新工科背景下水污染控制工程课程教学质量提升策略研究

一、引言

随着《水污染防治行动计划》等国家政策的深入实施，具备扎实理论基础、卓越工程实践能力及创新思维的环境工程人才需求日益迫切。本课程融合数学、物理、化学、生物、力学等多学科知识，是连接水污染控制理论与工程实践的桥梁。然而，其复杂性导致教学面临诸多挑战：教材更新滞后、有限学时与海量内容矛盾、实验环节学生参与度低、理论实践衔接不畅、传统考核难以筛选创新人才。在新工科强调“学生中心、产出导向、持续改进”的理念下，亟需对本课程教学模式进行创新改革。

二、教学质量提升核心策略

基于工程教育认证标准和一流专业建设要求，本研究提出并实践了以下六大提升策略：

（1）重构教学内容，对接前沿与工程实际。动态更新知识体系：在教材基础上，定期以学术报告形式补充国内外污水处理新工艺（如主流厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥技术）及最新颁布的地方排放标准，确保教学内容与时俱进。

针对污水处理新工艺，采用“理论溯源- 技术突破 - 工程应用”三层递进式解析。以主流厌氧氨氧化技术为例：在理论溯源层面，从厌氧氨氧化菌的代谢途径、基因调控机制等微观角度讲解技术原理；技术突破环节，结合教师科研课题，分析如何通过优化反应器构型（如 Anammox-UASB 反应器的颗粒污泥培养技术）、调控运行参数（溶解氧浓度、温度控制策略）解决传统工艺启动慢、效率低等问题；工程应用阶段，引入国内外典型案例，如荷兰鹿特丹 Dokhaven 污水处理厂、西安第四污水处理厂的厌氧氨氧化工程，剖析其在实际运行中的成本效益、管理经验及面临的挑战，使学生全面掌握技术从实验室到工程化的完整链条。

（2）强化工程可视化：充分利用多媒体资源（3D 动画、工艺仿真软件），直观展示污水处理厂各单元（如 SBR、氧化沟、MBR）的设计、施工、运行与调控细节，深化学生对抽象原理和工程实景的理解。

借助工艺仿真软件（如GPS-X、BIM），学生可化身工艺调控“工程师”，自主搭建A2O 工艺系统。在虚拟操作界面中，通过滑动滑块、输入数值等方式，精准调控回流比、碳源投加量、溶解氧浓度等核心参数。随着参数的动态调整，系统实时生成进出水水质数据曲线，直观展现氨氮、总磷等污染物去除率的变化趋势，以及污泥沉降性能的波动情况。学生还能以三维视角观察厌氧池、缺氧池、好氧池内活性污泥与污水的混合状态、生物反应过程，在沉浸式操作中洞悉不同工况下 A2O 工艺的运行规律，将课本中复杂的生物脱氮除磷原理转化为可视化、可验证的工程实践认知。

（3）深度融合案例教学：每章节融入典型工程案例（如水生态修复工程实例），将理论知识置于真实场景中解析，提升学生解决实际问题的能力。

据课程章节知识体系与能力培养目标，遵循“代表性、时效性、启发性”原则筛选案例。在“污水土地处理”章节，引入“白洋淀水生态修复工程”，该案例涵盖控源截污、生态湿地构建、水体生态系统恢复等多环节，完整呈现水污染治理的系统性方案；在“活性污泥法”章节，选用“某污水厂好氧颗粒污泥工艺改造工程”，通过展示其从传统活性污泥工艺向高效颗粒污泥工艺的转型过程，帮助学生理解生物处理技术的创新应用。

（4）优化教学环节设计，遵循认知规律。前置感知实习：在二年级安排污水处理厂认识实习，让学生建立对处理流程与构筑物的宏观认知，为后续理论学习奠定直观基础。

理论 - 设计 - 实践迭代深化：三年级上学期紧接认识实习开设理论课；下学期进行《水污染控制工程课程设计》，深化理论应用；结合三年级生产实习，深入污水厂进行设计计算、工况监测与调试实践，并在实验室进行小型模型模拟研究。形成“感性认识→理论学习 $$ 工程设计 $$ 深度实践”的闭环，实现知识向能力的有效转化。

（5）创新课堂教学与互动模式和评价体系，激发主体能动性。翻转课堂与PBL 结合：除讲授基础理论外，引入前沿进展与工程案例。鼓励学生自选感兴趣的水污染治理主题进行调研汇报，组织课堂讨论。

课上课下联动：每章结束后设置拓展性专题任务（如特定水污染场景治理方案设计），学生分组调研、讨论、互动，以小组形式提交解决方案，模拟工程师角色，提升参与度与协作能力。推行过程式考核与动态反馈，强化持续改进。多元化考核构成：构建全过程评价体系：课堂表现（ 10% ）：出勤、提问互动。平时作业（ 20% ）：巩固所学。课程论文/ 小组调研与汇报（ 20% ）：培养研究能力与团队协作。期末考试（ 50% ）：检验知识系统掌握。

（6）深化科教融合，以科研反哺教学

科研成果进课堂：教师将自身在污水脱氮除磷、 N₂O 减排控制、磷吸附材料等领域的科研成果转化为教学案例或补充内容，传递前沿知识与研究方法。

本科生早进课题：针对半数以上学生升学需求，在理论课学期组织研究性学习小组（3-5 人），加入教师科研项目。学生从安全培训、文献查阅、仪器操作、水质指标测试等基础做起，在实践中深化理论理解，培养科研思维与实验技能。科研中遇到的问题，推动学生主动与教师、研究生探讨，形成“教学促科研，科研哺教学”的互动格局。

三、实施保障与初步成效

师资与经验基础：项目团队由具有丰富教学与科研经验（均有主持或参与国家级、省部级科研项目经历）的教师组成，已先行完成教学大纲修订、信息化教学手段（雨课堂、腾讯会议）应用及实习环节初步整合。

资源补充：针对模块化实验覆盖不足的问题，计划购置专项教学模型装置，支撑关键知识点的动手实操与验证。

初步效果：策略在连续两届学生中实施（2023.09-2024.11）。观察显示，学生课堂互动积极性、小组任务完成质量、对工程问题的分析深度均有提升，参与科研项目的学生展现出更强的探究能力。4 组学生获得大学生挑战杯省级以上荣誉。

四、结论

在新工科建设背景下，提升《水污染控制工程（生化）》教学质量是培养卓越环保工程人才的关键。本研究提出的策略体系——通过内容重构对接前沿、环节优化遵循认知、课堂创新激发能动、过程考核动态反馈、科教融合培养潜能——形成了一套多维联动、闭环改进的教学改革方案。实践证明，该方案有效增强了课程的工程性、前沿性和挑战度，显著提升了学生的工程实践能力、创新思维和自主学习能力，为环境工程一流专业建设与工程教育认证提供了有力支撑，也为同类工科课程改革提供了可借鉴的路径。未来需进一步强化模块化实验教学，并持续追踪毕业生长期发展以验证长效效果。