杜子文 張立秋 封 莉 黨 巖

(北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

“水工藝儀表與控制”是北京林業(yè)大學(xué)給排水和環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)目的是幫助學(xué)生正確認(rèn)知水工藝儀表，掌握水處理過(guò)程中儀表的基本控制技術(shù)，了解各類(lèi)水處理工藝中儀表的應(yīng)用方法和控制系統(tǒng)的設(shè)置方法。“水工藝儀表與控制”課程教學(xué)以生活飲用水處理、廢水處理、城市生活污水處理以及給水排水系統(tǒng)工藝設(shè)置流程為核心內(nèi)容，課程教學(xué)與我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)倡導(dǎo)的“山水林田湖草生命共同體”理念中的“水”密切相關(guān)。

目前，高等林業(yè)院校圍繞“山水林田湖草生命共同體”的理念，將與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的學(xué)科和專(zhuān)業(yè)都納入了建設(shè)的范疇?！八に噧x表與控制”課程教學(xué)雖然缺少與林業(yè)相關(guān)的內(nèi)容，但林業(yè)建設(shè)離不開(kāi)“水”，“水”也離不開(kāi)“林”。因此，“水工藝儀表與控制”課程教學(xué)應(yīng)以“山水林田湖草生命共同體”的生態(tài)理念為指導(dǎo)，增加與“林”相關(guān)的課程教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立環(huán)境保護(hù)意識(shí)，為生態(tài)建設(shè)培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才。

一、“水工藝儀表與控制”課程教學(xué)面臨的問(wèn)題

(一)學(xué)生缺乏對(duì)林業(yè)生態(tài)環(huán)境的認(rèn)知

筆者對(duì)“水工藝儀表與控制”課程教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了科學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中缺少對(duì)生態(tài)環(huán)境整體概念的認(rèn)知。他們認(rèn)為“水工藝儀表與控制”課程知識(shí)就是將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到水處理工藝當(dāng)中，與生態(tài)環(huán)境關(guān)聯(lián)不緊密，這導(dǎo)致了學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解不夠深入，僅停留在對(duì)水處理專(zhuān)業(yè)技術(shù)方面的學(xué)習(xí)，當(dāng)面對(duì)實(shí)際生態(tài)環(huán)境問(wèn)題時(shí)則無(wú)法從生態(tài)環(huán)境的整體角度提出完善的解決方案。此外，“水工藝儀表與控制”課程教學(xué)增加了過(guò)渡過(guò)程控制、雙位邏輯控制等內(nèi)容，由于這些內(nèi)容屬于自動(dòng)化范疇，與水處理專(zhuān)業(yè)技術(shù)和林業(yè)生態(tài)知識(shí)的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，學(xué)生對(duì)新增課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)較為懈怠，甚至產(chǎn)生抵觸情緒[1]。究其原因，正是由于缺少對(duì)林業(yè)生態(tài)環(huán)境的認(rèn)知，導(dǎo)致學(xué)生自身知識(shí)體系單一且綜合知識(shí)儲(chǔ)備不足[2]。

(二)課程教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不符合專(zhuān)業(yè)技能培養(yǎng)的要求

在“水工藝儀表與控制”課程教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容的安排缺少科學(xué)性也是影響教學(xué)效果的原因之一。擔(dān)任“水工藝儀表與控制”課程教學(xué)任務(wù)的教師通常是給排水或環(huán)境專(zhuān)業(yè)的教師，缺少自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)背景，因此在教學(xué)過(guò)程中對(duì)水處理工藝的介紹較為全面，而有關(guān)自動(dòng)化技術(shù)的講授較為淺顯，教師對(duì)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域自動(dòng)化的應(yīng)用需求了解得不深，無(wú)法較好地指導(dǎo)學(xué)生將自動(dòng)化知識(shí)與水處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。例如，在教學(xué)內(nèi)容安排上，多數(shù)教師將大部分學(xué)時(shí)用在自動(dòng)化概念和理論的講授上，如自動(dòng)化控制原理、模型和算法等，而水處理技術(shù)需要的是選擇合適的自動(dòng)化控制方式和邏輯控制系統(tǒng)，并不需要對(duì)理論進(jìn)行深入的剖析。課程教學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)意義有限，導(dǎo)致給排水和環(huán)境專(zhuān)業(yè)學(xué)生的自動(dòng)化相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備不足，學(xué)生在面對(duì)實(shí)際環(huán)境問(wèn)題時(shí)無(wú)從下手，在一定程度上影響了學(xué)生實(shí)際工作能力的培養(yǎng)，也無(wú)法有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[3]。

(三)課程教學(xué)方法單一

“水工藝儀表與控制”現(xiàn)有的教學(xué)方法比較單一，主要采取的是教師講、學(xué)生聽(tīng)的灌輸式教學(xué)方法，缺少調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)[3]。單向知識(shí)傳遞的模式，使課堂教學(xué)缺少了討論和互動(dòng)，導(dǎo)致課堂氣氛沉悶，學(xué)生注意力分散，難以用心學(xué)習(xí)，無(wú)法有效地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立獲取知識(shí)和剖析問(wèn)題的能力。同時(shí)，教師的教學(xué)手段也較為單一，主要是通過(guò)文字和圖片介紹自動(dòng)化理論知識(shí)，而儀表和自動(dòng)控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、三維的過(guò)程，這種單一的教學(xué)手段很難讓學(xué)生形成立體的感官認(rèn)識(shí)。因此，如何改變當(dāng)前教學(xué)中教學(xué)方法單一的問(wèn)題，已經(jīng)成為當(dāng)前“水工藝儀表與控制”課程急待解決的問(wèn)題[4-8]。

二、“水工藝儀表與控制”課程實(shí)施案例式教學(xué)的具體做法

(一)選取與“林”相關(guān)的教學(xué)案例

廢水處理工藝中的儀表與自動(dòng)控制是“水工藝儀表與控制”課程教學(xué)的重點(diǎn)，筆者在講授這一章節(jié)時(shí)選取了造紙廢水處理的教學(xué)案例，這一案例可以較好地將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。造紙是林木工業(yè)生產(chǎn)中的典型行業(yè)，也是容易造成環(huán)境污染的重點(diǎn)行業(yè)。在造紙過(guò)程中，由于制漿方法、林木原料以及制漿率的不同，其廢水中的污染物有著較大區(qū)別，但共同點(diǎn)是都含有大量的難降解的木質(zhì)素等大分子物質(zhì)。因?yàn)榱謽I(yè)院校學(xué)生在大一階段的學(xué)習(xí)中，已經(jīng)較好地掌握了植物學(xué)和林學(xué)等相關(guān)知識(shí)，所以他們可以對(duì)造紙廢水組分的特點(diǎn)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析，并能選擇適宜的水處理工藝和控制儀表以解決造紙廢水的處理問(wèn)題。通過(guò)這一教學(xué)案例，可以使學(xué)生結(jié)合林業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)加深對(duì)水工藝儀表與控制專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和掌握程度。

在案例教學(xué)實(shí)施前，筆者通過(guò)教學(xué)平臺(tái)上傳了不同造紙工藝的背景知識(shí)和相關(guān)文獻(xiàn)資料，讓學(xué)生在課前快速了解造紙廢水的來(lái)源和性質(zhì)，為案例教學(xué)的開(kāi)展做好準(zhǔn)備。同時(shí)將學(xué)生分成幾個(gè)小組，對(duì)典型造紙廢水處理工藝流程進(jìn)行預(yù)習(xí)。學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)收集相關(guān)資料，并結(jié)合林業(yè)相關(guān)知識(shí)，分析造紙廢水的性質(zhì)和配套處理工藝的特點(diǎn)；之后各組學(xué)生還要根據(jù)廢水性質(zhì)和處理后的達(dá)標(biāo)要求，對(duì)比篩選合適的儀表，將儀表信息進(jìn)行整理；最后基于造紙廢水處理工藝，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)略的控制系統(tǒng)，畫(huà)出控制框圖，用于課上討論。

在課上，筆者首先講授每個(gè)工藝環(huán)節(jié)可采用的儀表及其安裝位置和適用條件，給出不同儀表的性能和經(jīng)濟(jì)適用性以及評(píng)價(jià)和篩選的原則。再根據(jù)選用的儀表類(lèi)型和工藝控制要求，講授設(shè)計(jì)配套控制系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)節(jié)手段。在課堂的剩余時(shí)間，筆者讓學(xué)生以小組為單位進(jìn)行交流討論，每個(gè)小組根據(jù)課前準(zhǔn)備的相關(guān)資料，將自己小組選用的用于處理造紙廢水的儀表和控制系統(tǒng)展示給其他同學(xué)。最后，教師對(duì)每個(gè)小組的展示內(nèi)容給予建議和評(píng)價(jià)。

案例教學(xué)結(jié)束后，筆者將課上的教學(xué)案例資料上傳到教學(xué)平臺(tái)，供學(xué)生課下學(xué)習(xí)。學(xué)生也可以通過(guò)教學(xué)平臺(tái)，反饋對(duì)案例教學(xué)的意見(jiàn)和建議，以幫助教師進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法。

(二)通過(guò)典型教學(xué)案例豐富課程教學(xué)內(nèi)容

污泥是水處理過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)固體物質(zhì)，既可被視為污染物，又可被視為可資源化的有機(jī)養(yǎng)料?，F(xiàn)階段污泥處置方法有填埋、焚燒、建材、土地利用等，其中污泥的土地利用是我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的一種資源化利用方式。園林綠化、森林用地、苗圃等都是污泥再利用的場(chǎng)所，而水中的有機(jī)物也可以污泥有機(jī)肥的形式回歸于土壤，污泥的利用正是“山水林田湖草生命共同體”理念的最好體現(xiàn)。

但是，在傳統(tǒng)“水工藝儀表與控制”課程教學(xué)中，有關(guān)水處理的內(nèi)容講授得較多，對(duì)污泥的處理工藝講授得較少。因此，為了豐富課程教學(xué)內(nèi)容，筆者引入了污泥產(chǎn)品林地利用的教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生從生態(tài)環(huán)境的宏觀角度去思考問(wèn)題。污泥產(chǎn)品林地利用的教學(xué)案例涉及了污泥濃縮、脫水、熱水解、厭氧消化到最終成為有機(jī)肥產(chǎn)品等污泥處理的所有工藝，這些工藝過(guò)程又涉及了加藥設(shè)備與儀表、壓力儀表、泵與風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、熱水解和厭氧消化控制系統(tǒng)等自動(dòng)化內(nèi)容，有助于學(xué)生建立完善的儀表與控制的知識(shí)體系。

(三)采取多種教學(xué)組織形式開(kāi)展案例教學(xué)

1.以專(zhuān)題的形式

在每個(gè)章節(jié)的理論知識(shí)講授完成后，筆者都會(huì)針對(duì)所講內(nèi)容以專(zhuān)題的形式向?qū)W生介紹一項(xiàng)有關(guān)治水、治山、治林典型案例中的儀表應(yīng)用與控制技術(shù)，通過(guò)案例現(xiàn)場(chǎng)錄制的視頻，再輔以三維動(dòng)畫(huà)，將實(shí)際案例中相關(guān)理論知識(shí)生動(dòng)地展現(xiàn)給學(xué)生。在視頻動(dòng)畫(huà)播放過(guò)程中，教師可以實(shí)時(shí)講解有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，幫助學(xué)生了解理論知識(shí)在工程實(shí)際中的應(yīng)用方法。同時(shí)根據(jù)專(zhuān)題內(nèi)容，設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題，通過(guò)提問(wèn)的方式啟發(fā)學(xué)生自主思考，以此加深對(duì)課程知識(shí)的深入理解，提高學(xué)生課堂的參與度。

2.以網(wǎng)絡(luò)第二課堂的形式

筆者將“水工藝儀表與控制”課程涉及的教學(xué)案例及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)相關(guān)的國(guó)家精品課程資源上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，將其作為網(wǎng)絡(luò)二課堂的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生可自主下載并學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)二課堂教學(xué)內(nèi)容。這些教學(xué)內(nèi)容不作為考試內(nèi)容，但可將學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的學(xué)時(shí)數(shù)作為平時(shí)成績(jī)，以此督促學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)。

3.以工程實(shí)踐的形式

“水工藝儀表與控制”作為一門(mén)應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，單純的理論教學(xué)不能讓學(xué)生完全理解實(shí)際工程中控制系統(tǒng)和儀表的運(yùn)行情況。因此，在開(kāi)展案例教學(xué)的同時(shí)，還應(yīng)增設(shè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生接觸到真實(shí)的工程案例，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。例如，在講解污泥林地資源化處理案例時(shí)，筆者帶領(lǐng)學(xué)生參觀了相關(guān)污泥有機(jī)肥生產(chǎn)單位或污泥資源化處理單位，現(xiàn)場(chǎng)考察各類(lèi)儀表在實(shí)際工程中的應(yīng)用方法和控制系統(tǒng)的實(shí)操方式。通過(guò)工程實(shí)踐，學(xué)生可以將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際工程能力。

三、“水工藝儀表與控制”課程實(shí)施案例式教學(xué)的成效

(一)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

課程教學(xué)結(jié)束后，筆者針對(duì)北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院給排水專(zhuān)業(yè)已完成了“水工藝儀表與控制”課程學(xué)習(xí)的大三學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果顯示，73%的學(xué)生對(duì)案例式教學(xué)給予肯定，50%的學(xué)生認(rèn)為案例式教學(xué)提高了他們對(duì)課程知識(shí)的理解程度，激發(fā)了他們對(duì)課程學(xué)習(xí)的熱情。尤其是通過(guò)林業(yè)工程案例的學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)使命感。

(二)提升了學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力

課程教學(xué)結(jié)束后，82%的學(xué)生表示對(duì)課程學(xué)習(xí)的意義有了更深的理解。教學(xué)案例使他們將所學(xué)的林業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)與課程專(zhuān)業(yè)知識(shí)相結(jié)合，并將其應(yīng)用到實(shí)際工程中，培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。同時(shí)林業(yè)教學(xué)案例加深了學(xué)生對(duì)“山水林田湖草生命共同體”理念的理解，使他們能從多維度思考專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。