“双碳”背景下“泵与泵站”课程改革实践与思考

［摘 要］ 以当前的“泵与泵站”课程教学内容为基础，结合国家提出的“双碳”目标需求，对课程内容进行了剖析，发现了以往教学实施过程中存在的显著问题，如理论过多、实践有限、学生难以准确理解课程定位、前沿技术方法未涵盖等，据此提出了课程改革的关键环节，包括以学代教、进行泵站现场实习等。在教育改革过程中，将关键环节实施于“泵与泵站”教学工作中，丰富课堂教学模式，提出建立“双导师制”，充分挖掘学生的科研潜力，并分析在实践过程中发现的问题，对相关工程类课程的改革提出建议和指导。

［关键词］ “双碳”；泵与泵站；课程改革

［基金项目］ 2021年度哈尔滨工业大学（深圳）教改项目“‘双碳’目标背景下专业课程教学设计与实践——以‘泵与泵站’课程为例”（HITSZERP21003）

［作者简介］ 张小磊（1980—），女，吉林乾安人，博士，哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院副教授，主要从事水与废水处理、有机废弃物资源化研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）35-0053-04 ［收稿日期］ 2023-05-15

科技的不断进步和社会发展需求的变化必然带来技术与产品的迅速更新及迭代，工科院校专业课程如不能与时代发展保持同一脉络，将失去其存在的意义和真正价值。我国高等教育质量标准普遍要求，经过四年的本科教育，多数工科专业学生应接受工程师素养和技能训练，成长为有较强创新能力的工程技术型人才［1］。“泵与泵站”课程是给水排水工程和环境工程专业的必修课，虽然整体学时并不是很多，但具有十分重要的串联作用［2-3］，是学生从基础学习向专业学习的过渡性课程。传统上，本门课程主要讲授水泵的主要工作原理和特性、选泵的原则、泵站设计等知识，核心是使学生掌握不同需求条件下泵站内水泵的选择。另外，我国将力争在2030年前实现碳达峰，在2060年前实现碳中和的“双碳”目标［4］。这就将我国生态文明建设的重点转向了减污降碳相协同、促进经济发展绿色转型等战略方向。泵站作为城镇供排水体系中的能耗大户，水泵选择及水泵站设计是影响耗能的关键因素，在国家“双碳”目标需求下，“泵与泵站”授课内容及重点须与时俱进，进一步契合总体需求，提高课程的实用性。因此，亟须对课程进行改革，以顺应时代发展和国家需求。

一、“泵与泵站”课程体系的剖析

“泵与泵站”作为给水排水工程和环境工程的重要专业课程，具有极强的实用性与实践性，是一门既包含宽广的理论知识体系，又涉及工程应用的技术课程，通常安排在大学的第4～5学期进行。任课教师须将理论知识与实践开展相结合，帮助学生更好地理解课程内容。该课程的教学质量直接影响到后续相关专业课程的学习效果［5］。笔者通过自身的讲授感受及调研分析发现，“泵与泵站”课程教学存在以下几个关键问题。

（一）教学内容理论过多，实践内容有限

“泵与泵站”课程的主要目标是使学生掌握常用水泵的基本原理、基本构造和基本计算方法，能够根据实际工艺条件正确地进行水泵机组的选型，具备对给水泵站、污水泵站进行设计、维护和管理的能力，并能解决生产实际中存在的问题。可见，基础知识的学习、综合能力的提升等都是培养给排水及环境工程人才的重要环节。通过学习该课程，学生能够运用所学知识进行给水泵站、污水泵站设计是重中之重。但是，目前课程讲授内容偏重理论部分，其中一个不容忽视的原因是课时量的缩减。根据减负要求，很多高校对该门课程的总学时进行了压缩。由于理论部分是课程理解的关键，往往理论部分并未压缩，压缩主要集中在实践及实例部分。实践及实例部分的不足，必然导致课程的实用性下降，从而影响毕业设计教学环节。

（二）课堂讲授使学生难以真正理解课程定位

传统课程以讲解为主，只有少部分内容会辅以实验开展帮助学生理解。但学生对于泵及泵站在实际工程中的作用及功能并不十分清楚，只是通过教师的反复强调表面上知道“如何重要，如何重要”……并不真正理解其在城镇供排水体系中的地位。因此，一些学生无法理解课程设置的意义，只能泛泛地跟随教师的讲解，难以深入思考和提出问题。

（三）学生无法掌握泵站的操作规程及所面临的实际问题

在通常情况下，“泵与泵站”课程教学体系的大部分为理论授课，仅包含4～8学时的实验课。实验课主要包括水泵拆卸、（绘制）水泵特性曲线、管路特性曲线、水泵并联工作曲线等。实验课程能够帮助学生更好地理解理论课的内容，对水泵的特性、工作条件、并联工作的作用有更深入的理解。但在实际水泵站中，水泵的选择、启闭、运行工况调配，以及泵站内布设、尺寸等如何确定都仅停留在书面上，无法直观明了地呈现给学生，难免会导致学生对水泵及泵站的理解不全面。另外，学生主要通过被动听课和完成作业等形式进行学习，这就会导致学生在学习“泵与泵站”课程时往往死记概念知识，无法灵活使用课程中的推导学习公式和原则进行创新性应用。

（四）现代化手段实现节能降耗未被涵盖

泵站电耗占城市供水系统总电耗的90%左右，占城市总电耗的20%左右［6］，可见其直接影响着水费的价格。近年来，节能降耗意识已深入城市用水用电等多个方面，很多学者据此开展了泵站节能优化的相关研究，并提出了诸多现代化手段，达到了很好的节能效果。但对于泵站节能降耗意识以及节能手段的相关内容在课程中涉及较少，主要是通过经验和计算优化泵站机组的运行状态，几乎不涉及现代化智能手段，这不利于“双碳”理念的植根，也不利于勇于探索、与时俱进精神的培养。

二、“泵与泵站”课程改革的关键环节

基于上述提出的关键问题，笔者认为，课程改革的关键环节应主要从薄弱环节和缺失环节着手，采取针对性的手段，提高课程的实用性，发挥其在培养体系中的作用，具体应从以下几个方面开展。

（一）凝练理论知识，以学代教

在整体教学课时有限的前提下，调整课堂讲授内容，突出重点、难点知识是重中之重。基础概念部分是识记类学习内容，教师在做好入门导学、为学生搭建起知识框架后，学生完全可自行学习并不断充实知识框架内的具体内容。这一构想的前提是激发学生对泵与泵站的学习兴趣，若学习兴趣薄弱，无论教师多么认真负责，学生的学习效果也不尽如人意。同时，由于课本知识体系庞杂，学生难以快速找到重点，易导致学习效率低、对课程的理解不全面。因此，教师须要对课本中的理论知识进行凝练，告诉学生课下学习的范围和重点，分享一些高质量的多媒体教学视频。随后，教师在课上以抽查等方式对重点、难点知识进行检查和补充，以达到较好的学习效果。这样不仅可以节约课堂时间，还能提高学生主动学习的积极性，以多样的方式随时随地进行“泵与泵站”课程学习，培养自主学习能力。

（二）进行现场教学

正所谓“实践出真知”“百闻不如一见”，工科课程的学习更是如此。课上反复强调远不及带领学生亲眼所见、亲身体会，让学生印象深刻。如果说，课堂教学可以让学生对泵与泵站产生二维认识，那么现场学习就可以让这个知识体系升为三维体系，让学生对泵站的认识更立体、更饱满、更真实，更有利于激发学生的学习兴趣和动力。去泵站现场教学不仅仅是课本知识的延续，还可以了解具有多年实操经验的泵站工程师对泵站设计理念、泵站运行的核心、泵站升级改造的需求、泵站调度关键影响因素等的深入理解，根据实际遇到的问题与学生进行探讨交流，让学生的理论学习真正落地生根，真实地理解泵的构型、安装过程以及运行状态，以便对课本知识有深入的认识和掌握。除了泵站现场之外，还可联系设计单位进行实习，结合以往的设计案例，对学生进行泵站设计指导，拓宽学生的眼界，让学生在设计之初就养成规范化的好习惯。当然，外出实习前要对学生进行安全教育，在实习全过程落实好安全防护措施，确保学生的人身安全。

（三）介绍和学习泵站学科前沿科学研究

课堂教学主要围绕课本展开，课本使用的是2007年出版的第一版《泵与泵站》，其后虽有修订更新版，但基本内容与第一版相差不大。因此，课本讲授内容主要是传授基本的理论方法，对泵与泵站相关的前沿理论、热门研究鲜少提及。随着近几年来节能降耗理念以及“双碳”目标的普及和推广，科研人员将泵站运行与现代化的智能优化手段相结合，如基于机器学习、仿真算法等［7］，提出了多种泵站节能降耗方法。因此，在课堂讲授与泵站现场实习之外，可就当前泵站节能的前沿方法进行介绍和讲解，鼓励学生不局限于本学科的知识体系，以多学科融合的视角与时俱进，借助跨学科的新兴工具解决本学科的现实问题。

三、“泵与泵站”课程改革实践的思考及建议

在实施上述“泵与泵站”改革关键环节的过程中，笔者发现仍存在一些限制因素，妨碍了“泵与泵站”教学改革的实施。对此，笔者有如下的思考和建议。

（一）增加课时

笔者所在单位“泵与泵站”课程的总学时为24学时，其中实验课为4学时，讲课学时为20学时。在这20个学时中，笔者利用2学时带领学生进行泵站现场实习，因此，课堂学时仅为18学时。然而，“泵与泵站”共五章内容，知识框架严谨、结构清晰，须掌握的重点及难点知识较多，仅“叶片式泵”部分就有12节内容，包含大量公式推导计算，讲授过程耗时较长。且由于学生消化重点及难点知识的时间过少，学生内化的知识储备远达不到这门课程对专业能力的要求。显然，知识讲授的覆盖面和讲解深度本就难以兼顾，再想设计更多的教学内容更是难上加难。因此，若想发挥教师的主观能动性，激发教师进行教学创新，从学生的角度出发设计出高效、与时俱进的教学模式，还应适当增加学时，给予教师更多的发挥空间。

（二）丰富课堂教学模式

在课堂讲授方面，笔者尝试使用多种方式丰富教学模式，提高学生对“泵与泵站”课程的兴趣。例如，在最初的泵的基本结构讲授中，笔者通常会带着多种泵的模型上课，结合多媒体幻灯片中的图片对泵的结构进行拆解，将泵模型传递至每名学生手上，让学生对泵的第一印象是“看得见、摸得着”的具象物体。同时，在知识讲解过程中，笔者尽可能地借助动画视频资源。例如，让学生直观地观察水在离心泵内的流动过程，理解水泵工作的原理。通过动画演示，学生能很好地理解离心泵在初次使用时充水启动的重要性，若叶轮中心没有水，叶片难以推动空气产生负压，从而将水吸入叶轮中。另外，在课程教学中，笔者会针对重点及难点内容设置一些问题，引导学生分组讨论并主动寻求答案，加深学生对重点及难点知识的理解，促使学生深入交流与沟通，养成团队意识。在实验教学模块中，设置课程竞赛，制定明确的考核标准，激发学生的求知欲、好胜心，督促每名学生参与课程实验，培养学生发现问题和解决问题的能力。从多个维度丰富课堂的教学模式，有助于激发学生对“泵与泵站”课程的兴趣，提高课堂教学质量。

（三）建立课堂教学“双导师制”

实践发现，学生去泵站现场实习会普遍表现出热情和新奇感，对工程师讲解的泵站实际运行情况充满好奇，在通过提问的方式查缺补漏课本知识的同时，对泵和泵站有更具体的认识，还会通过实习日记撰写巩固和加深实习收获。学生表示，实习极大地提升了对泵站这门课的兴趣，并且对工程师讲解的实际案例意犹未尽。因此，笔者思考，能否建立“双导师制”聘请工程师上讲堂，在前期以教学导师为主，为学生介绍和讲解泵与泵站的基础概念及课本知识，为学生构建完整的知识脉络；在教学后期，以实践导师为主，让其依据多年的生产运行经验，为学生讲授更符合实际的问题、案例及解决方案。实际上，“泵与泵站”课程以解决实际工程问题为主要目标，通过对生活和工程中遇到的现实问题进行分析，在实践中充分借助理论知识寻找解决问题的方法。因此，“双导师制”更有助于促成学生综合能力与素质的提升。

（四）挖掘学生的科研潜力

对于前文提到的泵站学科前沿理论科学研究的介绍与学习，因课时不足，笔者在实施时主要依托于学校面向本科生的科研挑战项目展开。为主动响应国家“双碳”目标，笔者利用课余时间带领学生学习深度强化算法学习，并将其应用于水泵组的智能调控，以实现泵站节能降排的目标。这次实践取得了不错的效果，项目小组成员收获颇多。在研究过程中，团队成员合理分工，对研究的不同模块进行了从无到有的学习，快速提升了学习能力，并拓宽了与水泵相关的专业视野。同时，小组的形式更便于发挥每名学生的主观能动性。因此，笔者认为，可鼓励对学科前沿科学研究感兴趣的学生积极申报学校的科创项目，以“课外延伸”的模式协助学生主动学习“泵与泵站”课堂知识以外的前沿科研理论和手段，激发学生的科研创新意识、跨学科交流合作意识。在学时充足的情况下，也可在课上设置与泵站相关的前沿科学命题，让学生自发组建研究团队，引导学生主动学习前沿研究动态并将其用于解决实际问题。