基于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的“物理性污染控制”課程教學(xué)改革探索

雙陳冬 周 慶

(南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023)

工程教育認(rèn)證是經(jīng)教育部批準(zhǔn)、由中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會針對高等教育工程類專業(yè)開展的一種合格評價。開展工程教育認(rèn)證的目的是構(gòu)建中國工程教育的質(zhì)量監(jiān)控體系，推進(jìn)中國工程教育改革，進(jìn)一步提高工程教育質(zhì)量，同時建立與工程師制度相銜接的工程教育認(rèn)證體系，促進(jìn)工程教育與企業(yè)界的聯(lián)系，增強(qiáng)工程教育人才培養(yǎng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性，進(jìn)一步促進(jìn)中國工程教育的國際互認(rèn)，提升國際競爭力。因此，開展工程教育認(rèn)證，對學(xué)生專業(yè)綜合能力的培養(yǎng)、教學(xué)質(zhì)量的提高和工程教育方向的把握具有重要意義[1]。目前各高校積極開展相關(guān)專業(yè)的工程教育認(rèn)證，同時圍繞工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和要求布署人才培養(yǎng)的相關(guān)工作，已成為本科教育工作的重要環(huán)節(jié)。截至2019年底，全國共有241所普通高等學(xué)校1 353個專業(yè)通過了工程教育認(rèn)證。筆者以“物理性污染控制”課程為例，圍繞工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，對課程教學(xué)進(jìn)行了改革，以期進(jìn)一步提升課程教學(xué)質(zhì)量。

一、“物理性污染控制”課程教學(xué)特點(diǎn)

物理性污染作為一類環(huán)境污染，嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境和人類健康?！吨腥A人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ496-2009)將環(huán)境工程技術(shù)分為5大類，即水污染控制、大氣污染控制、固體廢物污染控制、物理污染控制和生物修復(fù)[2]?！拔锢硇晕廴究刂啤闭n程已成為高等院校環(huán)境工程專業(yè)的核心課程之一。其課程教學(xué)主要闡述了有關(guān)噪聲、振動、電磁輻射、放射性、熱和光6類物理性污染的基礎(chǔ)知識、污染特征、污染危害、污染評價方法及標(biāo)準(zhǔn)、污染治理措施和方案[3]。課程性質(zhì)為必修或限選課程，其課程知識也是注冊環(huán)境工程師、環(huán)境影響評價師資質(zhì)考試以及專業(yè)研究生入學(xué)考試的必修內(nèi)容。

由于“物理性污染控制”課程教學(xué)內(nèi)容涉及到的物理性污染種類較多，因此要求學(xué)生必須具備一定的數(shù)學(xué)和物理知識。同時由于課程教學(xué)內(nèi)容針對的具體應(yīng)用場景較多，不同場景所采用的評價方法、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、治理方式及治理目標(biāo)具有顯著差異，因此課程教學(xué)內(nèi)容缺少一定的系統(tǒng)性和邏輯性，不利于學(xué)生對知識的記憶和運(yùn)用。

二、“物理性污染控制”課程教學(xué)存在的問題

(一)課程教學(xué)目標(biāo)與工程教育認(rèn)證要求缺乏有效銜接

工程教育認(rèn)證的“畢業(yè)要求”主要是針對學(xué)生專業(yè)能力內(nèi)容的描述，包括“工程知識、問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)及解決方案、科學(xué)研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人和團(tuán)隊(duì)、溝通、項(xiàng)目管理、終生學(xué)習(xí)”12個方面。但是目前很多高?！拔锢硇晕廴究刂啤闭n程教學(xué)目標(biāo)主要體現(xiàn)在學(xué)生對具體知識點(diǎn)的掌握和運(yùn)用上，對“畢業(yè)要求”中學(xué)生能力的培養(yǎng)沒有具體的體現(xiàn)。

(二)課程教學(xué)涉及相關(guān)學(xué)科知識較多導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性較弱

“物理性污染控制”課程教學(xué)內(nèi)容包含了噪聲、振動、電磁輻射、放射性、熱、光6類物理性污染，涉及了包含聲學(xué)、電磁學(xué)、輻射防護(hù)及環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)在內(nèi)的多學(xué)科方向，導(dǎo)致課程知識的系統(tǒng)性較弱，加之課時較少，僅有32學(xué)時，使各部分教學(xué)程度深淺不一。例如，在各類教材中，噪聲所占比例在50%以上，其內(nèi)容包括了聲學(xué)基礎(chǔ)、噪聲評價與標(biāo)準(zhǔn)、噪聲污染控制3個版塊，可以說是知識全面且具有一定的理論深度，對于不同場景或功能區(qū)域的噪聲，其采用的標(biāo)準(zhǔn)、要求及評價方法都有詳細(xì)區(qū)分，而對于電磁輻射和放射性污染方面則涉及較少。又如在對噪聲污染進(jìn)行評價時，涉及到的物理參數(shù)與評價量繁多復(fù)雜，一些評價量如斯蒂文斯強(qiáng)度、噪聲評價數(shù)、噪聲污染值、計(jì)權(quán)等效連續(xù)感覺噪聲級等都是對噪聲的綜合性評價，且各具特點(diǎn)，但如何在實(shí)際的噪聲評價體系中使用或區(qū)分這些評價量，在各類教材都沒有涉及，教師在課程教學(xué)中也無法詳細(xì)說明每個評價量在技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用場景中的具體來源和作用。教學(xué)程度深淺不一給相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和運(yùn)用帶來不便，也影響了學(xué)生對這些知識的學(xué)習(xí)和運(yùn)用。

(三)課程考核結(jié)果不能及時反饋，影響了課程教學(xué)的改進(jìn)

“持續(xù)改進(jìn)”是工程教育認(rèn)證的一個核心理念。課程的“持續(xù)改進(jìn)”需要按照“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)對課程教學(xué)進(jìn)行有針對性的評估。這就要求課程考核應(yīng)按照“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行，并得出相應(yīng)的評估結(jié)果。值得注意的是，“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)受“畢業(yè)要求”內(nèi)涵解讀程度以及實(shí)際教學(xué)內(nèi)容的影響，可以有不同的描述。例如單長青[4]提出了4個具有不同描述內(nèi)容的“物理性污染控制”課程教學(xué)目標(biāo)：“能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)和物理知識表達(dá)物理性污染問題，能夠選取正確模型并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；能夠針對物理性污染選取正確的評價量，并進(jìn)行布點(diǎn)、監(jiān)測和評價，提出初步解決方案；能夠分析物理性污染產(chǎn)生的機(jī)理及影響因素，選用正確的防治技術(shù)，獲得有效結(jié)論；能夠針對物理性污染工程問題，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算”?；谶@4個課程教學(xué)目標(biāo)可以看出，傳統(tǒng)的“平時成績+期末考試”考核方式已不適應(yīng)于工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的“畢業(yè)要求”，也難以支撐工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的課程的持續(xù)改進(jìn)。同時，在課程教學(xué)中，傳統(tǒng)的課程考核結(jié)果的反饋時間多以“周”為單位。課程考核結(jié)果不能及時反饋，影響了課程教學(xué)的實(shí)時調(diào)整與改進(jìn)。

(四)任課教師的專業(yè)背景與課程知識不匹配

“物理性污染控制”任課教師的專業(yè)背景多為環(huán)境工程、化學(xué)、生物學(xué)等，與“水污染控制工程”“大氣污染控制工程”“固體廢物處理與處置”等課程任課教師相比，缺少物理學(xué)及其相關(guān)專業(yè)背景。而物理性污染種類龐雜，特點(diǎn)各異，只有環(huán)境工程、化學(xué)、生物學(xué)專業(yè)背景的任課教師很難對噪聲、振動、電磁、放射性、光污染、熱污染等相關(guān)原理、案例、監(jiān)測、法律法規(guī)、管理、治理有深入的認(rèn)識。任課教師的專業(yè)背景與課程知識的不匹配，在一定程度上影響了課程教學(xué)的效果。

三、基于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的“物理性污染控制”課程教學(xué)改革的措施

(一)圍繞工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)完善教學(xué)內(nèi)容

首先，圍繞工程教育認(rèn)證“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)，重新設(shè)置了課程教學(xué)目標(biāo)，并據(jù)此完善了課程教學(xué)內(nèi)容體系。課程教學(xué)目標(biāo)與“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)之間具有明確的對應(yīng)關(guān)系，體現(xiàn)了工程教育認(rèn)證“面向產(chǎn)出”的基本理念，有利于工程教育認(rèn)證中針對“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的評價?！拔锢硇晕廴究刂啤闭n程教學(xué)目標(biāo)與“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)見表1。

表1 “物理性污染控制”課程教學(xué)目標(biāo)與“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系

如表1所示，課程教學(xué)目標(biāo)1對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容主要為6類物理性污染的基本原理、描述參數(shù)、評價指標(biāo)、監(jiān)測方法、污染危害；課程目標(biāo)2對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容為物理性污染控制的基本知識、原理、模型；課程目標(biāo)3對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容主要為噪聲污染評價報(bào)告的編寫和噪聲治理方案設(shè)計(jì)。與常規(guī)教學(xué)內(nèi)容相比，該教學(xué)內(nèi)容按照“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行了不同層次的梳理，進(jìn)一步明晰了教學(xué)內(nèi)容—課程目標(biāo)—“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，不僅為課程質(zhì)量的量化評價奠定了基礎(chǔ)，還可以針對具體“畢業(yè)要求”指標(biāo)點(diǎn)的要求改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量。

(二)采取線上和線下相結(jié)合的“模塊化”教學(xué)方式

邱斌[5]等人發(fā)現(xiàn)“案例式”教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜環(huán)境問題能力上具有成效。劉莉莉[6]等人通過開展“開放式”研討教學(xué)，有效激發(fā)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。顧瑩瑩[7]等人采用“課前-課中-課后”混合學(xué)習(xí)和“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，可以較好地培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

在參考了相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，筆者在2020年課程教學(xué)中，探討了線上、線下相結(jié)合的“模塊化”教學(xué)方式。首先，圍繞環(huán)境工程專業(yè)知識“源于實(shí)踐、用于實(shí)踐”的特征，把課程中源于應(yīng)用知識點(diǎn)的產(chǎn)生和發(fā)展背景做了簡要分析，制作成微課視頻，以知識溯源的方式彌補(bǔ)其邏輯性不足的缺陷，形成以獨(dú)立知識點(diǎn)為核心的微課模塊，如計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)噪聲、交通道路噪聲、吸聲原理等。在這些模塊中，對一些較為抽象、不易理解的概念，筆者采用動畫演示的方式再現(xiàn)這些概念產(chǎn)生的過程，如采用虛擬仿真、聲波音頻與動畫結(jié)合等方式模擬等響曲線繪制的實(shí)驗(yàn)過程，對不同特性噪聲的計(jì)權(quán)結(jié)果進(jìn)行對比。這些微課模塊通過在線工具“教學(xué)立方”提前在線上教學(xué)平臺發(fā)布，供學(xué)生在線學(xué)習(xí)。教師可即時查看學(xué)生的觀看率以及學(xué)生的觀看進(jìn)度。教師根據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)的情況，對線下教學(xué)和課堂測驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，逐漸形成了線上“模塊化”、線下教學(xué)以及“線下高頻在線考核”的教學(xué)方式，既可以增加學(xué)生對課程知識的直觀體驗(yàn)，還可以加深對理論知識的深入理解，支撐了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

(三)將覆蓋課程知識的課堂測驗(yàn)納入考核體系

傳統(tǒng)的“平時成績+期末考試”的考核方式難以對課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度進(jìn)行科學(xué)全面的評價。平時成績主要是對學(xué)生的出勤、課堂表現(xiàn)以及作業(yè)完成情況進(jìn)行考核而得出的，期末考核成績是學(xué)生期末試卷的成績，這種考核方式存在著較大的弊端。學(xué)生只要按時上課，完成作業(yè)，考前突擊復(fù)習(xí)就可以得到較好的成績。但是在通過課程考核后學(xué)生很快就會將課程知識遺忘。因此，單長青[4]等人從多元化角度，將課程作業(yè)、課程設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐融入考核內(nèi)容，促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提升。華盛頓大學(xué)的羅迪格教授[8]曾將學(xué)生分為兩組，對其中一組學(xué)生采取“課堂測驗(yàn)”的考核方式，而對另一組學(xué)生則采取期末考核的方式，結(jié)果顯示，兩個對照組對課程內(nèi)容的掌握程度分別為68%和54%。而另一項(xiàng)類似的研究表明，學(xué)習(xí)后立即進(jìn)行測驗(yàn)和不進(jìn)行測驗(yàn)的兩個對照組在一周后對知識的掌握程度分別為90%和48%[9]。華盛頓大學(xué)安德魯[10]在教學(xué)中采用了9次小測驗(yàn)替代原有的期中、期末兩次考試，盡管兩種方式的測試內(nèi)容類似，但多次小測驗(yàn)的方式使學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性有了顯著提高，對知識的掌握程度有了極大改善。

在2020年新冠肺炎疫情期間，筆者采用了線上教學(xué)的方式，為了克服在線教學(xué)交流不暢的弊端，筆者在每次課程結(jié)束前通過在線教學(xué)工具“教學(xué)立方”設(shè)置了課程重要知識點(diǎn)的測試，一般為10～20個判斷題/選擇題，限時15分鐘內(nèi)完成。課堂測試一共進(jìn)行了12次，其平均成績占最終考核成績的30%。測試由“教學(xué)立方”立即給出結(jié)果，并形成包括正確率人員分布和題目分布的報(bào)告，教師根據(jù)報(bào)告的結(jié)果可對教學(xué)進(jìn)行不斷改進(jìn)。

(四)加強(qiáng)任課教師對相關(guān)學(xué)科和行業(yè)背景知識的學(xué)習(xí)和了解

為了彌補(bǔ)任課教師專業(yè)背景與課程知識不匹配的短板，學(xué)院鼓勵教師加強(qiáng)對相關(guān)學(xué)科知識及行業(yè)背景知識的學(xué)習(xí)和了解，補(bǔ)足6大類物理性污染控制方面的基礎(chǔ)知識，同時建議教師長期關(guān)注發(fā)達(dá)國家在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)以及管理等方面的工作進(jìn)展。此外，學(xué)院還鼓勵任課教師積極參加相關(guān)的學(xué)術(shù)交流活動、行業(yè)會議以及管理部門組織的研討會，為“物理性污染控制”課程教學(xué)進(jìn)行知識儲備。

四、基于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的“物理性污染控制”課程教學(xué)改革的成效

課程教學(xué)質(zhì)量評價是工程教育認(rèn)證工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通常使用課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度這一量化指標(biāo)進(jìn)行評價。該評價具體細(xì)化到每一位學(xué)生在每一項(xiàng)課程目標(biāo)上的考核得分情況。例如，針對課程目標(biāo)1，納入最終考核體系的所有的考核內(nèi)容的分值為132分，某學(xué)生得分為120分，則其課程目標(biāo)1的達(dá)成度為120/132，即0.91。筆者對2014—2017級“物理性污染控制”課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表2。

表2 2014～2017級本科生“物理性污染控制”課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度

由表2可以看出，2014、2015、2016級3個年級在課程教學(xué)目標(biāo)2的平均達(dá)成度分別為0.86、0.86和0.88，數(shù)值較為穩(wěn)定。通過對這3個年級相關(guān)考核內(nèi)容的核實(shí)，發(fā)現(xiàn)考核內(nèi)容在數(shù)學(xué)知識運(yùn)用能力上體現(xiàn)較少，難度偏低，對課程教學(xué)目標(biāo)2的支撐較弱。因此，筆者在2017級教學(xué)和考核中加大了對數(shù)學(xué)應(yīng)用能力的內(nèi)容，如在考核中加入了消聲器選擇和設(shè)計(jì)等。通過改進(jìn)，在考核難度顯著增大的情況下，2017級達(dá)課程目標(biāo)2的達(dá)成度為0.94，有效支撐了學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決復(fù)雜環(huán)境問題的能力。

2015級和2016級的課程教學(xué)目標(biāo)1和課程教學(xué)目標(biāo)3的達(dá)成度顯著低于2014級。通過分析，發(fā)現(xiàn)2015、2016級上課人數(shù)較多，上課簽到出勤等整體表現(xiàn)低于2014級。該結(jié)果也表明，人數(shù)較多班級在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)簽到等教學(xué)互動環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核。因此在2017級，也就是2020年的課程教學(xué)中，筆者建立了與課程進(jìn)度相匹配的線上課堂測驗(yàn)，在每次課程結(jié)束后立即進(jìn)行。雖然測試的正確率(平均82%)比傳統(tǒng)線下作業(yè)正確率(96%)低，但在期末考試中，涉及這些知識點(diǎn)的測試題目的正確率接近100%，2017級課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度明顯提高，分別為0.88、0.94和0.93。