摘要：“新工科”教育目标的引导下，在对“水污染控制工程”课程教学改革的实践中，有机地结合了凯勒教学理论的团队学习，辅以学习制度、评定方法、课程单元化等措施，加大实践的内容，并对设计环节和进行了改革和实践，满足“新工科”培养人才目标，达到以设计促进学生掌握理论，解决实际问题的能力，并与实际就业接轨，效果良好。
关键词：新工科；凯勒教学原理；水污染控制工程；教学探索
一引言
工科人才培养一方面要契合行业发展，甚至走在行业变革的前列。我国“水十条”的颁布，水处理行业的发展日新月异，将导致行业需求大量拥有较强创新、掌握新技术、会设计的工程师。同时，我国连续颁布的《国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020年)》、《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》显示“新工科”理念与行业改革的势在必行[1]。大学“新工科”的目标就是：突出培养造就创新型科技人才,大力开发经济社会发展重点领域急需紧缺专门人才,培养卓越的工程师，这成为适应本世代时代工科教育的新命题[2]。讲过调查研究，我们发现本校工科教育需要解决以下问题：（1）教育目标方面，需要培养学生的自主性与创新能力；（2）在课程设置方面，存在理科和工科教育模式趋向与同质化，教育知识内容与实践脱节；（3）在知识结构与能力发展方面，行业技术与知识日新月异，在有限的培养时间内，如何兼顾理论知识、新技术与实践能力培养的三方同步推进有较大的困难。以上困难导致目前工科所培养的学生与企业大量需要的实用型和技术型人才之间有较大的差别[3,4]。从心理学、教育学的角度，大学生是人生发展的第三阶段，知识体系、创新能力以及自主意识已经进入人生的巅峰期，传统的讲授式教育对其发展与学习是十分不利的。因此，有不少教育、教学理论一直关注工科实践教育的发展。其中凯勒教学理论，又称个人化教学系统理论是应用于工科教育、培养创新型人才的重要理论之一。凯勒教学理论又称为个人化教学理论，是根据斯金纳操作反射原理而设计的一套教学理论。该套理论核心是塑造个更人性化的教学学习模式，鼓励学生自主与团队学习的模式。从教学目的、教材、教育模式等方面均与经典讲授式教学模式差别相当大[5]。其强调实践、团队学习的方法，非常适合应用于“新工科”教育的需求。然而，该理论与模式应用于水污染控制工程课程，还需要我们进行具体课程的探索。
二《水污染控制工程》存在问题
在水污染控制工程课程教育的开展过程中，存在一系列具体的问题。
（一）《水污染控制工程》成效需要多个专业课的支持
《水污染控制工程》是环境工程专业的核心课程，前期需要包括城市给水、排水管道、环境工程学原理、泵房与泵站、环保设备，工程制图等先导课程的支持。学生对先导课程掌握的深度影响污染控制工程的设计能力的培养。但由于涉及的课程较广泛，存在学生对先导课程知识掌握深度不够，基础知识不能转化实际设计应用等现象，如学生在给水管道计算、泵的计算选配，处理单元的初步设计与设备选择环节出现不少问题。因此，先导课程是否合适影响到学生实际掌握课本知识的效率，教学推进的效率。
（二）有限课时内，水污染控制课程需要以设计实践为核心的教学模式
水污染控制课程涉及理论教学、工程设计与实践环节，充分的设计训练才能使学生真正掌握、知识，领会工程感觉。有三方面因素影响本课程以设计与实践教学的开展。（1）有限的课时与师资力量，容易导致设计时间不足，比重过少的情况，目前在课时比较紧张的现实条件下，讲授模式难以完成实践设计为主导的课程；此外，老师有限的精力也无法兼顾超过60人以上的大班设计的指导工作。（2）新设备、新技术冲击传统设计理念与训练模式；环境工程技术与设备日新月异，公司在实际设计时采用的经验算法与在课本所设计的实践内容差异较大，既不能完全按照实际情况讲授，也不能脱离实际情况开展，如何开展这方面教育，难度较大。（3）在学习流程上，学生需要课程以实际污水厂构筑物、工艺设计实践为支撑，实践、观摩与动手设计才能落实水处理工艺设备基本知识的掌握，流程较复杂，需要多维度授课模式才能完成。以上三点显示水污染控制课程的培养模式一定强化实践教学，打造以设计为核心，新工科培养计划为导向，培养掌握实际设计基础知识的理论-实践教学体系。
（三）实际设计、工程经验与课堂教学有较大的距离
为了适应未来工作的需要，学生需要掌握基本设计知识、了解实际设计与工程经验，水污染控制课程是既有工程设计又有新型处理技术内容的课程。原有课程中无法完全对学生从工程设计、扩大设计、施工、工程概预算、设备选配等方面较全面的培养。此外，随着技术的发展，实际设计、工程经验已经与课本知识产生较大差异，而且变化较快且不讲求原理计算，完全按市场情况培养与按教材进行讲授是不适当的。另一方面，该课程在师资方面的要求较高，尤其是对实际工程案例的解读与关键参数选择，影响到学生掌握设计与实践知识的难点。针对上述存在问题，通过学习合适凯勒教学理论，结合本校的基础与教学经验，我们认为需要新旧理论融合，对教学模式、实践环节设计与评价三个方面，开展了以新工科工程师培养计划为导向的《水污染控制工程》实践教学改革与探索，从而使毕业生具有扎实的水处理技术基础知识，较熟练工程设计技能与应对未来未知技术发展挑战的能力，满足新工科教育的目标。
三改革目标及方法
凯勒教学理论强调学生学习能力的个体差异性，强调团队学习、实践对学生掌握知识的优势，通过团队学习的方式可以大大提高教学与学习的效率。因此，我们认为指导完成水污染控制工程的教学目标是非常有意义的。本课程改革目标分为三个层次。第一是达到人才培养的目标，以学生为主体，根据学生的个人能力差异与教学需求，建立适合团队学习教学模式，在项目管理-团队学习的模式下让学生尽快掌握水污染控制课程理论与实际设计技能，获得未来水处理工程师的基本素质与解决实际技术问题的能力。第二是建立一种配合该项目-团队学习管理模式，并配以教学指导书、条例、方法、评分制度的建立；第三，编制一套不断与实际技术接轨，同时兼有基本原理教导的指导性授课材料，支持课程的改革。
四改革思路、内容与实施方案
（一）改革思路
我们从凯勒教学理论为指导，该套理论核心是塑造个更人性化的教学学习模式，鼓励学生自主与团队学习的模式。具体包括：（1）以学生为主体，确定学习进度，强调按学生个人情况自主学习，又强调成绩与学习效率、学习进度挂钩；（2）精炼课程内容，课程内容单元化，配合自主学习；（3）教师精讲化，以团队引导学生钻研与自主学习，相互学习；（5）使用指导性教材，实践教学为主，理论仅作为引导，强调学生参与教材的完善；（6）设计团队学习模式，鼓励学生之间组队，以团队互助，团队竞争为教学主要模式等。总而言之，在实践过程中，我们认为团队学习、教师精讲、实践指导等环节比较适合实现水污染控制工程新培养模式。这正是与我们的教育目标、教学经验所知相一致。其次，课程要求、培养目标以及实际企业需求构成了课程改革的技术动力与保证。针对改革的目标与以上存在的问题，本校对水污染控制课程以下四方面进行了一系列的改进（图1）。
（二）改革内容
针对以上的改革目标，我们实践了以下四方面围绕项目制管理-团队学习的课程教学模式改革。1.改进教学模式：打造团队学习的模式是核心，激发学生自主学习，培养团队意识，共同解决设计中的问题。团队学习是本课程改革的重点之一，之所以选择团队学习的模式存在以下几方面因素。首先，学生的能力差异会导致学习效率的差别，但对于设计课程而言，维持统一的进度与一定的深度是课程推进的条件，团队学习通过组长、组内互助，解决学生个性与同步前进的矛盾；其次，团队学习有利于在有限的课时内，学生间的互助，有利于激发主动性，维持一致的步调；最后，在实际设计工作中，小团队的协作、沟通十分频繁，如总设计、单体设计以及建筑结构等领域人员的交流，是完成设计工作的关键。团队学习有利于培养团队合作的精神。具体在教学中，第一，我们安排学生干部商议，可以采用分配组队、自由组队与竞争组队等方式，形成学习团队，制定与修改学习规则、管理规则。第二，上课时，下达每一组的设计任务给组长，组长上课前带领组员完成预习、资料准备，课后带领组员分阶段的设计任务，并组织组内互助学习；授课过程采用“理论→设计→理论→设计贯穿进行”的教学模式。同时开设综合实验课，增加课程设计的力度。第三，我们在课程中引入团队竞争的机制，在不同阶段，通过不同组间设计成果的对比，得出团队成绩，强化团队竞争的意识。组长、班委组成管理小组，反馈在授课、设计过程中的问题。2.改进教学内容：课程单元化，提高教学效率，通过理论讲解与单元设计交替强化实践。水污染控制课程内容丰富，需要回顾的知识点较多，因此优化课程内容十分重要。我们采用凯勒教学模式，根据学生的能力，将水处理的课程分为7-10个单元，使之实现课程单元化的目标。内容主要围绕污水总泵站设计，引水渠/格栅、沉砂池、一/二沉淀池、好氧生化池、厌氧生化池，鼓风机、污泥泵、厌氧消化等环节开展。单元化的同时采用多维度教学的模式，以理论讲授、图片、视频与现场认知等途径达到掌握知识，同时通过一个单元学习，一个单元单体设计达到应用目标，而且在教学中努力以设计实践带动理论学习，设计以小组开展讨论与设计，并在设计作业中要求按市场实际设备的参数进行设计选型，绘制大样图，提高设计难度，激发学生自主解决问题的能力。通过课程设计与总设计完成知识与技能双成长，保证设计在教学中的比重超过60%。如在格栅设计课程中，我们将格栅的类型、组成、分类等知识分拆至单元设计的课程中讲解，并将格栅部分课程分拆为格栅前及引水渠设计部分，格栅/过栅参数选择，格栅选定后设备、渠型参数修改与校验等单元，围绕设计讲透格栅设计的多个关键参数与设计点。3.改进教学形式：编制团队学习教材，课程的内容动态变化，教材多维度展开，渗透团队学习过程根据凯勒教学理论，为支撑项目制-团队学习，需要编制指导性的教材。教材分为三部分，第一部分以水处理教材为核心的课本与选读材料，内容为排水工程下册、水污染控制工程等书籍，配合影片、实物、ppt与微信平台的展示，以小组开展学习；第二部分为国家颁布的室外排水规范与给排水设计手册，此部分需要学生参与以团队为单位主动查阅最新规范与手册，配合自编设计指导书，设计任务书的讲解，在动手中了解设计过程与参数选择；第三部分为实际案例、设备与装置样品说明书，在设计过程中采用实际设备与材料的参数，对设计进行匹配，同时完成询价与局部大样的设计。以上工作均以团队为单位展开，并运用至设计作业中。同时，还利用校精品课程的课题建立的全课程的数字化教学平台：包括课程介绍、教学大纲、教案或演示文稿、重点难点指导、作业、参考资料目录和课程主要教学内容的音视频资料等反映教学全过程必需的资源。该平台可以协助、反馈学生学习的进度与效率，并通过分阶段数据适时分析学习情况，提高教学效率。4.改进教学延申模式：强化学生与校外企业的技术人员相互联系。为配合“水污染控制工程”的实践环节，首先建立微信平台，加入有经验的设计工程师为顾问，教师定期回答团队提出的技术问题，工程师协助回答工程技术问题与经验；在设计周邀请企业技术人员，或者带领同学参加企业的设计指导课程与项目，还组织学生参加水处理相关的技术展，获得现实产品、管道材料、技术的新趋势与参数。以16级为例，学习过程中提出的问题超过80条，加快教师-学生间的沟通与交流。
五结语
（一）已经完成内容
通过凯勒教学理论与“新工科”教育的融合，从教学模式、教学内容改进、模式补充等四方面，将《水污染控制工程》课程改造为本院培养具有创造力、适应就业市场的特色本科专业课程之一。目前已经完成以下工作：（1）编写与应用适应性模块化教育组成的理论教材、实验指导书、设计指导书等支持课程的开展；（2）建立多维度教育模式，从线上平台、微信群管理/交流、组长群学习拓展学生课后持续学习；（3）设计学习制度、团队学习组织制度、全过程评判标准，推进团队学习、竞争的机制；（4）重视理论与实践交叉的教学方案，利用设计手册、规范为指导，结合书本的知识点，突出实际工艺参数与设备的真实选型，使学生具有污水处理领域的工程设计、设备选择等方面的技能。
（二）反馈结果
通过本课程的教学改革，对上交超过（14级-16级）300份学生作业情况分析，获得以下成果，（1）在比较短的时间内，学生在团队学习中掌握了水污染控制工程的好氧、厌氧处理的基础知识，污水厂平面、高程布置，掌握了市政污水厂从总泵站到消毒池的一系列单体设计计算过程与参数选择；（2）团队学习有助于调动学习积极分子对基础薄弱同学的帮助，组内交流频繁，达到共同学习的目的；（3）组间竞争激烈，互相评比设计时可以加深学生的再次学习；（4）引入实际设备的限制，增加贴近实际工程状况。课程改革与实践在传统理论与新模式碰撞下，创造了一系列新的教学条件，提升了教师的教学水平，培养了数批实基础的工科学生，而且得到学生的好评。同时，利用课程改革与教学制度的创新，配合国家可持续发展与环保事业大发展的形势，获得教学制度创新与实践教育中获得多个教学成果奖及校级教研项目的支持。在教师与学生的共同努力下，相信经过一系列课程改革，该课程会得到进一步的发展，逐步实现“新工科”与创新人才培养的宏伟目标。
作者:钟玉鸣 刘晖 童英林 李义勇 孙彦富 周康群 钱伟 单位:仲恺农业工程学院
