以科研促教學(xué) PBL助力課程教學(xué)質(zhì)量提升

趙姍姍 呂慧 孫連鵬 趙晴 李若泓

[摘 要] “水污染控制工程”是環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課。隨著復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的日益突出，水污染控制新技術(shù)和新理論也在快速發(fā)展，傳統(tǒng)的基本理論授課方式已經(jīng)不能滿足學(xué)科發(fā)展的需求和人才培養(yǎng)的目標(biāo)。在理論教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)引進(jìn)PBL研究性教學(xué)模式，以問(wèn)題為導(dǎo)向、以項(xiàng)目為依托，使學(xué)生積極參與科研項(xiàng)目，以科研實(shí)踐促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，并且以最新科研成果對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新、完善，以科研成果提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。通過(guò)這一教學(xué)改革與實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，取得了較好的效果，為理論型、科研型、實(shí)踐型并重的復(fù)合型人才培養(yǎng)提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] PBL;教學(xué)改革;水污染控制工程;科研能力;實(shí)踐能力

[基金項(xiàng)目] 2020年度教育部第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“智能時(shí)代環(huán)境工程‘新工科智慧教學(xué)’的創(chuàng)新與實(shí)踐”（E-HJFZQG20202426）;2020年度廣東省教育廳本科高校在線開(kāi)放課程建設(shè)項(xiàng)目“水污染控制工程”（粵教高函〔2020〕19號(hào)）;2020年度廣東省教育廳線下一流本科課程立項(xiàng)項(xiàng)目“水污染控制工程”（粵教高函〔2020〕16號(hào)）

[作者簡(jiǎn)介] 趙姍姍（1983—），女，河北唐山人，博士，中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水污染控制技術(shù)研究;呂 慧（1982—），男，黑龍江七臺(tái)河人，博士，中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，院長(zhǎng)助理（通信作者），主要從事水污染控制技術(shù)研究;孫連鵬（1973—），男，遼寧丹東人，博士，中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水污染控制技術(shù)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）24-0144-04 [收稿日期] 2021-06-29

“水污染控制工程”是環(huán)境工程、給排水、市政工程等專(zhuān)業(yè)本科生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，內(nèi)容包括污水防治的各種技術(shù)和理論，涉及物理、化學(xué)、生物學(xué)及系統(tǒng)工程學(xué)等多學(xué)科的原理和方法。隨著復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的日益突出，各個(gè)交叉學(xué)科技術(shù)的迅猛發(fā)展，水污染控制技術(shù)也在不斷更新，新的技術(shù)和理論層出不窮，知識(shí)點(diǎn)越來(lái)越多，課程也越來(lái)越呈現(xiàn)出學(xué)科交叉融合的特色，具有很強(qiáng)的理論性、科學(xué)性、應(yīng)用性、時(shí)代性和綜合性[1]。因此，課堂上僅講授水污染控制技術(shù)的基本原理，已經(jīng)不能滿足學(xué)科發(fā)展的需求和人才培養(yǎng)的目標(biāo)。此外，根據(jù)學(xué)?！暗虏偶?zhèn)?、領(lǐng)袖氣質(zhì)、家國(guó)情懷”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，以及“雙一流”建設(shè)目標(biāo)，中山大學(xué)擬實(shí)現(xiàn)80%以上本科生升學(xué)率[2]。因此，在講授專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，如何提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是專(zhuān)業(yè)課、主干課授課中需要關(guān)注的議題。圍繞這一議題，基于“水污染控制工程”這一主干課程，進(jìn)行了探索和嘗試。在課程教學(xué)的過(guò)程中，基于PBL（Project-based Learning）研究性教學(xué)模式，對(duì)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容不斷更新完善;鼓勵(lì)學(xué)生課外積極參與學(xué)院各個(gè)課題組的科研活動(dòng)，以科研實(shí)踐促進(jìn)對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握與升華;在講授基礎(chǔ)理論的同時(shí)，加入最新的科研成果，以科研成果推進(jìn)本科的教學(xué)效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)：學(xué)習(xí)能力提升，能夠掌握最新水污染控制技術(shù)原理及工藝;實(shí)踐能力提升，具有從事水污染控制工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的實(shí)踐能力，具有解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力;創(chuàng)新能力提升，能夠開(kāi)展創(chuàng)新性科學(xué)研究活動(dòng)，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，提升科學(xué)素養(yǎng)。

一、PBL研究性教學(xué)模式概述

（一）PBL研究性教學(xué)模式的內(nèi)涵

PBL，專(zhuān)題式學(xué)習(xí)，又稱(chēng)研究性學(xué)習(xí)，是近年來(lái)興起的以項(xiàng)目為基礎(chǔ)、以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)模式。PBL研究性教學(xué)法強(qiáng)調(diào)學(xué)生要把知識(shí)和技術(shù)的學(xué)習(xí)設(shè)置于復(fù)雜的、有意義的問(wèn)題和項(xiàng)目研究情境中[3]。通過(guò)讓學(xué)習(xí)者以團(tuán)隊(duì)合作的方式解決實(shí)際的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，并且主動(dòng)學(xué)習(xí)實(shí)際問(wèn)題背后的知識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提高其解決問(wèn)題和創(chuàng)新的能力。在PBL研究性教學(xué)模式下，學(xué)生需要針對(duì)具體的研究項(xiàng)目，整合不同學(xué)科的知識(shí)，與團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行配合以解決各種問(wèn)題。在學(xué)習(xí)與實(shí)踐的過(guò)程中，學(xué)生所激發(fā)的熱情、創(chuàng)造力、行動(dòng)力及進(jìn)行的探索、創(chuàng)新和協(xié)作，是傳統(tǒng)教學(xué)模式難以企及的。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)的過(guò)程是一個(gè)意義建構(gòu)的過(guò)程，學(xué)生通過(guò)主動(dòng)學(xué)習(xí)，來(lái)形成和豐富自己認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過(guò)程，才是最為有效的學(xué)習(xí)過(guò)程[4，5]。通過(guò)PBL研究性教學(xué)模式，可以有效提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)和認(rèn)知能力，提升解決問(wèn)題的能力，從而全面提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

（二）PBL研究性教學(xué)模式的特點(diǎn)

區(qū)別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，PBL研究性教學(xué)模式以科學(xué)問(wèn)題為導(dǎo)向、以科研項(xiàng)目為實(shí)施基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，學(xué)生在完成項(xiàng)目、解決問(wèn)題的過(guò)程中強(qiáng)化對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握與靈活運(yùn)用[6]。PBL研究性教學(xué)模式具有如下特點(diǎn)：（1）理論與實(shí)踐相結(jié)合：PBL研究性教學(xué)通過(guò)理論知識(shí)結(jié)合實(shí)際科研項(xiàng)目，在項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中建立起知識(shí)體系，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)協(xié)作來(lái)解決問(wèn)題，對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和理論知識(shí)的掌握大有裨益;（2）綜合性學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)：科研實(shí)踐項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中，會(huì)涉及多學(xué)科知識(shí)。學(xué)生為了解決實(shí)際問(wèn)題，往往需要跨學(xué)科的基礎(chǔ)理論和綜合應(yīng)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，以及跨學(xué)科、跨領(lǐng)域完成復(fù)雜工程問(wèn)題的能力;（3）自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)相結(jié)合：在PBL教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下提出問(wèn)題，獨(dú)立收集資料、整理與研究，最后在團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行討論和總結(jié)，并匯報(bào)與分享成果。這些過(guò)程將充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，他們?cè)诮鉀Q問(wèn)題的過(guò)程中，通過(guò)主動(dòng)學(xué)習(xí)獲取知識(shí)，并將知識(shí)進(jìn)行運(yùn)用。同時(shí)，在教學(xué)與學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作，有利于學(xué)生形成創(chuàng)新、合作的價(jià)值觀;（4）多元化培養(yǎng)模式：通過(guò)設(shè)計(jì)一系列課題，將大量的知識(shí)融入具體的項(xiàng)目中，提供多元化的教學(xué)資源，優(yōu)化“教”與“學(xué)”過(guò)程[7，8]。PBL研究性教學(xué)不僅關(guān)注教學(xué)大綱下基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，同時(shí)也注重學(xué)生批判性思維能力、解決問(wèn)題能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力和自我管理能力的培養(yǎng)。

二、PBL研究性教學(xué)模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)

本門(mén)課程理論課54學(xué)時(shí)，安排在大二第一學(xué)期，授課時(shí)間為1～19周。教學(xué)內(nèi)容主要包括：水體的污染和自凈，污水的物理處理、化學(xué)處理及物理化學(xué)處理技術(shù)，污水的好氧和厭氧生物處理技術(shù)，污水的生物脫氮除磷技術(shù)，污水的土地處理技術(shù)，污水處理前沿技術(shù)及原理，污水的深度處理與回用，污泥的處理與處置技術(shù)，以及污水處理廠的設(shè)計(jì)等。PBL研究性教學(xué)模塊主要包括兩個(gè)階段：第一階段，在理論課授課的學(xué)期，鼓勵(lì)學(xué)生參與學(xué)院各課題組的科研項(xiàng)目研究，邊學(xué)習(xí)理論知識(shí)邊進(jìn)行科研實(shí)踐。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)意愿和興趣，成立研究性學(xué)習(xí)小組，每組3～5人，加入學(xué)院各導(dǎo)師現(xiàn)有科研項(xiàng)目，并由課題組1～2名研究生對(duì)研究性學(xué)習(xí)小組進(jìn)行指導(dǎo)。本科生從參加實(shí)驗(yàn)室的安全培訓(xùn)開(kāi)始，學(xué)習(xí)如何查閱文獻(xiàn)、各種儀器的基本操作，熟悉并掌握各種水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)試原理及測(cè)試方法等。學(xué)生在參與科研項(xiàng)目過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題，除了自己查閱文獻(xiàn)、與研究生討論外，還可積極與指導(dǎo)教師進(jìn)行討論，或者與課程授課教師進(jìn)行探討，以科研促進(jìn)教學(xué)。第二階段（大二第二學(xué)期和大三第一學(xué)期），依托學(xué)院研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目和“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”，進(jìn)一步培養(yǎng)本科生獨(dú)立思考、探究科學(xué)問(wèn)題的能力。中山大學(xué)環(huán)境學(xué)院的永鑾學(xué)社每年都設(shè)置研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目，至今已舉辦15年，各年級(jí)學(xué)生自由組隊(duì)，在導(dǎo)師指導(dǎo)下開(kāi)展科研項(xiàng)目。同時(shí)，中山大學(xué)每年都有“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”，項(xiàng)目分為國(guó)家級(jí)、省級(jí)和校級(jí)，學(xué)校會(huì)對(duì)項(xiàng)目給予一定科研支持[2]。通過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)和參與這些科研項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的科研興趣、提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并使學(xué)生在完成科研項(xiàng)目過(guò)程中，對(duì)所學(xué)的基礎(chǔ)理論加深理解，并且可以靈活運(yùn)用。此外，學(xué)院還有其他實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)，例如“實(shí)驗(yàn)技能大賽”和“虛擬仿真大賽”等各類(lèi)水污染控制工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能比賽，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生參加專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽，也有效推動(dòng)了PBL教學(xué)模式的實(shí)踐。

（二）以科研成果促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容更新

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益復(fù)雜，各個(gè)交叉學(xué)科技術(shù)的迅速發(fā)展，“水污染控制工程”的教學(xué)內(nèi)容也與時(shí)俱進(jìn)，不斷更新。在PBL研究性教學(xué)模式驅(qū)動(dòng)下，課程教學(xué)融入學(xué)科前沿，以科研成果作為案例分析，使學(xué)生更加形象地學(xué)習(xí)和掌握基本理論知識(shí)。在案例的選取上，優(yōu)先選擇本科生參與的科研項(xiàng)目及本科生參與發(fā)表的文章。例如，在講授高級(jí)氧化技術(shù)時(shí)，以學(xué)院某課題組發(fā)表在Environmental Science & Technology Letters上的封面文章為例，講解羥基自由基在微污染物降解過(guò)程中的作用。以本科生參與的項(xiàng)目為案例，更易激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動(dòng)力和興趣。例如，講授到光催化技術(shù)時(shí)，請(qǐng)參與項(xiàng)目的本科生介紹光催化原理，一方面學(xué)生通過(guò)科研實(shí)踐，預(yù)先學(xué)習(xí)了光催化的相關(guān)知識(shí);另一方面，學(xué)生通過(guò)課堂分享，獲得了成就感，鞏固了所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。

三、PBL研究性教學(xué)模式的效果

在PBL研究性教學(xué)模式下，學(xué)生表現(xiàn)出了較高的學(xué)習(xí)熱情，積極參與科研訓(xùn)練。學(xué)生主動(dòng)查閱文獻(xiàn)、收集資料、設(shè)計(jì)并開(kāi)展項(xiàng)目研究，從知識(shí)的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)者、合作者和研究者，并且主動(dòng)參與課堂討論，大幅提高了課堂教學(xué)的活躍度。同時(shí)，學(xué)生對(duì)PBL模式促進(jìn)實(shí)踐能力提升上有較高的認(rèn)可度。通過(guò)對(duì)學(xué)生的隨機(jī)采訪，學(xué)生表示：“通過(guò)科研訓(xùn)練，了解了科研的過(guò)程，學(xué)會(huì)了查找文獻(xiàn)、寫(xiě)項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)、科研畫(huà)圖，這些都是課本上學(xué)不到的，同時(shí)感覺(jué)自己還有好多內(nèi)容需要學(xué)習(xí)，要加倍努力！”“自己對(duì)脫氮技術(shù)很感興趣，參與到老師的項(xiàng)目中，了解了厭氧氨氧化的最新研究進(jìn)展，希望自己也能在脫氮技術(shù)方面有所貢獻(xiàn)”。以研究項(xiàng)目為主體的學(xué)習(xí)方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，顯著提升了學(xué)生的實(shí)踐能力，訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)和邏輯思維，增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、溝通表達(dá)能力和合作的精神。

以2018級(jí)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)為例（共46人），在大二第一學(xué)期，學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室率在90%以上。第二學(xué)期，學(xué)生積極申請(qǐng)學(xué)院的研習(xí)項(xiàng)目及學(xué)校的“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”，獲批研習(xí)項(xiàng)目9項(xiàng)，大創(chuàng)項(xiàng)目7項(xiàng)。有一名學(xué)生從大一開(kāi)始便參與了厭氧氨氧化項(xiàng)目的研究，對(duì)多個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行了近兩年的研究工作，成功申請(qǐng)到了廣東省攀登計(jì)劃研究項(xiàng)目，研究成果受到了導(dǎo)師的好評(píng)。有兩名學(xué)生參與到膜耦合工藝用于高鹽有機(jī)廢水零排放與資源回收項(xiàng)目，開(kāi)展了為期一年的研究工作，獲得了“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的資助，并撰寫(xiě)英文論文1篇。

結(jié)語(yǔ)

基于PBL教學(xué)法，開(kāi)展以學(xué)生為主體的新型研究性教學(xué)模式，密切結(jié)合水污染控制行業(yè)理論與技術(shù)發(fā)展前沿，促進(jìn)專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)與科研實(shí)踐鍛煉的結(jié)合。在教學(xué)內(nèi)容上，以最新科研成果為案例切入點(diǎn)，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)實(shí)踐上，依托學(xué)院優(yōu)秀的教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)及科研平臺(tái)，以科研項(xiàng)目和科學(xué)問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考，提升了他們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和邏輯表達(dá)能力，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。同時(shí)，以科研促教學(xué)，真正做到科教相長(zhǎng)，科教融合，全面提升了人才培養(yǎng)質(zhì)量。此外，PBL教學(xué)模式在應(yīng)用過(guò)程中，仍存在部分需要解決的問(wèn)題與不足。例如，科研項(xiàng)目周期比較長(zhǎng)、如何建立有效的追蹤和評(píng)價(jià)體系尚需要系統(tǒng)思考。

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Teaching Promotion Based on Scientific Research and Teaching Quality Improvement by Project-based Learning： Taking the Course of Waste Pollution Control Engineering as an Example

ZHAO Shan-shan1， LYU Hui1， SUN Lian-peng1， ZHAO Qing2， LI Ruo-hong1

（1. School of Environmental Science and Engineering， Sun Yat-sen University， Guangzhou， Guangdong 510006， China; 2. School of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou，

Guangdong 510006， China）

Abstract： Waste Pollution Control Engineering is the basic courses of environment engineering major. With the increasingly prominent complex environmental problems， the new technologies and theories of water pollution control are also developing rapidly. Thus， the traditional theory teaching methods cannot no longer meet the needs of discipline development and the targets of student training. Introducing the project-based learning（PBL） teaching mode into theory teaching is a promising choice for improving the training quality. In the PBL training process， students can participate in the research projects and master the basic knowledge through scientific research practice. Meanwhile， the research achievements can replenish the teaching contents. Through PBL， students’ research interest has been stimulated， their self-learning ability and experiment practical ability have been improved， and their innovation consciousness has been cultivated. Thus， the teaching quality has been improved. Our teaching reform provides a basis for the cultivation of interdisciplinary talents with equal emphasis on theory， research and practice.

Key words： PBL; teaching reform; Waste Pollution Control Engineering; scientific research ability; practical ability