“CUEMC”人才培養(yǎng)理念的提出與踐行-以“工業(yè)水處理”教學(xué)改革為例

中國(guó)作為全世界唯一擁有聯(lián)合國(guó)產(chǎn)業(yè)分類中所列全部工業(yè)門類的國(guó)家［1］，系統(tǒng)而完善的工業(yè)體系保證了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，有力地維護(hù)了國(guó)家安全，其中工業(yè)水處理技術(shù)對(duì)于當(dāng)代工業(yè)體系的安全運(yùn)轉(zhuǎn)與穩(wěn)步發(fā)展發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在國(guó)內(nèi)高校的人才培養(yǎng)體系中，給排水科學(xué)與工程專業(yè)為我國(guó)水處理行業(yè)提供了核心人才支撐［2］。然而，國(guó)內(nèi)高校的人才培養(yǎng)方案目前仍然將傳統(tǒng)的市政給水處理和市政污水處理作為學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容，并未對(duì)工業(yè)水處理這一契合時(shí)代發(fā)展的議題予以足夠的重視［3］。以筆者所在的河北工業(yè)大學(xué)為例，給排水科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)于2007年，但從專業(yè)開設(shè)之初至2019年的12年間一直沒有設(shè)置“工業(yè)水處理”這一課程，難以滿足新時(shí)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級(jí)對(duì)給排水專業(yè)人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)與能力需求。滿足行業(yè)人才需求是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的責(zé)任與使命［2］，因此，筆者從2019年開始著手講授“工業(yè)水處理”這一課程，經(jīng)過(guò)三年的探索與實(shí)踐，首次提出了“CUEMC”人才培養(yǎng)理念，并以此為指導(dǎo)推進(jìn)了“工業(yè)水處理”課程教學(xué)改革，將教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置、教學(xué)組織的安排和實(shí)際應(yīng)用需求作為一個(gè)有機(jī)的整體進(jìn)行綜合考慮，取得了良好的教學(xué)效果。本文將在回顧現(xiàn)實(shí)問題的基礎(chǔ)上系統(tǒng)介紹該人才培養(yǎng)理念的內(nèi)涵與教學(xué)模式的實(shí)施方式。一、國(guó)內(nèi)“工業(yè)水處理”課程教學(xué)的現(xiàn)實(shí)問題（一）缺乏契合時(shí)代發(fā)展要求的高質(zhì)量教材傳統(tǒng)的高校課程內(nèi)容設(shè)置依照于教材的選用，筆者在調(diào)研之后發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)上與工業(yè)水處理這一主題相關(guān)的教材主要包括朱月海主編的《工業(yè)給水處理》、周本省主編的《工業(yè)水處理技術(shù)》、楊敏等主編的《工業(yè)廢水處理與資源化技術(shù)原理及應(yīng)用》和趙慶良主編的《特種廢水處理技術(shù)》，然而前兩本只涉及工業(yè)給水處理技術(shù)，而后兩本則僅涵蓋部分門類工業(yè)廢水處理技術(shù)。王文東等在2017年編撰出版了同時(shí)包含工業(yè)給水處理和工業(yè)廢水處理的《工業(yè)水處理技術(shù)》一書，但該書目前并未得以推廣。（二）課程的教學(xué)目標(biāo)不夠準(zhǔn)確安徽建筑大學(xué)的教學(xué)大綱將“工業(yè)水處理”定義為一門研究工業(yè)廢水處理方法的課程［4］，但事實(shí)上，工業(yè)水處理不僅包括工業(yè)廢水的處理，還應(yīng)該覆蓋工業(yè)用水的處理，特別是在現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展的今天，以半導(dǎo)體/芯片加工為代表的諸多行業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)給水的水質(zhì)直接影響著工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量與成品率。此外，筆者在參閱多所高校的課程目標(biāo)后發(fā)現(xiàn)，具有運(yùn)行設(shè)計(jì)、施工調(diào)試、維護(hù)管理等方面的能力被列為“工業(yè)水處理”課程的教學(xué)目標(biāo)之一，但從目前的高校教學(xué)過(guò)程來(lái)看，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)顯然是不現(xiàn)實(shí)的，有限的課程學(xué)時(shí)和傳統(tǒng)的校內(nèi)教學(xué)顯然無(wú)法在運(yùn)行設(shè)計(jì)、施工調(diào)試、維護(hù)管理等方面給予學(xué)生足夠的歷練。二、“CUEMC”人才培養(yǎng)理念的提出基于上述國(guó)內(nèi)“工業(yè)水處理”教學(xué)的現(xiàn)實(shí)問題，為了滿足新時(shí)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級(jí)對(duì)給排水專業(yè)人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)與能力需求，筆者以解決實(shí)際工程問題的工具為核心，首次提出了“認(rèn)識(shí)工具（torecognizethetools）—理解工具（tounderstandthetools）—使用工具（toemploythetools）—改良工具（tomodifythetools）—?jiǎng)?chuàng)造工具（tocreatethetools）”的5層次遞進(jìn)式人才培養(yǎng)理念（如圖1所示），并將其簡(jiǎn)稱為“CUEMC”。其中第1層次（認(rèn)識(shí)工具）是指要確保學(xué)生明確不同工業(yè)水處理技術(shù)能夠解決的問題；第2層次（理解工具）則要求教學(xué)過(guò)程可以確保學(xué)生理解不同工業(yè)水處理技術(shù)的工作原理；第3層次（使用工具）意為能夠保證學(xué)生可以學(xué)會(huì)使用現(xiàn)有的工業(yè)水處理技術(shù)去解決不同的工業(yè)水質(zhì)問題；第4層次（改良工具）意味著學(xué)生能夠?qū)ΜF(xiàn)有的水處理技術(shù)提出改進(jìn)建議，以提高其處理效能；第5層次（創(chuàng)造工具）則是要學(xué)生能夠提出全新的水處理技術(shù)，以更好地解決工業(yè)水處理問題。上述5個(gè)層次呈現(xiàn)進(jìn)階關(guān)系，主張實(shí)際的教學(xué)過(guò)程要確保學(xué)生達(dá)到前3個(gè)層次，并力爭(zhēng)向后2個(gè)層次演進(jìn)發(fā)展。圖1“CUEMC”人才培養(yǎng)理念三、基于“CUEMC”理念的“工業(yè)水處理”教學(xué)設(shè)計(jì)（一）構(gòu)筑工業(yè)水處理技術(shù)“工具箱”部分高校的教師認(rèn)為工業(yè)水處理中所采用的多數(shù)處理技術(shù)在“水質(zhì)工程學(xué)”中已有涉及，但這些舊的知識(shí)理論在新的工業(yè)水處理中具有不同的應(yīng)用特征，圍繞這些區(qū)別和聯(lián)系，由學(xué)生展開討論與分析正是高階性教學(xué)所追求的目標(biāo)。例如，目前的市政污水處理廠主要以好氧和厭氧生物處理技術(shù)為核心，因此有關(guān)物化和化學(xué)處理技術(shù)容易在“水質(zhì)工程學(xué)”的授課過(guò)程中被教師和學(xué)生所輕視，筆者在教學(xué)中也確實(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)物化和化學(xué)技術(shù)的相關(guān)知識(shí)原理掌握情況較差。然而，物化與化學(xué)處理技術(shù)卻在工業(yè)用水凈化與工業(yè)廢水處理中發(fā)揮著極其重要的作用。此外，近10年我國(guó)高校的新入職教師幾乎全部為博士畢業(yè)生，這些青年科研工作者同時(shí)肩負(fù)著科研與教學(xué)任務(wù)，工業(yè)水處理過(guò)程涉及膜分離技術(shù)、高級(jí)氧化技術(shù)等前沿水處理理論與技術(shù)，與諸多水處理行業(yè)青年科研人員的課題研究均有內(nèi)容交叉，這為科研進(jìn)展引入本科生教學(xué)提供了便利條件，有望實(shí)現(xiàn)以科研反哺教學(xué)并拓寬本科生的學(xué)術(shù)視野。例如，筆者的研究領(lǐng)域?yàn)槟しㄋ幚砑夹g(shù)，在講授膜分離技術(shù)時(shí)就可以帶領(lǐng)學(xué)生前往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)地參觀，并把各種不同功能的膜材料樣品真實(shí)地展示給學(xué)生，同時(shí)還可以通過(guò)講述某一科研成果的發(fā)現(xiàn)過(guò)程來(lái)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。事實(shí)證明，這一過(guò)程極大地加深了學(xué)生對(duì)膜分離技術(shù)的理解。因此，篩選關(guān)鍵知識(shí)工具，構(gòu)建工業(yè)水處理技術(shù)“工具箱”是優(yōu)化“工業(yè)水處理”課程的首要任務(wù)?；谏鲜隹紤]，筆者以工業(yè)水處理中的主要水質(zhì)問題為導(dǎo)向，在梳理經(jīng)典教材中有關(guān)工業(yè)水處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)緊扣行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與水處理技術(shù)最新科研進(jìn)展來(lái)拓展教學(xué)內(nèi)容，將近5年科研論文中所涉及的新型、實(shí)用技術(shù)理論與之結(jié)合，形成了囊括預(yù)處理技術(shù)、常規(guī)分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、生物處理技術(shù)、高級(jí)氧化技術(shù)和化工分離技術(shù)共計(jì)6類關(guān)鍵技術(shù)的“工具箱”（如圖2所示），確保該“工具箱”中的知識(shí)工具能夠解決工業(yè)水處理中面臨的諸多水質(zhì)問題。此外，還將行業(yè)期刊（《工業(yè)水處理》《水處理技術(shù)》《中國(guó)給水排水》等）作為教學(xué)內(nèi)容的有益補(bǔ)充，在每一次課結(jié)束時(shí)向?qū)W生推薦一篇與本課內(nèi)容高度相關(guān)的科研論文作為課后學(xué)習(xí)材料，以體現(xiàn)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值和前沿特性。圖2工業(yè)水處理技術(shù)“工具箱”（二）搭建工業(yè)水質(zhì)問題場(chǎng)景隨著京津冀一體化戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，首都的大量工業(yè)企業(yè)遷移進(jìn)入了河北省與天津市［5］，而河北工業(yè)大學(xué)作為一所坐落于天津的三方共建高校，理應(yīng)為這一時(shí)代變遷過(guò)程中的人才需求提供強(qiáng)力支撐，工業(yè)水處理正是一個(gè)關(guān)鍵的著力點(diǎn)。實(shí)際的工業(yè)水處理項(xiàng)目設(shè)計(jì)通常出自設(shè)計(jì)院或環(huán)保公司的設(shè)計(jì)部門之手，設(shè)計(jì)的過(guò)程體現(xiàn)著相關(guān)設(shè)計(jì)人員的思維特征與工藝偏好。因此，通過(guò)對(duì)典型水處理工程案例進(jìn)行研討與分析，可以更為深入地理解其設(shè)計(jì)思路。一方面學(xué)習(xí)其所長(zhǎng)，由此啟發(fā)學(xué)生解決實(shí)際工業(yè)水處理問題的設(shè)計(jì)思維；另一方面亦可指出其不足，從而提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，并可將此改進(jìn)措施反饋給企業(yè)，切實(shí)做到從工程案例中來(lái)、到工程案例中去。因此，構(gòu)建面向京津冀地區(qū)不同行業(yè)的工業(yè)水質(zhì)問題場(chǎng)景是推進(jìn)“工業(yè)水處理”課程質(zhì)量提升的另一關(guān)鍵舉措。為此，筆者通過(guò)對(duì)京津冀地區(qū)包括鋼鐵、制藥、采油、石化、電力、食品、煤化工、半導(dǎo)體行業(yè)相關(guān)的8家不同企業(yè)進(jìn)行調(diào)研（如圖3所示），總結(jié)其工業(yè)給水和工業(yè)廢水處理中面臨的問題以及目前的解決方案，隨后將這8個(gè)行業(yè)的工業(yè)水處理案例構(gòu)建為8個(gè)水質(zhì)問題場(chǎng)景，具體包括3個(gè)工業(yè)給水處理問題場(chǎng)景（電子級(jí)純水制備、鋼廠冷卻水處理與電廠循環(huán)水處理）和5個(gè)工業(yè)廢水處理問題場(chǎng)景（啤酒廢水處理、煤制氣廢水處理、抗生素廢水處理、海上采油廢水處理以及丙烯合成廢水處理）。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，將這8個(gè)水質(zhì)問題場(chǎng)景逐次呈現(xiàn)給學(xué)生，使其扮演水質(zhì)工程師的角色，引導(dǎo)并輔助其利用上文所述的工業(yè)水處理技術(shù)“工具箱”對(duì)各類問題進(jìn)行解決。通過(guò)實(shí)際的工程案例來(lái)讓學(xué)生切實(shí)理解課題所學(xué)知識(shí)是如何在實(shí)際的工業(yè)水處理中發(fā)揮作用的，這樣既可以促進(jìn)抽象的理論知識(shí)形象化，做到學(xué)以致用，又可以讓學(xué)生意識(shí)到自己所學(xué)知識(shí)的重要性，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)積極性。圖3工業(yè)水質(zhì)問題場(chǎng)景及企業(yè)地點(diǎn)分布四、基于“CUEMC”理念的“工業(yè)水處理”教學(xué)過(guò)程與考核教學(xué)設(shè)計(jì)以教師為主體完成，但如何在不同的水質(zhì)問題場(chǎng)景下選用恰當(dāng)?shù)墓ぞ呷ソ鉀Q工業(yè)水處理問題卻需要學(xué)生主體去完成。因此，如何填平“工具箱”與問題場(chǎng)景之間的鴻溝是獲得良好教學(xué)效果的關(guān)鍵著力點(diǎn)，也是體現(xiàn)以學(xué)生為中心的理念所在。為此，筆者在教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)了“兩步走”策略：第一步是講授“工具箱”所述的6類工業(yè)水處理關(guān)鍵技術(shù)。該過(guò)程以課堂教學(xué)為主，通過(guò)板書、多媒體以及實(shí)物展示等多種方式推進(jìn)教學(xué)，同時(shí)構(gòu)建基于雨課堂的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺(tái)，專門制作符合手機(jī)屏幕顯示特征的課件便于學(xué)生的課后復(fù)習(xí)。利用雨課堂來(lái)發(fā)布課后習(xí)題和拓展學(xué)習(xí)資料，由此達(dá)到前文所述的第1層次（認(rèn)識(shí)工具）和第2層次（理解工具）目標(biāo)。第二步則是將前文所述的8個(gè)水質(zhì)問題場(chǎng)景逐次呈現(xiàn)給學(xué)生。在每次呈現(xiàn)時(shí)均將全部學(xué)生劃分包含8人的工程師小組，并將這一部分的授課地點(diǎn)改為智慧教室，每個(gè)工程師小組均可在智慧教室內(nèi)圍桌而坐以便于討論，同時(shí)攜帶電腦用于資料的隨手查詢。此時(shí)教師的主要任務(wù)則是引導(dǎo)并輔助學(xué)生利用“工具箱”中的各類工業(yè)水處理工具去解決不同水質(zhì)問題場(chǎng)景中的工業(yè)水處理問題，通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練過(guò)程，可以達(dá)到前文所述的第3層次（使用工具）目標(biāo)，并在此過(guò)程中啟發(fā)并引導(dǎo)學(xué)生向第4層次（改良工具）和第5層次（創(chuàng)造工具）目標(biāo)進(jìn)行沖擊。課程的考核應(yīng)該和課程的教學(xué)特點(diǎn)相適應(yīng)?；谏鲜觥肮I(yè)水處理”教學(xué)方式的變革，筆者設(shè)計(jì)了注重過(guò)程評(píng)價(jià)的考核方式，其中平時(shí)成績(jī)與期末成績(jī)各占50%。平時(shí)成績(jī)主要考查學(xué)生對(duì)知識(shí)原理的掌握情況、應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決工程問題的實(shí)踐能力、口頭和文字表達(dá)能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力，分?jǐn)?shù)由雨課堂課后習(xí)題作答情況、課堂研討中學(xué)生自評(píng)、同學(xué)評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)共同決定。期末考核則通過(guò)提交結(jié)課論文的方式來(lái)完成，要求每名學(xué)生自行選定一個(gè)工業(yè)水處理主題撰寫一篇綜述類文章，根據(jù)所交結(jié)課論文的質(zhì)量進(jìn)行打分，打分依據(jù)是論文的完整性、合理性、原創(chuàng)性以及學(xué)術(shù)規(guī)范性。對(duì)于部分撰寫水平較高的原創(chuàng)論文，在經(jīng)過(guò)教師的進(jìn)一步指導(dǎo)完善后嘗試發(fā)表于相關(guān)的學(xué)術(shù)期刊。這種考核方式有效地提高了學(xué)生的課堂參與度，并可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮其創(chuàng)造力