智慧水務(wù)背景下給排水科學(xué)與工程專業(yè)實踐教學(xué)改革探索

許鐵夫，陳悅佳，劉金鎖

（黑龍江大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

一、引言

近年來，隨著數(shù)字信息技術(shù)與傳統(tǒng)工科行業(yè)的結(jié)合，許多傳統(tǒng)工科行業(yè)正在向智慧化行業(yè)轉(zhuǎn)型，促進了傳統(tǒng)行業(yè)的快速發(fā)展[1]。水務(wù)行業(yè)也出現(xiàn)了重大變革，如北控水務(wù)集團搭建了BECloud 智慧云平臺、深圳環(huán)境水務(wù)集團構(gòu)建智慧水務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)了水務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型等[2]。智慧水務(wù)的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)水務(wù)行業(yè)帶來新的市場格局[3]。2012年以來，國家對智慧水務(wù)建設(shè)提出了一系列政策支持，尤其是2015年“水十條”的提出，為水務(wù)行業(yè)發(fā)展指明了方向，同時，也對人才培養(yǎng)提出了新的要求[4-5]。

據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，智慧水務(wù)市場規(guī)模從2014年的65.6 億元增至2021年的140 億元，研究發(fā)現(xiàn)，給排水專業(yè)每年向市場輸送1.1 萬名左右的專業(yè)人才[6]。相關(guān)研究表明，過去15年從事以設(shè)計、施工、水務(wù)運營為代表的傳統(tǒng)行業(yè)工作的給排水專業(yè)畢業(yè)生人數(shù)占實際就業(yè)人數(shù)的85%以上[7]，但傳統(tǒng)行業(yè)人才市場已經(jīng)呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，很難為行業(yè)帶來新的就業(yè)增量。智慧水務(wù)市場規(guī)模的擴大創(chuàng)造了大量就業(yè)崗位，但是，由于人才培養(yǎng)的脫節(jié)，大部分畢業(yè)生并不具備相關(guān)能力。傳統(tǒng)給排水專業(yè)人才培養(yǎng)體系缺少數(shù)字信息技術(shù)培養(yǎng)，很多新型的信息化技術(shù)難以進行快速整合[8]。相關(guān)研究認為，完全顛覆以前的培養(yǎng)體系是不科學(xué)的，同時，考慮到信息技術(shù)本身對實踐能力的要求，給排水專業(yè)應(yīng)重視學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，以實踐教學(xué)作為突破口培養(yǎng)學(xué)生的信息化能力，使其滿足智慧水務(wù)市場需求[9-10]。

二、實踐教學(xué)體系構(gòu)建

（一）基于智慧水務(wù)模塊的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置

現(xiàn)階段，給排水專業(yè)實踐教學(xué)主要培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰霸O(shè)計能力，缺少信息化能力的系統(tǒng)培養(yǎng)[12]。為滿足智慧水務(wù)人才需求，需要在現(xiàn)有實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中增加智慧化教學(xué)環(huán)節(jié)，因此，教師對原有實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進行了必要的創(chuàng)新和完善（圖1）。

圖1 智慧水務(wù)模塊實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

事實上，智慧水務(wù)對人才的需求主要集中在數(shù)字化技術(shù)、仿真模擬技術(shù)及專業(yè)軟件應(yīng)用等方面。Python、R 語言、SPSS、Matlab 等軟件對數(shù)據(jù)挖掘和分析的能力要求遠勝于傳統(tǒng)軟件，考慮到未來水務(wù)大數(shù)據(jù)逐步實現(xiàn)，相關(guān)軟件工具和數(shù)據(jù)處理方法的學(xué)習(xí)迫在眉睫。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，可以基于仿真模擬技術(shù)搭建虛擬仿真實驗平臺，特別是對于“流體力學(xué)”等抽象性強的課程而言，通過模擬仿真可以有效提升學(xué)生解決相關(guān)問題的能力；在實習(xí)環(huán)節(jié)，通過數(shù)字孿生等技術(shù)能夠拓展學(xué)生的專業(yè)視野，極大地提升實踐教學(xué)效果；在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生使用BIM、GIS 等建模軟件對數(shù)據(jù)進行應(yīng)用設(shè)計建模，不僅能提升學(xué)生的設(shè)計能力，實現(xiàn)對知識點的連續(xù)性教學(xué)，也可有效銜接后續(xù)概預(yù)算及經(jīng)濟分析等知識，甚至可以打通專業(yè)壁壘，使學(xué)生獲得多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的機會；在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，可以通過整合實驗數(shù)據(jù)和建模設(shè)計形成項目化設(shè)計，增加使用虛擬建模軟件對設(shè)計圖紙進行模擬運行的環(huán)節(jié)，提高學(xué)生對信息化技術(shù)的綜合應(yīng)用能力。

（二）基于智慧水務(wù)模塊的實踐教學(xué)課程設(shè)置

在智慧水務(wù)模塊實施過程中，僅增加智慧化教學(xué)環(huán)節(jié)是不夠的，還需要在原有課程基礎(chǔ)上開設(shè)一些必要的智慧化課程，同時應(yīng)豐富選修課程，構(gòu)建基于智慧水務(wù)模塊的課程體系（圖2）。在給排水專業(yè)智慧化轉(zhuǎn)型中，不同的培養(yǎng)階段都應(yīng)針對性地進行知識點的重構(gòu)和課程體系的優(yōu)化。

圖2 智慧水務(wù)模塊課程體系

在通識課程環(huán)節(jié)，可開設(shè)相關(guān)課程，如“計算機數(shù)據(jù)分析方法”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫”等。教師應(yīng)優(yōu)化目前程序設(shè)計類課程的教學(xué)內(nèi)容，著重培育學(xué)生利用開源信息解決程序問題的能力；為解決現(xiàn)有計算機原理過于基礎(chǔ)的問題，著重培養(yǎng)學(xué)生利用計算機工具解決專業(yè)問題的能力，提高其對各種通用工具軟件的熟悉度，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)其他智慧水務(wù)領(lǐng)域課程奠定堅實的基礎(chǔ)。

在專業(yè)基礎(chǔ)課程環(huán)節(jié)，一方面應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)工具軟件的應(yīng)用能力?？蛇m當(dāng)增加“BIM 技術(shù)”“GIS 技術(shù)”等課程或知識單元，提升學(xué)生對設(shè)計圖紙三維模型化的呈現(xiàn)能力。此外，教學(xué)過程要善于利用案例、圖形庫、輔助工具等，提升學(xué)生的繪圖效率和質(zhì)量。另一方面應(yīng)提高學(xué)生對數(shù)字化建模及仿真模擬的認知，進而培養(yǎng)知識運用能力。以“水文學(xué)”課程中的水文模型為例，需新增對實際水文模型進行虛擬仿真的知識模塊，使學(xué)生對理論模型的實踐應(yīng)用有更深的認知。在“水力學(xué)”和“流體機械”課程學(xué)習(xí)中，教師可利用CFD 仿真模擬提升學(xué)生對課程知識點的應(yīng)用能力。同時，考慮到水系統(tǒng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，未來將有大量水系統(tǒng)借助數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)對水廠的信息化管理，因此，應(yīng)增加有關(guān)數(shù)字孿生、智慧水廠等方面的內(nèi)容，幫助學(xué)生了解行業(yè)動態(tài)，提高學(xué)生適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的能力。

在專業(yè)核心課程環(huán)節(jié)，重點培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)字化手段解決實際問題的能力。由于這一階段的知識密度較高，不可能大幅度增加知識體系的內(nèi)容，因此，可適當(dāng)增加數(shù)字化仿真、模擬等內(nèi)容，進而有效提升學(xué)生對智慧水務(wù)的理解和操作能力。

在專業(yè)拓展課程環(huán)節(jié)，可通過對缺失的關(guān)鍵知識點進行課程植入及選修課程的設(shè)置等方式，培養(yǎng)具備專業(yè)能力和信息技術(shù)能力的復(fù)合型人才。植入的課程內(nèi)容與原有教學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合，同時穿插實踐案例，形成遞進式的模塊化教學(xué)。在這一階段的培養(yǎng)中，課程設(shè)計周和其他實踐教學(xué)環(huán)節(jié)（如認識實習(xí)等）是最為核心的，因此，改變單純地采用工藝設(shè)計的模式為以數(shù)字化導(dǎo)向設(shè)置設(shè)計任務(wù)。例如，泵站設(shè)計中重點立足泵組數(shù)字化節(jié)能、管網(wǎng)設(shè)計中植入大數(shù)據(jù)應(yīng)用案例、水廠設(shè)計以BIM（Building Information Modeling）形式呈現(xiàn)成果等。每個階段都注重對學(xué)生數(shù)字化能力的培養(yǎng)，最終使學(xué)生達到具備解決智慧水務(wù)工程實際問題的能力的教學(xué)目標(biāo)。

考慮到學(xué)時有限和任務(wù)繁重的現(xiàn)狀，教師應(yīng)在實際教學(xué)過程中對智慧化的知識點有的放矢。首先，智慧水務(wù)模塊對專業(yè)軟件的操作應(yīng)用需求比較高，應(yīng)在核心理論教學(xué)階段增加對這些專業(yè)軟件的理論知識教學(xué)，為后續(xù)的系統(tǒng)化軟件教學(xué)打下基礎(chǔ)。其次，針對智慧水務(wù)對數(shù)據(jù)處理方面的能力需求，教師應(yīng)在專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)階段進行基本的數(shù)據(jù)處理教學(xué)，如“數(shù)據(jù)挖掘”“機器算法”等需要深度學(xué)習(xí)的課程可作為選修內(nèi)容進行教學(xué)，給學(xué)生提供更大的選擇空間。最后，除教學(xué)方面的變化外，在課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計中應(yīng)添加關(guān)于仿真模擬及數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容，使學(xué)生能夠?qū)π略龅闹腔刍虒W(xué)內(nèi)容進行實踐應(yīng)用。而在實習(xí)階段，高校應(yīng)豐富校內(nèi)外實習(xí)實訓(xùn)基地類型，確保智慧水務(wù)實踐教學(xué)的順利開展，新增的知識點應(yīng)有對應(yīng)的實習(xí)實訓(xùn)基地，以提高對學(xué)生實踐能力的整體性培養(yǎng)。

三、實踐教學(xué)考評體系構(gòu)建

（一）實踐教學(xué)考評體系的構(gòu)建及特點

傳統(tǒng)的給排水專業(yè)實踐教學(xué)考評體系主要以實驗結(jié)果、設(shè)計圖紙的質(zhì)量及說明書中的計算過程等作為評價依據(jù)，整體的考評過程呈現(xiàn)出靜態(tài)化的特點，注重結(jié)果但忽略了過程中學(xué)生實踐能力的體現(xiàn)。雖然一些高校開始采用過程性考評體系，但仍缺乏量化標(biāo)準。因此，智慧水務(wù)教學(xué)模塊的考評體系構(gòu)建應(yīng)基于過程性考核機制，以評促學(xué)。

智慧水務(wù)模塊應(yīng)采用分階段的考核方式，不同的知識點對應(yīng)的考核重點也應(yīng)有所不同。對于通識課程的考核，可以增加一些過程節(jié)點；對于在傳統(tǒng)課程基礎(chǔ)上延伸出來的課程體系可以增加過程性考核。在對數(shù)據(jù)的分析處理能力及相對應(yīng)的計算機操作能力的考核的基礎(chǔ)上，注重數(shù)據(jù)處理使用的方法及最終的結(jié)果呈現(xiàn)。對于專業(yè)基礎(chǔ)課程的考核，可以借助模型，如針對模型參數(shù)的不同選擇所帶來的導(dǎo)向性差異進行系統(tǒng)性評價。對于專業(yè)核心及拓展課程，可以進行全過程評價和考核，通過提供智慧化水系統(tǒng)案例，設(shè)置不同節(jié)點進行階段性考核，匯總后形成整個項目的決策情況，考核學(xué)生對信息化水務(wù)系統(tǒng)的決策分析能力?；谥腔鬯畡?wù)模塊實踐教學(xué)的考評體系，是一種連續(xù)式、接力式的考評體系，從通識課程到專業(yè)基礎(chǔ)課程，再到專業(yè)核心課程，環(huán)環(huán)相扣，最終形成一個完整的任務(wù)鏈，指向解決智慧水務(wù)實際問題的能力目標(biāo)（圖3）。

圖3 智慧水務(wù)模塊實踐教學(xué)考評體系

（二）實踐教學(xué)考評體系的跨學(xué)科評價

智慧水務(wù)模塊教學(xué)中需要大量融合計算機、信息管理等專業(yè)內(nèi)容，這部分內(nèi)容的考核需要給排水專業(yè)課教師與計算機專業(yè)課教師進行跨學(xué)科合作，結(jié)合兩個專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)進行綜合性考核目標(biāo)及內(nèi)容的確定。對于仿真建模內(nèi)容的考核，可以以項目為出發(fā)點，采用綜合評價機制，通過案例、成果等多種方式進行評價。

智慧水務(wù)模塊實踐教學(xué)課程體系與考評體系的構(gòu)建，是一個全新嘗試，通過數(shù)字化、智慧化知識點的植入，將智慧水務(wù)模塊同原有課程體系進行有機結(jié)合?？己说慕Y(jié)果為智慧水務(wù)教學(xué)建設(shè)提供反饋信息，有利于實踐教學(xué)的不斷提升，而考核方式的多元化也使學(xué)生的應(yīng)用能力有所提升，最終培養(yǎng)出具有新工科思維的符合智慧水務(wù)市場需求的復(fù)合型人才。

四、結(jié)束語

高校作為專業(yè)人才培養(yǎng)的重要平臺，在人才培養(yǎng)目標(biāo)上要契合行業(yè)的發(fā)展。通過給排水專業(yè)實踐教學(xué)體系的改革，構(gòu)建智慧水務(wù)模塊，培養(yǎng)學(xué)生的信息化能力以滿足智慧水務(wù)市場需求。實踐教學(xué)體系及考評體系的構(gòu)建是實現(xiàn)智慧水務(wù)模塊教學(xué)的關(guān)鍵。高校應(yīng)研究目前已經(jīng)構(gòu)建的相對完整的智慧水務(wù)實踐教學(xué)課程體系及對應(yīng)的考評體系，并對新的人才培養(yǎng)體系進行修正和優(yōu)化，在不斷的實踐中完善人才培養(yǎng)方案，以滿足行業(yè)發(fā)展帶來的不同需求。