以科研促教學(xué)，PBL助力課程教學(xué)質(zhì)量提升
——以“水污染控制工程”課程為例

趙姍姍，呂 慧，孫連鵬，趙 晴，李若泓

（1.中山大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

“水污染控制工程”是環(huán)境工程、給排水、市政工程等專業(yè)本科生的專業(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，知識點(diǎn)越來越多，課程也越來越呈現(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。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)校“德才兼?zhèn)?、領(lǐng)袖氣質(zhì)、家國情懷”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。因此，在講授專業(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)的過程中，基于PBL（Project-based Learning）研究性教學(xué)模式，對基礎(chǔ)課程的內(nèi)容不斷更新完善；鼓勵學(xué)生課外積極參與學(xué)院各個(gè)課題組的科研活動，以科研實(shí)踐促進(jìn)對基礎(chǔ)知識的掌握與升華；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)際工程問題的能力；創(chuàng)新能力提升，能夠開展創(chuàng)新性科學(xué)研究活動，激發(fā)創(chuàng)新意識，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，專題式學(xué)習(xí)，又稱研究性學(xué)習(xí)，是近年來興起的以項(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)生要把知識和技術(shù)的學(xué)習(xí)設(shè)置于復(fù)雜的、有意義的問題和項(xiàng)目研究情境中。通過讓學(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)問題，并且主動學(xué)習(xí)實(shí)際問題背后的知識，從而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提高其解決問題和創(chuàng)新的能力。在PBL研究性教學(xué)模式下，學(xué)生需要針對具體的研究項(xiàng)目，整合不同學(xué)科的知識，與團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行配合以解決各種問題。在學(xué)習(xí)與實(shí)踐的過程中，學(xué)生所激發(fā)的熱情、創(chuàng)造力、行動力及進(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)的過程是一個(gè)意義建構(gòu)的過程，學(xué)生通過主動學(xué)習(xí)，來形成和豐富自己認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程，才是最為有效的學(xué)習(xí)過程。通過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)問題和解決問題的能力，學(xué)生在完成項(xiàng)目、解決問題的過程中強(qiáng)化對基礎(chǔ)知識的掌握與靈活運(yùn)用。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)通過理論知識結(jié)合實(shí)際科研項(xiàng)目，在項(xiàng)目實(shí)施的過程中建立起知識體系，引導(dǎo)學(xué)生通過協(xié)作來解決問題，對于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和理論知識的掌握大有裨益；（2）綜合性學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)：科研實(shí)踐項(xiàng)目開展過程中，會涉及多學(xué)科知識。學(xué)生為了解決實(shí)際問題，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)過程中，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下提出問題，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。這些過程將充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，他們在解決問題的過程中，通過主動學(xué)習(xí)獲取知識，并將知識進(jìn)行運(yùn)用。同時(shí)，在教學(xué)與學(xué)習(xí)過程中進(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：通過設(shè)計(jì)一系列課題，將大量的知識融入具體的項(xiàng)目中，提供多元化的教學(xué)資源，優(yōu)化“教”與“學(xué)”過程。PBL研究性教學(xué)不僅關(guān)注教學(xué)大綱下基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，同時(shí)也注重學(xué)生批判性思維能力、解決問題能力、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)的測試原理及測試方法等。學(xué)生在參與科研項(xiàng)目過程中遇到的各種問題，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，各年級學(xué)生自由組隊(duì)，在導(dǎo)師指導(dǎo)下開展科研項(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)目分為國家級、省級和校級，學(xué)校會對項(xiàng)目給予一定科研支持。通過鼓勵學(xué)生申請和參與這些科研項(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)目過程中，對所學(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，例如“實(shí)驗(yàn)技能大賽”和“虛擬仿真大賽”等各類水污染控制工程專業(yè)知識和技能比賽，通過指導(dǎo)學(xué)生參加專業(yè)競賽，也有效推動了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。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，在講授高級氧化技術(shù)時(shí)，以學(xué)院某課題組發(fā)表在&上的封面文章為例，講解羥基自由基在微污染物降解過程中的作用。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)動力和興趣。例如，講授到光催化技術(shù)時(shí)，請參與項(xiàng)目的本科生介紹光催化原理，一方面學(xué)生通過科研實(shí)踐，預(yù)先學(xué)習(xí)了光催化的相關(guān)知識；另一方面，學(xué)生通過課堂分享，獲得了成就感，鞏固了所學(xué)的基礎(chǔ)知識。

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)生主動查閱文獻(xiàn)、收集資料、設(shè)計(jì)并開展項(xiàng)目研究，從知識的被動接受者轉(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PBL模式促進(jìn)實(shí)踐能力提升上有較高的認(rèn)可度。通過對學(xué)生的隨機(jī)采訪，學(xué)生表示：“通過科研訓(xùn)練，了解了科研的過程，學(xué)會了查找文獻(xiàn)、寫項(xiàng)目申請書、科研畫圖，這些都是課本上學(xué)不到的，同時(shí)感覺自己還有好多內(nèi)容需要學(xué)習(xí)，要加倍努力！”“自己對脫氮技術(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、溝通表達(dá)能力和合作的精神。

以2018級環(huán)境工程專業(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)生從大一開始便參與了厭氧氨氧化項(xiàng)目的研究，對多個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行了近兩年的研究工作，成功申請到了廣東省攀登計(jì)劃研究項(xiàng)目，研究成果受到了導(dǎo)師的好評。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”國家級項(xiàng)目的資助，并撰寫英文論文1篇。

結(jié)語

基于PBL教學(xué)法，開展以學(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)專業(yè)知識學(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，以科研項(xiàng)目和科學(xué)問題為驅(qū)動，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，提升了他們分析問題、解決問題的能力及實(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，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)用過程中，仍存在部分需要解決的問題與不足。例如，科研項(xiàng)目周期比較長、如何建立有效的追蹤和評價(jià)體系尚需要系統(tǒng)思考。