给排水科学与工程专业本科四年级《管网末梢水质韧性重构：多屏障安全输配技术》教案

给排水科学与工程专业本科四年级《管网末梢水质韧性重构：多屏障安全输配技术》教案

一、课程画像与决策依据

（一）课程定位与学段锁定

本教学设计针对给排水科学与工程专业本科四年级（第七学期）学生开设，课程性质为专业高阶选修课，是连接“水质工程学”“管道工程与管网系统”等核心专业课与毕业设计、工程实训的桥梁课程。该学段学生已完成水力学、水处理生物学、水分析化学、泵与泵站等全部专业基础课及主干课，具备完整的给排水理论框架，认知特征处于从“单点知识验证”向“复杂工程问题系统解构”跃迁的关键临界期【非常重要】。本课程不追求对水厂常规处理工艺的重复讲授，而是精准锁定城市供水系统中风险最高、控制难度最大、技术与标准迭代最快的“输配环节二次污染控制”这一行业痛点【高频考点】，以培养卓越工程师的“管网水质多维重构能力”与“全流程系统思维”为终极目标【核心素养】。

（二）标题优化释义

将原始命题“安全供水技术课件”精准升格为《管网末梢水质韧性重构：多屏障安全输配技术》。新标题锁定“本科四年级”这一学段，以“管网末梢”精准定位行业技术瓶颈，以“水质韧性重构”替代传统的“维持”或“保护”，强调从被动防护到主动塑造水质稳定性的工程哲学跃升【重要】；副标题“多屏障安全输配技术”直接对应给排水领域国际前沿的“多级屏障”理念，清晰界定本课程属于市政工程二级学科下的管网水质方向。

（三）课型与学时架构

本教案对应课程第4至6讲（共3讲，每讲90分钟，合计270分钟），属于项目式学习（PBL）核心实施阶段。课程总体采用“大单元教学设计”理念，将碎片化的知识点重组为“机理认知—技术突破—系统集成”三层递进结构，对应布鲁姆认知目标的应用、分析、评价与创造层级。

二、单元教学内容重构与核心要点罗列

本单元主题为“供水管网水质化学与生物稳定性协同控制”。依据工程教育专业认证（华盛顿协议）毕业生核心能力要求，将本节课题所有必须涵盖的核心知识点、技能点、素养点进行全维度罗列与分级标注如下【应列尽罗】。

（一）核心概念与机理类（知识底座）

1.管网水质二次污染的定义与范畴【基础】：区分物理性污染（浊度、铁锰释放）、化学性污染（消毒副产物、铅铜溶出）与生物性污染（细菌再生、无脊椎动物滋生）。【重要】

2.消毒副产物（DBPs）生成前体物识别【高频考点】：天然有机物（NOM）中疏水性组分与亲水性组分在氯化/氯胺化条件下的反应路径差异，重点掌握三卤甲烷（THMs）与卤乙酸（HAAs）的生成动力学。【难点】

3.余氯在管网中的衰减机制【高频考点】：主体水衰减与管壁衰减的双阻力模型，温度、管材、水力停留时间对衰减系数K的定量影响。【重要】

4.管网水生物稳定性表征指标体系【核心素养】：可同化有机碳（AOC）与生物可降解溶解性有机碳（BDOC）的检测原理、限值标准及其与管网异养菌平板计数（HPC）的相关性。【基础】

5.金属管材内部腐蚀与结垢机理【难点】：电化学腐蚀、微生物诱导腐蚀（MIC）及管垢分层结构（壳层、疏松沉积层、硬壳层）对铁释放的“蓄积-爆发”效应。【热点】

（二）关键技术方法与工程参数类（能力主干）

1.多点加氯优化与厂网联动消毒技术【核心】：基于水力模型的加氯点选址算法，前加氯、后加氯与补加氯的剂量协同公式（C_final=C_0*e^(-kt)+ΣΔC_i）。【高频考点】

2.管网末端水质更新技术【重要】：滞水区识别指标（如换水率阈值），自动泄水控制逻辑与节能运行策略。

3.水质监测点优化布置算法【难点】：基于覆盖水量、人口暴露风险、管龄劣化的多目标加权选址模型，克服传统凭经验布点的盲区。【创新点】

4.化学稳定性控制（Langelier指数LSI调整）【基础】：通过调节pH、碱度或投加缓蚀剂（正磷酸盐）抑制铅、铜、铁的溶出。【重要】

5.抗药性基因（ARGs）在管网中的传播风险与控制【前沿】：胞外抗药基因（eARGs）与胞内抗药基因（iARGs）在不同管壁生物膜中的水平转移潜力。【热点】

（三）工程实践与职业素养类（价值引领）

1.城市供水应急处理预案编制逻辑【综合】：以水源突发污染事件为例，推演“预警—应急调度—末端响应”的全链条技术决策。【工程伦理】

2.老旧小区二次供水设施改造技术路线【社会议题】：辨析“管网更新”与“末端净化”两种技术包的经济技术边界。【难点】

3.供水行业从“合格水”向“优质水”“好水”升级的国家战略【思政点】：结合《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2022）及《城市供水水质标准》（CJ/T206）的指标收严趋势，培育卓越工程师的民生情怀。【核心素养】

三、教学实施过程详案（核心篇幅，占比80%以上）

本环节严格遵循“情境锚定—问题解构—协同建模—迁移创造”的四阶跨学科项目式学习范式，深度融合浙江大学张土乔教授国家科技进步奖获奖成果、盐城工学院校地协同产教融合模式及发达国家供水管网先进管理理念【5】【10】。

（一）第一课时（90分钟）：破壁——从“暗管迷城”到“透明管网”

1.情境锚定与认知冲突创设（15分钟）【观风察云】

教师展示某市新区疾控中心2023年水质公报：出厂水浊度0.15NTU（国标限值1NTU），余氯0.8mg/L，全部指标优于国标；然而该区某高端住宅小区居民集中投诉龙头水发黄、有余氯味，经检测该小区管网末梢余氯仅0.02mg/L，三氯甲烷超标2.3倍。

驱动性问题（本质问题）提出：【非常重要】“为什么合格的出厂水，到了用户龙头变成了不合格水？这是一个化学问题、生物问题，还是一个管理问题？”

学生异质分组（6组，每组5-6人）。组内角色预分配：水力分析师、水质分析师、材料工程师、运营调度员、公众沟通官。此环节要求各小组在5分钟内形成初步假设，上传至智慧教学平台词云。

2.机理探究：构建管网水质衰减的数字孪生模型（35分钟）【问风话云】

教师进行微观发生学教学。不直接给出余氯衰减公式，而是引导学生重演科学家当年的建模困境。

（1）实验数据反演【基础】：提供某真实管网两个监测点连续72小时的余氯、水温、pH、流量监测原始数据集（含噪声）。学生分组利用Excel或SPSS进行回归分析，发现“距离水厂越远，余氯越低，但不是简单的线性关系”。

（2）概念冲突介入：教师引出比尔定律类比（A=εbc），追问：“光吸收是均匀介质衰减，管道中的衰减均匀吗？”引出“主体水衰减”与“管壁衰减”的物理图像区别【难点】。

（3）数学建模工坊【高阶思维】：教师提供简化版一阶衰减方程C_t=C_0·e^(-k·t)。各小组利用分段数据反推衰减系数K。教师介入引导：“为什么同样是DN200管道，铸铁管的K值明显高于PE管？”由此自然建构“管材-管龄-生物膜”对K值的修正因子。

（4）技术史穿插：以2007年无锡供水危机及张土乔团队二十年攻关历程为案例【5】【8】，阐释从烧杯实验到全流程管网实验平台（320米环路、4种管材）的科研范式飞跃。强调：“真正的工程智慧，不是回避复杂性，而是在实验室里重建复杂性并驯服它。”【工程伦理】【思政点】

3.微观过程深潜：消毒副产物的“出生证明”（30分钟）【深化探究】

此环节融合化学与生物学科视角，体现跨学科本质【核心素养】。

（1）化学反应路径追踪【高频考点】：教师在黑板上动态推演氯化反应路径——次氯酸（HOCl）与腐殖酸中间体间苯二酚结构发生亲电取代，经开环、水解生成三氯甲烷。学生不要求书写复杂有机机理，但必须理解“前体物（NOM）+氧化剂（氯）+反应时间=DBPs”这一核心因果关系。

（2）悖论揭示【热点】：教师提出“消毒的困境”——氯不够，细菌滋生；氯太多，副产物致癌。如何破解？引出“多屏障协同”而非“单点超量”的系统控制哲学。

（3）虚拟仿真实验：进入国家虚拟仿真实验教学平台《给水管网水质安全控制》模块，学生操作调节加氯量、pH值、水温，实时观察三维云图中THMs生成浓度的动态变化。平台内嵌AI交互分析工具，实时计算各小组操作方案的“综合水质风险指数”【4】。此环节要求每组截取1张“最优控制界面”作为过程性成果。

4.首尾联结与认知固化（10分钟）

每组用1分钟陈述：“通过本节课，我对我市那起水质投诉事件的根本原因判断有什么变化？”教师总结关键词迁移：从“出厂水不干净”的直觉归因，转向“水力停留时间过长+管材老化+补氯缺失”的系统归因【重要】。

（二）第二课时（90分钟）：利器——水质稳定控制核心技术的工程解构

1.技术路线全景图（10分钟）【引风导云】

教师展示我国南方某特大城市供水管网改造工程的真实鸟瞰图，叠加技术模块标识。清晰呈现三大技术簇：（1）源头调控——优化混凝与活性炭深度处理，降低NOM前体物；（2）过程干预——厂网联动多点精准加氯；（3）末端修复——滞水区自控排水与二次供水设施改造。

2.核心技术一：厂网联动多点加氯精准投加（35分钟）【重中之重】【高频考点】

（1）传统工艺局限分析：单一水厂出口加氯，为确保末梢余氯达标，不得不大幅提高出厂水余氯（常达1.5-2.0mg/L），导致近端用户余氯味重、DBPs飙升，远端用户仍可能不达标。

（2）创新技术原理剖析【5】：基于管网水力模型（EPANET），在管网中途压力合适点增设补加氯站。核心算法：利用动态规划求解多源加氯的最优位置与投加量，目标函数为“管网节点余氯达标率最高+DBPs生成潜能最低+总加氯量最小”的三维帕累托前沿。

（3）工程实例复盘【综合】：教师给出某示范区简化版拓扑结构（1个水厂、2个加压站、4个补加氯候选点、20个监测节点），要求学生以小组为单位，利用纸质版或平板端简易EPANET模型，在20分钟内完成加氯方案初设。约束条件：末梢余氯≥0.05mg/L，所有节点THMs≤60μg/L。

（4）成果互评与专家介入：每组派“运营调度员”展示布点方案及剂量。教师展示真实工程数据：该示范区应用后，余氯投加总量减少25.6%，末梢余氯达标率提升35.6%【5】。对比学生方案与工程最优解的差异，引导学生反思“理想假设”与“现场约束”（如征地难、电价、维护力量）的差距，培养工程折中思维。

3.核心技术二：管网铁释放与“红水”控制（25分钟）【难点】【社会热点】

（1）现象学切入：播放居民拍摄的“早晨第一杯水发红”短视频。提问：“为什么老旧小区改造后，初期反而更容易出现红水？”

（2）机理深潜【进阶】：展示管垢扫描电镜（SEM）图像。管垢并非均匀铁锈层，而是具有“表层致密壳-中间疏松沉积-底层腐蚀坑”的分层结构。当水源切换（如地表水切换地下水）或水力扰动（管网改造施工关阀复开）时，水化学条件剧变（pH、碱度、溶解氧），管垢稳定态被打破，高价铁（Fe³⁺）还原溶出或颗粒物脱落，形成“红水”爆发【5】。

（3）控制策略矩阵：教师引导学生从化学稳定性（LSI指数调节、投加正磷酸盐）和水力稳定性（控制流速、方向、排水）两个维度构建解决方案。

（4）职业伦理思辨【思政点】：设置辩论环节——某小区管网改造预算有限，方案A（彻底更换全部镀锌管）费用高、工期长、居民投诉停水不便；方案B（仅加装小区总进水管缓蚀剂投加装置）费用低、见效快，但需长期投药且存在未知环境风险。如果你是总工程师，如何决策？各组需陈述技术依据并回应价值判断。

4.课堂复盘与技术扎口（10分钟）

教师利用思维导图工具，与学生共同填充“管网水质化学稳定性”分支，明确LSI、铁释放、缓蚀剂、红水预警等概念间的逻辑闭环。

（三）第三课时（90分钟）：致远——从生物稳定性到智慧化系统集成

1.生物稳定性：看不见的战场（30分钟）【核心素养】【前沿】

（1）问题转换：常规细菌总数检测需培养48小时，是“死后验尸”。工程界需要的是预测微生物生长潜力的前瞻指标。

（2）核心概念建构【重要】：AOC（可同化有机碳）——水中最易被细菌利用的小分子有机物（羧酸、氨基酸、碳水化合物）含量，单位μg/L乙酸碳当量。教师类比：“AOC就像洒在地上的糖水，即使肉眼看不见糖粒，蚂蚁也会成群结队聚集。AOC就是吸引细菌在管网中再生长的那张糖水地图。”

（3）检测原理精讲【基础】：生物法（荧光假单胞菌P17和螺旋菌NOX的共培养产率测定）与新兴物理法（三维荧光光谱平行因子分析）的优劣对比。强调传统AOC检测需3-5天，而基于荧光技术的在线AOC监测仪已实现每小时输出数据【前沿】。

（4）控制策略：生物活性炭（BAC）滤池对AOC的去除效能；氯胺消毒相比自由氯在维持生物稳定性方面的优势与代价（更弱氧化性但穿透性强，DBPs生成谱不同）。

2.系统集成：供水管网数字孪生与智能调度（35分钟）【高阶思维】【创新难点】

（1）从静态模型到动态孪生的跨越【5】：教师解释“离线模型”与“在线模型”的本质区别——后者需要解决“实时用水量反演”这一卡脖子难题。展示张土乔团队核心技术：利用SCADA系统有限的压力、流量监测点数据，通过卡尔曼滤波算法反推全网节点时变用水量，校核时间从3个月缩短至5分钟。

（2）虚实融合实训：接入学校“智慧水务”实景数字沙盘。学生在教师端下发模拟指令：“长江水源出现突发苯酚泄漏”。系统在2秒内生成应急调度方案：关停某取水口、加大另一水厂产水、调整管网流向隔离污染带、启动沿线多个补氯站。学生观察水质恶化锋面的推移动态，评估不同方案下的受影响人口时程曲线。

（3）人机协同决策实验【热点】：系统给出AI推荐的三种应急预案。要求学生结合传感器可靠性、社会影响（医院、学校不能停水）、经济成本进行综合评分。通过实际操作深刻理解：数字孪生不是替代工程师，而是增强工程师的情境感知与预判能力。

3.职业前瞻：双碳目标下的供水管网技术演进（15分钟）【战略视野】

（1）能耗痛点：供水泵站电耗占自来水厂总能耗70%以上，而水质保障（如强制排水更新滞水）与节能存在矛盾。

（2）技术窗口：介绍压力驱动水力模型与水质模型的耦合，在保障水质达标的前提下，通过优化调度实现“夜间降压供水”与“末端滞水置换”的动态平衡。

（3）课程大作业发布【迁移创造】：以“您所在城市某老旧片区管网水质提升综合方案”为真题，要求融合化学稳定性、生物稳定性、智慧调度、公众沟通四大维度，成果形式为15页以内的工程技术报告，并录制3分钟视频向社区居民科普“龙头水为什么可以直接喝”。

4.结课升华：给水工程师的四重境界（10分钟）【课程思政】

教师以时间为轴，呈现四张照片：第一张，1980年代工人肩扛铸铁管；第二张，2000年代水厂中心控制室大屏；第三张，2020年代科研人员在管网实验平台调试传感器；第四张，学生小组在本课程实验课中检测水样的特写。结语：“保障供水安全，第一重境界是让家家户户有水龙头；第二重境界是让流出的水不生病；第三重境界是让水清澈、无异味、口感好；第四重境界，是即使面对极端气候、突发污染、管网老化，我们的系统依然有韧性，我们的工程师依然有定力。这就是我们今天反复练习的——韧性重构。”【情感态度与价值观】

四、教学资源与跨学科支持系统

（一）实验实训资源矩阵

1.实体资源：给水管网中试平台（含铸铁、PE、镀锌钢管，总长200米，配置在线余氯、浊度、pH探头及电磁流量计）。

2.虚拟资源：国家级虚拟仿真实验项目《供水管网突发污染应急处理》，涵盖水源、水厂、管网、用户全流程。

3.案例资源库：收录2007年无锡、2014年兰州、2022年上海某镇等8个典型管网水质事件深度调查报告及整改后评估报告。

（二）跨学科教师共同体协同机制【1】【4】

本单元实施“主学科牵引+相关学科参与”教学模式。给排水专业教师主讲管网水力与水质反应工程；邀请化学与环境工程系教师联合讲授消毒副产物生成路径与高级氧化控制技术（化学视角）；邀请微生物学教师参与AOC与生物膜演替专题研讨（生物学视角）；邀请信息科学与工程学院教师指导EPANET二次开发及Python数据处理（大数据视角）。通过跨学科集体备课，消除知识点孤岛，形成结构化教学框架