基于OBE理念的“大氣污染控制工程”課程教學(xué)改革探索

寧夏 郭琳 李廣科

摘要“大氣污染控制工程”是高等院校環(huán)境工程學(xué)科的主干課程之一，在專業(yè)人才培養(yǎng)體系中起著重要的支撐作用。針對(duì)課程知識(shí)面廣、綜合性高、交叉性強(qiáng)和內(nèi)容更新快等特點(diǎn)，文章基于工程教育認(rèn)證OBE理念，從完善教材內(nèi)容建設(shè)、創(chuàng)新教學(xué)方式方法、強(qiáng)化實(shí)踐能力培養(yǎng)以及優(yōu)化考核評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行探索與實(shí)踐，培養(yǎng)面向新工科建設(shè)背景下具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)、良好創(chuàng)新思維和較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的環(huán)境類專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞 大氣污染控制工程；教學(xué)改革；產(chǎn)出導(dǎo)向；工程實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.043

1課程教學(xué)改革背景及必要性

當(dāng)前，我國(guó)大氣環(huán)境形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻，煤煙型煙霧與機(jī)動(dòng)車尾氣共存的復(fù)合型污染問(wèn)題日益凸顯，其污染控制已成為國(guó)家大氣環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略的重大需求[1]?！按髿馕廴究刂乒こ獭敝饕嫦颦h(huán)境工程專業(yè)本科三年級(jí)的學(xué)生開(kāi)設(shè)，內(nèi)容涵蓋了重要?dú)鈶B(tài)污染物，包括大氣顆粒物、硫氧化物、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物以及城市機(jī)動(dòng)車尾氣等的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、污染控制原理與技術(shù)以及相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算等方面，是一門理論與實(shí)踐并重的課程[2]。

山西大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我校”）環(huán)境工程專業(yè)于1999年開(kāi)始招收環(huán)境工程專業(yè)本科生，2017年被評(píng)為省級(jí)重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)，2021年入選國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，目前已著力開(kāi)展工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。在新工科建設(shè)背景下，基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出和持續(xù)改進(jìn)的OBE（Outcome Based Educa- tion）工程認(rèn)證教育理念，將“以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”三個(gè)核心要素貫穿于人才培養(yǎng)體系中，以培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型環(huán)境類人才作為我校環(huán)境工程專業(yè)建設(shè)目標(biāo)。面對(duì)新形勢(shì)下大氣污染控制工程課程的新要求和挑戰(zhàn)，如何讓學(xué)生更好地掌握大氣污染控制及其治理等方面的知識(shí)、工藝和設(shè)備，并能將創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法融入污染控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，突出創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目的，是目前“大氣污染控制工程”課程教學(xué)改革中亟須解決的關(guān)鍵問(wèn)題[3]。由此，本文針對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐薄弱環(huán)節(jié)，從完善教材內(nèi)容建設(shè)、創(chuàng)新教學(xué)方式方法、強(qiáng)化實(shí)踐能力培養(yǎng)，以及優(yōu)化考核評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行教學(xué)改革探索與實(shí)踐。

2課程教學(xué)改革實(shí)踐與探索

2.1完善教材內(nèi)容建設(shè)，優(yōu)選教學(xué)資源和平臺(tái)

我校環(huán)境工程專業(yè)選用的教材為清華大學(xué)郝吉明院士團(tuán)隊(duì)編寫的《大氣污染控制工程》，該教材權(quán)威性強(qiáng)、內(nèi)容全面、結(jié)構(gòu)合理、適用性廣，參考學(xué)時(shí)為80―100，目前我校2021版培養(yǎng)方案中該課程理論教學(xué)為48學(xué)時(shí)，基于課時(shí)偏少但內(nèi)容繁多的教學(xué)現(xiàn)狀，必須結(jié)合課程特色進(jìn)行內(nèi)容的取舍和優(yōu)化。此外，盡管教材再版時(shí)已經(jīng)對(duì)部分內(nèi)容進(jìn)行了更新和補(bǔ)充，但前沿研究熱點(diǎn)、新理論與新技術(shù)，以及行業(yè)特色創(chuàng)新等內(nèi)容，仍需在授課過(guò)程中及時(shí)增補(bǔ)。

為此，我們一方面對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行凝練，突出重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容，側(cè)重知識(shí)的實(shí)用性，注重多課程融合。在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，將本課程與鄰近學(xué)科的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)融合，有效拓展學(xué)生的知識(shí)面和思維能力，提高其運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)分析、解決實(shí)際大氣污染問(wèn)題的能力。例如，在講解第十章?lián)]發(fā)性有機(jī)污染物控制時(shí)，通過(guò)個(gè)別提問(wèn)和課堂討論的方式引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系“固體廢棄物處理與處置”課中的垃圾焚燒廠廢氣處理與處置方法，以及“環(huán)境工程原理”課程中的氣態(tài)污染物控制技術(shù)，達(dá)到知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際環(huán)境工程應(yīng)用中的融會(huì)貫通。另一方面，積極開(kāi)展文獻(xiàn)調(diào)研和科研熱點(diǎn)問(wèn)題研究，針對(duì)當(dāng)前大氣污染熱點(diǎn)話題如大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）、臭氧、碳達(dá)峰和碳中以及氣候變化等開(kāi)設(shè)專題，將最新的研究成果與科技創(chuàng)新補(bǔ)充到教學(xué)內(nèi)容中，優(yōu)化教學(xué)資源。例如，通過(guò)大氣污染多元經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饪蚣芙馕鯬M2.5的分布特征，證明PM2.5在日尺度上與陸風(fēng)有關(guān)，在年尺度上與冬季季風(fēng)有關(guān)。此外，課程組在多年教學(xué)工作的基礎(chǔ)上，凝練并強(qiáng)化了顆粒物在重力、離心力及靜電力作用下沉降速度模型的共性問(wèn)題，并將此項(xiàng)成果成功發(fā)表于《力學(xué)研究》期刊[4]?；诮滩?，高于教材，教師要貫徹“科教融合”理念，注重基礎(chǔ)知識(shí)與科技創(chuàng)新的銜接與教師要融合，突出課堂教學(xué)的新穎性和前瞻性。

課程組立足高度信息化背景，采用智慧式教學(xué)方式，充分利用中國(guó)大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線、超星爾雅、智慧樹(shù)等線上教學(xué)平臺(tái)，將最新的教學(xué)資源引進(jìn)并融入課堂，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，系統(tǒng)構(gòu)建以當(dāng)前實(shí)際環(huán)境案例為主線的“理論講授―思維訓(xùn)練―實(shí)踐檢驗(yàn)”（2∶1∶1）的教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)課程內(nèi)容的前沿性和時(shí)代性，注重學(xué)生適應(yīng)當(dāng)前專業(yè)領(lǐng)域人才需求的綜合能力的培養(yǎng)。例如，選用同樣由郝吉明院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的國(guó)家精品在線開(kāi)放課程，圍繞課程目標(biāo)分解各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)，輔以視頻講解，鞏固課堂內(nèi)容。同時(shí)，利用“雨課堂”APP連接課前―課上―課后的每一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)隨堂測(cè)試、課后作業(yè)等方式及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，讓課堂互動(dòng)永不下線。此外，針對(duì)我校環(huán)境工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和定位，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)江雨課堂平臺(tái)自建網(wǎng)絡(luò)課程，課前上傳課程資料，包括課件庫(kù)、課程要點(diǎn)、試卷庫(kù)等；課堂中通過(guò)隨堂測(cè)試及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況；課后發(fā)布作業(yè)和討論題，輔助學(xué)生隨時(shí)進(jìn)行線上預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，提升教學(xué)效果。

2.2創(chuàng)新混合式教學(xué)方法，強(qiáng)化工程案例教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)習(xí)慣以教師為主導(dǎo)，重知識(shí)講授輕實(shí)踐訓(xùn)練，學(xué)生在課堂所學(xué)內(nèi)容不能靈活運(yùn)用，缺乏綜合分析及解決復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的能力。因此，在原有課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，課程組提出“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)―理實(shí)一體―自主實(shí)踐”的教學(xué)模式，構(gòu)建以學(xué)生為課堂主體，教師為輔的高階課堂模式。

課堂教學(xué)中，充分體現(xiàn)“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)思想，采用互動(dòng)和討論的形式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。在OBE成果導(dǎo)向的教學(xué)模式和課程思政的教育要求下，要“以學(xué)生為中心”進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，采用“MOOC線上資源學(xué)習(xí)+雨課堂+線下課堂”的混合式教學(xué)方式，逐漸將以“教”為中心轉(zhuǎn)為以“學(xué)”為中心。例如，在講授“大氣污染物的形成與危害”這部分內(nèi)容時(shí)，加入課程思政元素，以視頻的方式讓學(xué)生直觀感受世界十大大氣環(huán)境污染事件所帶來(lái)的危害與影響，強(qiáng)調(diào)“金山銀山固然重要，但綠水青山是人民幸福生活的重要內(nèi)容，是金錢不能代替的”，做到“知識(shí)傳授”與“價(jià)值引領(lǐng)”并重[5]。在講解高斯模型時(shí)，課本上直接給出結(jié)論，不利于學(xué)生理解和掌握，因此教師可以利用大學(xué)高等數(shù)學(xué)的基本知識(shí)，進(jìn)行多學(xué)科知識(shí)的有效融合，由點(diǎn)源到線源、由線源到面源、由面源到體源，詳細(xì)補(bǔ)充大氣污染源擴(kuò)散高斯模型的建立過(guò)程。

設(shè)立開(kāi)放課堂、交流課堂，由教師選擇典型的工程案例，學(xué)生分組查閱資料、交流討論，并進(jìn)行課堂講評(píng)，突破傳統(tǒng)課堂重知識(shí)輕實(shí)踐的不足，充分激發(fā)學(xué)生將理論知識(shí)與工程實(shí)踐融會(huì)貫通的能力。通過(guò)“經(jīng)典案例剖析―提出問(wèn)題―分組討論―設(shè)計(jì)方案―實(shí)踐驗(yàn)證”，逐步提升學(xué)生的深度思考、創(chuàng)新意識(shí)與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，培養(yǎng)其解決復(fù)雜大氣污染問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維。

2.3加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，注重工程素質(zhì)培養(yǎng)

實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大氣污染控制課程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是支撐環(huán)境工程專業(yè)本科生工程實(shí)踐和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的重要途徑[6]。為滿足工程認(rèn)證的要求，環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案于2018年進(jìn)行了修訂，將大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)獨(dú)立為一門課程，并由原來(lái)的4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目增加至8個(gè)?；谀壳耙呀ㄔO(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，增大綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)占比，例如，在吸收法、吸附法凈化氣體中二氧化碳的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，首先引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)（確定廢氣的濃度、吸收液及吸附劑類型等），隨后自主搭建吸收、吸附裝置，計(jì)算吸收、吸附速率，完成個(gè)人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和實(shí)驗(yàn)操作技能，提升其工程素養(yǎng)。開(kāi)發(fā)創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)手段，如實(shí)行本科生“學(xué)業(yè)導(dǎo)師制”，積極安排學(xué)生參與教師的科研課題，實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)，在此過(guò)程中，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力進(jìn)一步得到發(fā)掘。

強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)，新增了為期2周的大氣污染控制工程課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，將課堂上的部分重點(diǎn)內(nèi)容作為課程設(shè)計(jì)題目，借助認(rèn)知實(shí)習(xí)和專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，學(xué)生在實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)更好地了解和學(xué)習(xí)實(shí)際生產(chǎn)工藝，并獲得設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)、設(shè)備和裝置結(jié)構(gòu)等第一手材料。在理論學(xué)習(xí)后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行污染控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如四大除塵器、煙氣脫硫裝置等，通過(guò)工藝方案設(shè)計(jì)、處理流程及主要構(gòu)筑物圖紙繪算、項(xiàng)目工程概算編制，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的分析設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新思維。

加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用深度融合，通過(guò)產(chǎn)教融合、校企合作開(kāi)展科學(xué)研究、技術(shù)攻關(guān)、人才培養(yǎng)[7]。建立校外實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)基地，如山西瑞光熱電有限責(zé)任公司、山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司、大唐太原第二熱電廠、洛陽(yáng)東方實(shí)訓(xùn)管理中心等，由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員引導(dǎo)學(xué)生了解煙氣除塵、脫硫和脫硝工藝流程和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與工程實(shí)踐的密切對(duì)接。推行本科生校企雙導(dǎo)師培養(yǎng)模式，在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）環(huán)節(jié)，邀請(qǐng)校外技術(shù)專家參與指導(dǎo)，結(jié)合實(shí)踐案例有針對(duì)性地對(duì)工藝流程、處理設(shè)備、設(shè)計(jì)計(jì)算等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行剖析，逐步深化學(xué)生對(duì)一線行業(yè)企業(yè)“實(shí)際復(fù)雜大氣污染控制問(wèn)題”的理解，及時(shí)了解行業(yè)最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，提高工程意識(shí)及綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.4優(yōu)化考核評(píng)價(jià)體系

突出學(xué)生綜合能力培養(yǎng)，貫徹“創(chuàng)新人才”培養(yǎng)理念，重視學(xué)習(xí)的全過(guò)程，將教學(xué)評(píng)價(jià)從結(jié)果考核向過(guò)程考核轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的結(jié)果考核無(wú)法客觀反映學(xué)生的真實(shí)水平。通過(guò)改變期末考試單一考核模式，增加討論式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、隨堂測(cè)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)，定期給出特定題目供學(xué)生去思考和總結(jié)，經(jīng)生講生評(píng)、生講師評(píng)，提高對(duì)學(xué)生知識(shí)能力水平的綜合評(píng)判，將能力培養(yǎng)、知識(shí)傳授和素質(zhì)教育融為一體。

建立線上線下混合式教學(xué)考核體系，根據(jù)學(xué)生在各教學(xué)環(huán)節(jié)的參與表現(xiàn)和期末考試成績(jī)進(jìn)行綜合評(píng)定，完善全程能力考核評(píng)價(jià)方式方法，實(shí)現(xiàn)由單一考核向知識(shí)能力并重轉(zhuǎn)變，探索能力考核、分類評(píng)價(jià)的新模式。首先，提高過(guò)程性考核占比，由教師打分、師生互評(píng)、生生互評(píng)三方面組成過(guò)程性評(píng)價(jià)的綜合結(jié)果。其次，針對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容，以提問(wèn)的方式進(jìn)行課堂互動(dòng)，根據(jù)學(xué)生的實(shí)時(shí)反饋解析和回溯教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)通過(guò)雨課堂上傳學(xué)習(xí)記錄表，進(jìn)行學(xué)生互評(píng)。最后，課程結(jié)束后利用問(wèn)卷星平臺(tái)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，根據(jù)教與學(xué)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

3結(jié)語(yǔ)

大氣環(huán)境污染問(wèn)題具有綜合性和復(fù)雜性，社會(huì)的快速發(fā)展對(duì)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)“新工科”人才提出新的挑戰(zhàn)。面對(duì)新形勢(shì)和新要求，我?；贠BE成果導(dǎo)向的教學(xué)模式和課程思政的教育要求積極進(jìn)行教學(xué)改革探索，凝練深化教材內(nèi)容、創(chuàng)新混合式教學(xué)方法、強(qiáng)化產(chǎn)學(xué)研用實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)、完善教學(xué)考核體系，逐步實(shí)現(xiàn)以自主思考、開(kāi)放學(xué)習(xí)為主線，以工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)模式，拓展實(shí)踐教學(xué)和課程設(shè)計(jì)的深度和廣度。實(shí)踐表明，多元化教學(xué)改革實(shí)現(xiàn)了以研促教、以教促學(xué)、教學(xué)相長(zhǎng)，“大氣污染控制工程”課程改革已獲批2022年山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目，并入選山西省一流課程建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)于培養(yǎng)面向新工科建設(shè)背景下的具有扎實(shí)大氣污染治理技術(shù)基礎(chǔ)理論、創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力的創(chuàng)新型、應(yīng)用型專業(yè)人才具有重要意義。

*通訊作者：李廣科

基金項(xiàng)目：山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目（J20220073）。

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