基于发现学习理论下的课程创新改革

［摘 要］ 保障人民群众饮水安全，是守住人民群众生活底线、推动城乡区域高质量发展的重要保障。“水质工程学I”是一门给排水科学与工程专业的必修主干课，对给排水科学与工程人才培养和专业建设具有支撑作用。课程团队将布鲁纳发现学习理论引入教学，打通前序课程知识结构，精心丰富教学内容，深度融合科研前沿，创设研学工作坊学习情境，实施多指标综合评价，打造一门经典与前沿、线上与线下、课内与课外相结合的专业课程。

［关键词］ 水质工程学；发现学习理论；课程创新改革

［基金项目］ 2022年度教育部高等学校给排水科学与工程专业教学指导分委会教改项目“基于课程思政的水质工程学I教学改革与实践研究”（GPSJZW2022-31）；2023年度江苏省高等教育教改项目“双碳背景下给排水科学与工程专业人才创新创业能力培养”（2023JSJG488）

［作者简介］ 谈超群（1989—），男，江西南昌人，工学博士，东南大学土木工程学院市政工程系副系主任，副教授，博士生导师，主要从事水的化学氧化与消毒、饮用水处理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）08-0050-04 ［收稿日期］ 2023-12-10

引言

2023年3月，教育部等五部门印发了《普通高等教育学科专业设置调整优化改革方案》，明确对现有工科专业全要素改造升级，将相关学科专业发展前沿成果、最新要求融入人才培养方案和教学过程。高校课程创新改革要主动适应国家和区域经济社会发展、知识创新、科技进步、产业升级需要［1］。如何使专业课程符合工科专业的新要求，灵活生动地融入前沿科技和思政元素，对传统工科类课程创新改革至关重要。本文以“水质工程学I”课程创新改革为例，结合东南大学给排水科学与工程专业最新培养计划，根据教学实践中的不足，重构教学培养目标，探讨基于发现学习理论下推进课程改革的一些可行性建议。

课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定着人才培养质量。学生通过学习专业课程，达成课程目标，最终符合专业培养计划。“水质工程学I”是给排水科学与工程专业的必修主干课程，本课程以给水水质达标为核心，讲述了各类给水处理工艺原理和设计方法，以及给水处理前沿理论、技术方面的知识［2］。“水质工程学I”是一门承前启后的课程，先修课程主要是“水力学”“水文学”“泵与泵站”等，后续课程为“智慧水务”“水处理新技术”等专业选修课，这些课程都为后续毕业设计以及研究创新活动打下了重要的工程基础。因此，基于发现学习理论下的“水质工程学I”课程进行创新改革是课程改革的一项重要任务。

一、“水质工程学I”教学中存在的问题

“水质工程学I”是给排水科学与工程专业的一门基于水处理而产生的专业课程［3］。课程具有知识点覆盖面大、内容理论抽象、公式推导困难和整体系统性不强等特点。本文主要分析了课程教学实践中存在的三个主要问题。

（一）重单元轻系统，知识与行业新需求失衡

“水质工程学I”课程的主要内容是通过工程手段保证饮用水水质标准达标，课程知识点覆盖生物、化学、力学、材料等多方面知识，但整体系统性不强。同时，现有内容无法及时迭代，以跟进智慧水务、韧性城市等行业新需求下对知识的外延拓展需求，相关前沿知识案例、思政案例库更是匮乏，学生对课程知识的代入感不强，毕业后对待系统性的真实案例常有“不得要领”的困惑。

（二）重理论轻实践，学生工程转化能力不足

“水质工程学I”课程内容主要围绕给水工艺理论和工程设计计算，内容较为理论抽象，且现有教学模式多为知识讲解式，学生的学习参与度和兴趣不足。课程的专业性和工程实践性要求较高［2］。传统教学中理论与工程实践模块割裂严重，缺少理论与工程的互反馈训练；同时，传统教学中信息化手段实施有限，特别是新形势下多数水厂已经推广了智慧加药、陶瓷膜等新技术，学生对水厂新技术的了解机会较少，对课程中的工程元素感知能力不足。

（三）重结果轻过程，高阶目标难以有效考核

以往的课程评价基本上是“平时作业+期末成绩”的考核方式，考核内容相对死板，考核价值属性单一，学习数据的过程性考核不足，难以对学生能力、思维、素养等高阶目标的达成情况进行考核，同时束缚了学生的学习方式，禁锢了学生的学习兴趣，在整体土木类行业下行、学生被动式选择该专业的背景下，这一问题尤为突出。

二、“水质工程学I”教学改革目标

秉承布鲁纳发现学习理论，以促进学生高阶能力发展为宗旨、提升学生创新实践能力为目标，支撑专业培养目标的实现，以及毕业要求的达成，笔者修订了课程目标，包括知识、能力、思维和素养四个层面：（1）知识目标：能够描述水质与水质标准，运用给水工艺理论与工艺设计计算方法。（2）能力目标：能够分析原水水质条件，具备给水厂涉及的工程实践能力和设计能力，以及解决给水厂建设、运行过程中复杂工程问题的分析、协作、决策、创新能力。（3）思维目标：能够运用系统性思维，提出城市给水系统从水源到水龙头全过程、从设计到运维全生命周期的工程方案。（4）素养目标：提升学生“推动水务行业绿色发展”的科技报国情怀，具备给排水从业人员对公众用水安全、生命健康以及水资源保护的社会责任感和历史使命感。

三、“水质工程学I”教学改革措施

（一）重塑教学模块，强化课程内容系统性，促进理论与实践互融

根据发现学习理论，学生学习就是不断地对信息进行分类和组合，并输入已有的知识结构中，使认知结构不断形成和改变。课程对学生学过的课程、有可能与课程发生联系的知识点进行了归纳，在课堂中启发学生积极提取原有知识结构中的知识，促进课程新知识的学习。打破以单一处理工艺点为章节框架的传统，模块化整合给水处理中的给水处理系统与理论、城市给水处理设施、工业给水系统和给水处理前沿四大主题，从提纲挈领的行业规范标准，到因地制宜的工程案例实际；从传统的水处理工艺与设施，到领域前沿的科研热点话题，由浅到深，推陈出新，使学生理解课程的总体结构与基础知识体系，熟练掌握给水处理的基本思路、理论及工艺。例如，传统课程模式中主要以单个构筑物设计计算为主，课程团队结合实际工程全流程的水厂工艺设计，为学生介绍整体工艺中各单元的计算方法，加深学生对整体系统性设计计算的认识。

“水质工程学I”课程教学应注重理论与实践相结合，即增强教学与生产实践的匹配度。在理论教学的基础上，依托给水厂虚拟仿真系统，使学生动手操作相应的运维参数，了解给水构筑物内部空间结构。同时，开展给水厂实地实践调研，使学生整体上了解给水厂布置及工艺流程，真实感受局部与全局的关系、岗位操作与生产目标实现的关联。学生反馈这种授课方式理论与实践相结合，既动手又动脑，作业也很灵活，促进了学生对课程内容的理解和工程实践的认识。笔者邀请行业知名设计师、主管代表和前沿科学家为学生介绍给水工程设计案例与图纸解析、供水行业管理现状、供水研究前沿科研动态等内容，进一步强化学生的工程伦理意识。通过实践教学可以有效巩固理论知识，有助于培养具有创新意识和综合能力的研究型、应用型人才［2］。

（二）增加科研导入，丰富学科前沿时效性，提升学生的实践创新能力

高等学校给排水科学与工程学科专业指导委员会推荐的“水质工程学I”教材最新版为李圭白和张杰主编的《水质工程学（第三版）》，课本内容已有滞后性［4］。笔者结合课程大纲，灵活运用科研成果素材，筛选了契合课堂主题的科研素材，同时提炼了科研成果素材中的创新思路，提出了一些能启发学生创造性思考的前沿科研案例，在课程导入、参与式学习等教学环节中融入科研问题发散、科研文献搜索、科研实验设计及验证、科研成果分享等内容；学生通过翻转课堂、课外研学项目等方式进一步锻炼了科学思维，提升了创新能力，同时培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，达到思维训练的目的。例如，笔者以科研项目为出发点，结合郑州暴雨事件，引导学生开展极端气候下的给水处理工艺问题研究，学生围绕案例通过理论知识点学习、课堂实验验证等手段逐层深入分析，并在翻转课堂中提出了相应解决方案，实现了知识获取和思维训练的多重效果。

（三）推进数字赋能，增强课程资源多样性，激发学生自主学习意识

充分利用数字化技术，在线上学习通教学平台建立课程，线下通过智慧教室授课，为开展系列创新教学活动提供有力支撑。线上教学资源丰富，知识框架合理，目前主要包括授课课件、上课实录、案例库、随堂测验、典型习题、项目式学习等六大核心内容，支撑学生自主学习；线下基于翻转课堂、问题研讨等方式，实现对学生自主学习效果的考查与反馈，推进学生获得以自我为主导的学习体验。同时，线下课堂中用丰富的实物作为教学模型讲解知识点，如可乐开瓶后的气浮现象、自制微型过滤柱等，在生活现象中提取与课程相关的净水技术元素，凝练成问题来激发学生的兴趣，引发学生的思考及对后续教学内容的期待。

课前，学生带着任务和问题通过线上学习通进行自主学习，教师通过问卷星等工具开展课前前测数据分析，以便实现精准定教；课中借助智慧教室、BOPPPS有效教学结构等开展双向交互研讨式教学，教师进行引导式讲授时，着重传授理论知识的重点和难点，寻找理论内容所承载的系统思维和科学方法；课后以发布的拓展性研讨题目为依托，题目均源于生活实际或学科前沿，具有高阶性、创新性和挑战度，学生依次自由组队开展翻转课堂（15分钟），对课程知识进行巩固和内容延伸，实现从“教师传统灌输式讲授”到“引导学生主动发现学习”。最后基于发现学习理论，学生不仅解决了提出的问题，还从问题解决的过程中获取了新知识，构建了新的认知结构。

（四）打破课堂内外时空壁垒，提高学生对课程内容的理解

为了进一步加深学生对课内理论学习、虚拟仿真过程中给水处理工程内容的理解，建设课程知识运用自主实践场域，构建了运用“水质工程学I”相关知识的第二课堂研学工作坊，调动了学生学习和运用“水质工程学I”课程知识的积极性，通过课程讲座、校级—国家级—国际级竞赛体系、大学生创新创业与暑期实践项目和工程实训等形式，激发学生的好奇心及求知欲。学生通过自主实践训练激发工程创新思维，触类旁通，有效深化了课堂知识内涵，实现了水质工程学知识综合应用和深化技能等隐性知识的显性化，与课堂教学交互式融合。在课程讲座中，邀请行业知名专家分别从给水设计工程、给水行业管理和给水前沿科研等方面给学生拓展课程内容。同时，鼓励本科生参加国际土木工程大学生（ASCE）竞赛，学生以活性炭、砂石、饮料瓶等材料快速搭建过滤装置，灵活应用课程中的过滤水头损失计算、吸附动力学等知识，在“体验式”深化课内经典知识内涵的同时，显著培育了创新精神。

（五）重构课程评价体系，增加开放型问题，综合考查学生的知识运用能力

考核与评价主要聚焦知识、能力、思维和素养等课程目标的达成，考核方式为过程性考核（占55%）和终结性考核（45%）相结合的方式。过程性考核主要包括线上作业与讨论（30%）+课堂实验（10%）+小组研讨（10%）+课外实践（5%）；终结性考核为期末考试，主要考核学生的基础知识（20%）、综合运用能力（20%）和价值态度（5%）。

课后作业采用线上布置的方式，题目案例选取贴近生活，源自行业新闻、历史典故、科研数据等，内容兼具客观定量计算题与开放型主观题，能综合考核学生知识、能力和素养的提升情况。课堂实验考核以“过滤装置搭建及处理效果”实验为例。实验基于学生搭建装置后对原水进行过滤，然后对过滤后的水量体积（15分）、处理时间（15分）、出水水质指标（共60分，每个指标满分10分）和方案（10分）等项目进行赋分，其中水质指标包括水的pH值、溶解氧、浊度和UV254等，体积、浊度、时间、UV254为相对值（与最好队伍作比×15分），溶解氧、pH为范围得分，学生需要平衡处理水量、操作实践和处理水质之间的相互制约关系，类比于实际生产工艺中的制水成本、制水效率和制水水质相互制约关系，最终根据学生的名次进行评价。小组讨论的评价依据学生研讨型题目的完成情况，以及翻转课堂的效果，最终得分以生讲生评、生讲师评相结合的方式进行评价，充分发挥学生的主体性。

（六）融入思政元素，培养学生求真务实的大国工匠精神