解决实际工程问题的工具为核心，首次提出了“认识工具（torecognizethetools）—理解工具（tounderstandthetools）—使用工具（toemploythetools）—改良工具（tomodifythetools）—创造工具（tocreatethetools）”的5层次递进式人才培养理念（如图1所示），并将其简称为“CUEMC”。其中第1层次（认识工具）是指要确保学生明确不同工业水处理技术能够解决的问题；第2层次（理解工具）则要求教学过程可以确保学生理解不同工业水处理技术的工作原理；第3层次（使用工具）意为能够保证学生可以学会使用现有的工业水处理技术去解决不同的工业水质问题；第4层次（改良工具）意味着学生能够对现有的水处理技术提出改进建议，以提高其处理效能；第5层次（创造工具）则是要学生能够提出全新的水处理技术，以更好地解决工业水处理问题。上述5个层次呈现进阶关系，主张实际的教学过程要确保学生达到前3个层次，并力争向后2个层次演进发展。图1“CUEMC”人才培养理念三、基于“CUEMC”理念的“工业水处理”教学设计（一）构筑工业水处理技术“工具箱”部分高校的教师认为工业水处理中所采用的多数处理技术在“水质工程学”中已有涉及，但这些旧的知识理论在新的工业水处理中具有不同的应用特征，围绕这些区别和联系，由学生展开讨论与分析正是高阶性教学所追求的目标。例如，目前的市政污水处理厂主要以好氧和厌氧生物处理技术为核心，因此有关物化和化学处理技术容易在“水质工程学”的授课过程中被教师和学生所轻视，笔者在教学中也确实发现学生对物化和化学技术的相关知识原理掌握情况较差。然而，物化与化学处理技术却在工业用水净化与工业废水处理中发挥着极其重要的作用。此外，近10年我国高校的新入职教师几乎全部为博士毕业生，这些青年科研工作者同时肩负着科研与教学任务，工业水处理过程涉及膜分离技术、高级氧化技术等前沿水处理理论与技术，与诸多水处理行业青年科研人员的课题研究均有内容交叉，这为科研进展引入本科生教学提供了便利条件，有望实现以科研反哺教学并拓宽本科生的学术视野。例如，笔者的研究领域为膜法水处理技术，在讲授膜分离技术时就可以带领学生前往实验室进行实地参观，并把各种不同功能的膜材料样品真实地展示给学生，同时还可以通过讲述某一科研成果的发现过程来激发学生的创新精神。事实证明，这一过程极大地加深了学生对膜分离技术的理解。因此，筛选关键知识工具，构建工业水处理技术“工具箱”是优化“工业水处理”课程的首要任务。基于上述考虑，笔者以工业水处理中的主要水质问题为导向，在梳理经典教材中有关工业水处理技术的基础上，通过紧扣行业发展趋势与水处理技术最新科研进展来拓展教学内容，将近5年科研论文中所涉及的新型、实用技术理论与之结合，形成了囊括预处理技术、常规分离技术、膜分离技术、生物处理技术、高级氧化技术和化工分离技术共计6类关键技术的“工具箱”（如图2所示），确保该“工具箱”中的知识工具能够解决工业水处理中面临的诸多水质问题。此外，还将行业期刊（《工业水处理》《水处理技术》《中国给水排水》等）作为教学内容的有益补充，在每一次课结束时向学生推荐一篇与本课内容高度相关的科研论文作为课后学习材料，以体现知识的应用价值和前沿特性。图2工业水处理技术“工具箱”（二）搭建工业水质问题场景随着京津冀一体化战略的持续推进，首都的大量工业企业迁移进入了河北省与天津市［5］，而河北工业大学作为一所坐落于天津的三方共建高校，理应为这一时代变迁过程中的人才需求提供强力支撑，工业水处理正是一个关键的着力点。实际的工业水处理项目设计通常出自设计院或环保公司的设计部门之手，设计的过程体现着相关设计人员的思维特征与工艺偏好。因此，通过对典型水处理工程案例进行研讨与分析，可以更为深入地理解其设计思路。一方面学习其所长，由此启发学生解决实际工业水处理问题的设计思维；另一方面亦可指出其不足，从而提出相应的改进措施，并可将此改进措施反馈给企业，切实做到从工程案例中来、到工程案例中去。因此，构建面向京津冀地区不同行业的工业水质问题场景是推进“工业水处理”课程质量提升的另一关键举措。为此，笔者通过对京津冀地区包括钢铁、制药、采油、石化、电力、食品、煤化工、半导体行业相关的8家不同企业进行调研（如图3所示），总结其工业给水和工业废水处理中面临的问题以及目前的解决方案，随后将这8个行业的工业水处理案例构建为8个水质问题场景，具体包括3个工业给水处理问题场景（电子级纯水制备、钢厂冷却水处理与电厂循环水处理）和5个工业废水处理问题场景（啤酒废水处理、煤制气废水处理、抗生素废水处理、海上采油废水处理以及丙烯合成废水处理）。在实际的教学过程中，将这8个水质问题场景逐次呈现给学生，使其扮演水质工程师的角色，引导并辅助其利用上文所述的工业水处理技术“工具箱”对各类问题进行解决。通过实际的工程案例来让学生切实理解课题所学知识是如何在实际的工业水处理中发挥作用的，这样既可以促进抽象的理论知识形象化，做到学以致用，又可以让学生意识到自己所学知识的重要性，从而激发学习兴趣，提高其学习积极性。图3工业水质问题场景及企业地点分布四、基于“CUEMC”理念的“工业水处理”教学过程与考核教学设计以教师为主体完成，但如何在不同的水质问题场景下选用恰当的工具去解决工业水处理问题却需要学生主体去完成。因此，如何填平“工具箱”与问题场景之间的鸿沟是获得良好教学效果的关键着力点，也是体现以学生为中心的理念所在。为此，笔者在教学过程中设计了“两步走”策略：第一步是讲授“工具箱”所述的6类工业水处理关键技术。该过程以课堂教学为主，通过板书、多媒体以及实物展示等多种方式推进教学，同时构建基于雨课堂的网络教学辅助平台，专门制作符合手机屏幕显示特征的课件便于学生的课后复习。利用雨课堂来发布课后习题和拓展学习资料，由此达到前文所述的第1层次（认识工具）和第2层次（理解工具）目标。第二步则是将前文所述的8个水质问题场景逐次呈现给学生。在每次呈现时均将全部学生划分包含8人的工程师小组，并将这一部分的授课地点改为智慧教室，每个工程师小组均可在智慧教室内围桌而坐以便于讨论，同时携带电脑用于资料的随手查询。此时教师的主要任务则是引导并辅助学生利用“工具箱”中的各类工业水处理工具去解决不同水质问题场景中的工业水处理问题，通过这样的学习与训练过程，可以达到前文所述的第3层次（使用工具）目标，并在此过程中启发并引导学生向第4层次（改良工具）和第5层次（创造工具）目标进行冲击。课程的考核应该和课程的教学特点相适应。基于上述“工业水处理”教学方式的变革，笔者设计了注重过程评价的考核方式，其中平时成绩与期末成绩各占50%。平时成绩主要考查学生对知识原理的掌握情况、应用所学知识解决工程问题的实践能力、口头和文字表达能力以及团队合作能力，分数由雨课堂课后习题作答情况、课堂研讨中学生自评、同学评价和教师评价共同决定。期末考核则通过提交结课论文的方式来完成，要求每名学生自行选定一个工业水处理主题撰写一篇综述类文章，根据所交结课论文的质量进行打分，打分依据是论文的完整性、合理性、原创性以及学术规范性。对于部分撰写水平较高的原创论文，在经过教师的进一步指导完善后尝试发表于相关的学术期刊。这种考核方式有效地提高了学生的课堂参与度，并可引导学生发挥其创造力