人工智能背景下“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革研究

張佳妹 奚姍姍 李國(guó)蓮 謝發(fā)之 黃健 李輝

摘?要：“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”作為給排水科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性。然而，在人工智能的迅猛發(fā)展下，其實(shí)際教學(xué)過(guò)程中還存在不足之處。因此，本文圍繞“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程展開了一系列研究，通過(guò)針對(duì)性的教學(xué)改革和實(shí)踐，將人工智能融入課程教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工藝應(yīng)用能力，不斷提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力及社會(huì)責(zé)任心，為國(guó)家和地方培養(yǎng)具有時(shí)代特色和滿足社會(huì)需求的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞：水工藝設(shè)備基礎(chǔ)；給排水科學(xué)與工程專業(yè)；人工智能；教學(xué)改革

1?概述

隨著新一輪科技革命持續(xù)深入推進(jìn)，人工智能獲得較大的發(fā)展，其作為較具代表性的新科技改變了人們的學(xué)習(xí)、生產(chǎn)、生活方式，也沖擊著人們的固有認(rèn)知和思維方式，使人類社會(huì)進(jìn)入人工智能新時(shí)代［1］。作為未來(lái)發(fā)展的戰(zhàn)略技術(shù)，人工智能正以極快的速度與各領(lǐng)域相融合。阿爾文·托夫勒曾在《第三次浪潮》提出，誰(shuí)掌握了信息，控制了網(wǎng)絡(luò)，誰(shuí)就擁有了整個(gè)世界［2］。因此，人工智能領(lǐng)域的迅猛發(fā)展引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。為應(yīng)對(duì)這場(chǎng)人工智能技術(shù)革命浪潮，社會(huì)各界積極參與、融入與學(xué)習(xí)，以適應(yīng)人工智能技術(shù)的發(fā)展［3］。

教育是國(guó)之大計(jì)、黨之大計(jì)，教育以育人為目標(biāo)，育人的根本在于立德。為貫徹落實(shí)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》（國(guó)發(fā)〔2017〕35號(hào)）和2017年全國(guó)高?？萍脊ぷ鲿?huì)議精神，引導(dǎo)高校以世界科技前沿為目標(biāo)，提升高校在人工智能大背景下的人才培養(yǎng)和服務(wù)國(guó)家需求的能力［4］。教育部《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》（教技〔2018〕3號(hào)）明確地給出了本科院校關(guān)于人工智能發(fā)展的科技創(chuàng)新體系［5］。高等學(xué)校積極發(fā)展人工智能教育是符合新工科建設(shè)要求的，促使新工科背景下培養(yǎng)的人才既具備前沿人工智能學(xué)科知識(shí)與解決人工智能問(wèn)題的專業(yè)能力，也具有人工智能工程倫理與系統(tǒng)思維等綜合素質(zhì)［6］。人工智能融入教學(xué)是高校落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的重要舉措，其有利于維護(hù)高校意識(shí)形態(tài)安全，提升高校教學(xué)的親和力，推動(dòng)高校教育教學(xué)評(píng)價(jià)體系的精準(zhǔn)化［7］。

教育部在2019年10月發(fā)布的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》中提出，課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量，完善以質(zhì)量為導(dǎo)向的課程教學(xué)改革已勢(shì)在必行［8］。近年來(lái)，隨著人工智能領(lǐng)域井噴式發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在探究如何將人工智能與當(dāng)代大學(xué)課程教學(xué)相融合展開了廣泛研究。例如，洪常春［9］利用人工智能技術(shù)對(duì)當(dāng)代大學(xué)英語(yǔ)課程思政進(jìn)行了改革。南玉龍等［10］在2023年探討了如何將人工智能教育融入機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程。然而，以上利用人工智能技術(shù)進(jìn)行的大學(xué)課程教改主要側(cè)重于教學(xué)技術(shù)和教輔工具的改革和應(yīng)用，當(dāng)前人工智能融入高校教學(xué)還面臨教師信息素養(yǎng)、體制機(jī)制、融合內(nèi)生動(dòng)力等方面的困境。因此，在人工智能背景下，如何進(jìn)行大學(xué)課程的教育教學(xué)改革仍是當(dāng)前教育領(lǐng)域有待探究的問(wèn)題。綜上，本文通過(guò)對(duì)“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程展開研究，將人工智能充分融入“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程改革中，從而培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、適應(yīng)和引領(lǐng)未來(lái)發(fā)展的“人工智能+給排水工程”的復(fù)合型專業(yè)人才。

2?“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程在教學(xué)過(guò)程中的不足

2.1?教學(xué)內(nèi)容相對(duì)滯后

“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程是基于水工藝設(shè)備而產(chǎn)生的一門給排水科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，本課程選用黃延林、范瑾初主編的《水工藝設(shè)備基礎(chǔ)》作為教學(xué)教材，其課程內(nèi)容主要包括水工藝設(shè)備理論基礎(chǔ)以及各種水工藝設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，雖然教材內(nèi)容極為廣泛，知識(shí)點(diǎn)多，概述性強(qiáng)，但目前的教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)前智能化工藝與技術(shù)脫節(jié)，無(wú)法滿足現(xiàn)階段行業(yè)發(fā)展需求。例如，目前國(guó)內(nèi)水環(huán)境中抗生素含量相對(duì)較高，去除方法復(fù)雜，學(xué)生如果對(duì)以抗生素去除為主的新型污水處理設(shè)施了解不足，就無(wú)法設(shè)計(jì)出自動(dòng)化、智能化的污水處理新設(shè)施及新工藝。這與新工科建設(shè)中“將產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過(guò)程”的要求不一致［11］。

2.2?教學(xué)方式相對(duì)單一

“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程在安徽建筑大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用，本課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)興趣、開拓專業(yè)視野和形成創(chuàng)新思維具有積極意義。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，水工藝設(shè)備具有更新快、制造技術(shù)要求高等特點(diǎn)。然而，該課程教學(xué)主要以教材為重心，利用多媒體手段講授“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”教材中水工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理等學(xué)生不易理解的知識(shí)，學(xué)習(xí)任務(wù)繁重，這就導(dǎo)致在實(shí)際教學(xué)中僅關(guān)注理論教學(xué)而忽視實(shí)踐環(huán)節(jié)。

2.3?考核方式相對(duì)簡(jiǎn)單

傳統(tǒng)的考核方式已不能滿足當(dāng)代大學(xué)生未來(lái)的就業(yè)需求，“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程的考核方式較為簡(jiǎn)單，主要是以期末開卷考試為主（70%），平時(shí)成績(jī)（包括出勤率與課后作業(yè)）為輔（30%），該考核方式導(dǎo)致大部分學(xué)生側(cè)重于學(xué)習(xí)重點(diǎn)考試內(nèi)容，不利于學(xué)生的實(shí)踐練習(xí)，難以滿足新工科下學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，所以“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”進(jìn)行考核方式的改革迫在眉睫。

3?“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革

3.1?教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)

人工智能技術(shù)在水處理工藝中具有廣泛的應(yīng)用前景，目前“智慧水務(wù)”也是我國(guó)水處理方向發(fā)展的主要趨勢(shì)，但在教學(xué)中的融合卻面臨一定的挑戰(zhàn)和問(wèn)題。根據(jù)給排水專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和方案，強(qiáng)化“以學(xué)生為中心，學(xué)生能力為導(dǎo)向”，改變傳統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)傳授，調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)。從目前學(xué)生學(xué)習(xí)狀況反饋，學(xué)生對(duì)基本理論概念與實(shí)際應(yīng)用存在一定程度的分離，學(xué)生對(duì)文字性的原理、結(jié)構(gòu)等可以理解，但面對(duì)實(shí)際應(yīng)用時(shí)無(wú)法充分應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容。因此，需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步優(yōu)化和擴(kuò)充，將與水工藝設(shè)備相關(guān)的材料學(xué)、機(jī)械制造、人工智能等方面的知識(shí)融入水工藝設(shè)備基本原理、結(jié)構(gòu)等課程內(nèi)容。

其次，在教學(xué)過(guò)程中，增加前沿性的行業(yè)熱點(diǎn)話題、與人工智能技術(shù)相結(jié)合的工程案例等，可以使學(xué)生在實(shí)際工程案例中感受人工智能技術(shù)在水工藝設(shè)備中的應(yīng)用，充實(shí)水工藝設(shè)備基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。人工智能技術(shù)與水工藝設(shè)備之間的知識(shí)協(xié)同和融合是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)鍵所在，例如，在講授“曝氣設(shè)備”時(shí)，傳統(tǒng)曝氣設(shè)備主要包括表面曝氣設(shè)備、鼓風(fēng)曝氣設(shè)備、水下曝氣設(shè)備等，然而在人工智能背景下，目前主要使用的是智能曝氣系統(tǒng)。因此，在授課過(guò)程中結(jié)合案例分析，詳細(xì)講解智能曝氣系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用方法。

3.2?重構(gòu)教學(xué)實(shí)踐體系

“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程是一門培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的專業(yè)課程，因此在教學(xué)過(guò)程中以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、提高學(xué)生解決水工程實(shí)踐能力為導(dǎo)向，將“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程教學(xué)分為課堂教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)識(shí)實(shí)踐三部分。課堂教學(xué)主要學(xué)習(xí)水工藝常用設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)，在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，主要學(xué)習(xí)與水工藝相關(guān)的化學(xué)、物理實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。例如，在“分離設(shè)備”章節(jié)，在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)篩網(wǎng)分離、膜分離等分離設(shè)備如何將水中的顆粒物、泥樣進(jìn)行分離與過(guò)濾，觀察分離過(guò)程，使學(xué)生增強(qiáng)感官認(rèn)識(shí)。

在現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)識(shí)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，與污水處理廠、給水廠等展開深度合作，結(jié)合給排水行業(yè)特色，促進(jìn)校企優(yōu)質(zhì)資源的高度融合，重建“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程體系，將產(chǎn)教協(xié)同育人融入課程中。在認(rèn)識(shí)實(shí)踐部分，針對(duì)不同層次學(xué)生將認(rèn)識(shí)實(shí)踐分為基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性這四個(gè)層級(jí)，滿足了不同學(xué)生，不同工程設(shè)計(jì)方案、不同水工藝技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)，提高了學(xué)生的參與積極性及實(shí)踐教學(xué)效能。例如，在講授“污泥處理設(shè)備”時(shí)，帶領(lǐng)學(xué)生前往污水處理廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，認(rèn)真傾聽工程師詳細(xì)講解目前污水處理廠正在運(yùn)行的污泥處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)及原理，以及其與智能系統(tǒng)如何融合使用，充分將課本所學(xué)實(shí)物展示在學(xué)習(xí)面前，激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能大背景下實(shí)際工程問(wèn)題的深度思考，為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而滿足當(dāng)前行業(yè)發(fā)展需求。

3.3?創(chuàng)新教學(xué)模式

在“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程教學(xué)過(guò)程中，從傳統(tǒng)的以教為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)為主和以學(xué)生為主。在人工智能背景下，將采用“線上、線下混合式教學(xué)”模式，引入教學(xué)虛擬平臺(tái)和仿真模擬技術(shù)，為學(xué)生提供豐富多樣的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。課前，教師將需要提前預(yù)習(xí)的內(nèi)容推送到該虛擬平臺(tái)中，學(xué)生自主預(yù)習(xí)，教師遠(yuǎn)程輔導(dǎo)。課中，教師利用智能軟件，結(jié)合仿真模擬技術(shù)，設(shè)置實(shí)際水污染問(wèn)題，組織學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析、討論，并通過(guò)該問(wèn)題對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展。課后，教師通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)課堂學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并針對(duì)不同學(xué)生提供個(gè)性化輔導(dǎo)和課外拓展，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注與課程內(nèi)容相關(guān)的國(guó)內(nèi)外最新水工藝設(shè)備與技術(shù)，從而促進(jìn)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)開展分析、實(shí)踐，拓寬學(xué)生“人工智能+水工藝”的新視野。

在該教學(xué)虛擬平臺(tái)上，教師及學(xué)生可以將學(xué)生之間的交流討論的成果匯總上傳至交流平臺(tái)；同時(shí)，教師與學(xué)生也可將調(diào)研發(fā)現(xiàn)的目前國(guó)內(nèi)外最新的水工藝設(shè)備及其相結(jié)合的水處理措施，尤其是目前關(guān)于人工智能應(yīng)用到水工藝設(shè)備及水處理技術(shù)的案例上傳至交流平臺(tái)，在該平臺(tái)上，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)案例進(jìn)行討論，積極發(fā)表自己對(duì)案例的理解與思考，促進(jìn)學(xué)生的查閱、思考能力。這種教學(xué)模式融合了人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)模式，從而提高了“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程的深度及廣度。

3.4?改革教學(xué)方法

根據(jù)給排水行業(yè)“智慧水務(wù)”發(fā)展對(duì)畢業(yè)生具備“新工科”特征的新要求，深入行業(yè)調(diào)查，通過(guò)校企合作模式，邀請(qǐng)數(shù)名企業(yè)工程師進(jìn)入課堂，為同學(xué)講解企業(yè)工程案例中如何應(yīng)用人工智能。比如，當(dāng)前企業(yè)最新水工藝產(chǎn)品的理論知識(shí)，人工智能技術(shù)的應(yīng)用如何為產(chǎn)品創(chuàng)新力賦能，如何提升產(chǎn)品的智能化程度等。通過(guò)企業(yè)工程師的案例講解，一方面切實(shí)讓學(xué)生明白人工智能用于水工藝設(shè)備的實(shí)用性與價(jià)值，激發(fā)學(xué)生對(duì)這門課程學(xué)習(xí)的興趣與積極性；另一方面，讓學(xué)生感受水工藝設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)與人工智能在解決傳統(tǒng)工程技術(shù)問(wèn)題方面的巨大潛力，切實(shí)做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，促使學(xué)生對(duì)水工藝設(shè)備形成全方位的了解。企業(yè)工程師對(duì)水工藝產(chǎn)品的技術(shù)分析與解讀，能夠促使教學(xué)內(nèi)容緊跟市場(chǎng)技術(shù)動(dòng)態(tài)與需求，保證學(xué)生所學(xué)的知識(shí)滿足用人單位需求、市場(chǎng)技術(shù)發(fā)展與未來(lái)工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的需求。

3.5?優(yōu)化考核方式

在人工智能背景下，如何提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)是目前教育教學(xué)的主要目標(biāo)。首先，根據(jù)“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程的教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，將“過(guò)程性—終結(jié)性—智能性”考核相結(jié)合是本課程的主要考核方式。將課程考核環(huán)節(jié)有機(jī)融入整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，引入“過(guò)程性考核”，即將學(xué)生考勤率、作業(yè)完成度、課堂參與度等過(guò)程都進(jìn)行參與性考核。對(duì)于常見的水工藝設(shè)備的基本原理及如何利用該設(shè)備解決實(shí)際水環(huán)境問(wèn)題的內(nèi)容則采用期末開卷考試的“終結(jié)性考核”方式。

其次，在授課過(guò)程中設(shè)置“智能性考核”環(huán)節(jié)，主要考核學(xué)生的實(shí)踐能力、應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)合作能力，例如以“智慧水務(wù)”為話題，鼓勵(lì)學(xué)生以個(gè)人或者小組形成針對(duì)具體環(huán)境問(wèn)題制訂相應(yīng)的技術(shù)方案與設(shè)備研發(fā)方案，學(xué)生可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)程度選擇性完成，在該模塊的成績(jī)以一定比例加權(quán)到期末綜合成績(jī)中，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，對(duì)不同層次學(xué)生因材施教，增強(qiáng)教學(xué)效果。多元的課程考核體系不僅讓教師可以隨時(shí)關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的態(tài)度和積極性，也可考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況等。

結(jié)語(yǔ)

本文以“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程為例，系統(tǒng)探討了如何將人工智能應(yīng)用到給排水科學(xué)與工程專業(yè)課程教學(xué)改革中。為滿足國(guó)家戰(zhàn)略和行業(yè)需求，將理論聯(lián)系實(shí)際，改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)踐體系、教學(xué)模式、教學(xué)方法及考核方式，提出了人工智能背景下給排水科學(xué)與工程專業(yè)理實(shí)一體的教育教學(xué)改革，并提出具體措施方法，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，最終培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的給排水工程應(yīng)用型人才。

參考文獻(xiàn)：

［1］朱斐.產(chǎn)教融合人工智能人才培養(yǎng)機(jī)制探討［J］.教育教學(xué)論壇，2022，13（34）：14.

［2］唐永勇，朱殿勇.豎屏視域下河南對(duì)外形象傳播重構(gòu)研究［J］.新聞愛好者，2021（10）：5053.

［3］周文科.產(chǎn)教融合人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)模式探索［J］.計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2021，47（21）：3839.

［4］王得志，肖汶斌，吳佳妮，等.人工智能技術(shù)浪潮下地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)改革的思考［J］.教育教學(xué)論壇，2020，6（25）：45.

［5］彭小敢.機(jī)械制造裝備課程中工程倫理教育的探索［J］.科技視界，2021，11（31）：3537.

［6］康澤威，龍小麗，李欣雪.人工智能背景下應(yīng)用型本科嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2020，33（11）：145146.

［7］郭超，姚雷博，胡友耀.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革策略探析［J］.電子元器件與信息技術(shù)，2021，5（7）：163164.

［8］易明勇.地方應(yīng)用型高校商務(wù)英語(yǔ)一流本科專業(yè)建設(shè)路徑探究［J］.滁州學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，23（01）：127131.

［9］洪常春.人工智能時(shí)代大學(xué)英語(yǔ)生態(tài)教學(xué)模式構(gòu)建研究［J］.外語(yǔ)電化教學(xué)，2018，184（12）：2934.

［10］南玉龍，盧倩，曾勇.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程中融入人工智能教育的探索［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023（10）：152154.

［11］魯菁，徐俊，趙東升，等.新工科背景下“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探究［J］.南陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，22（04）：6265.

基金項(xiàng)目：人工智能背景下“水工藝設(shè)備基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革研究：2024年安徽省高等學(xué)校校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“人工智能背景下瘙 爯