以科研促教学，PBL助力课程教学质量提升

——以《水污染控制工程》课程为例

        赵姗姗 ¹，吕  慧 ^1,，孙连鹏 ¹，赵  晴 ²，李若泓 ¹   

¹ 中山大学环境科学与工程学院，² 广州大学土木工程学院，广东 广州，510006

[摘  要]：《水污染控制工程》是环境工程专业的基础课。随着复杂环境问题的日益突出，水污染控制新技术和新理论也在快速发展，传统的基本理论授课方式已经不能满足学科发展的需求和人才培养的目标。本研究在理论教学过程中，引进PBL(Project-based learning)研究性教学模式，以问题为导向、以项目为依托，使学生积极参与到科研项目中，以科研实践促进学生对基础知识的掌握，并且以最新科研成果对教学内容进行更新、完善和外延，以科研成果提升人才培养质量。通过这一教学改革与实践，激发了学生的科研兴趣，提高了学生的学习能力和实验实践能力，培养了学生的创新意识，取得了较好的效果，为理论型/科研型/实践型并重的复合型人才培养提供了依据。

[关键词]：PBL；教学改革；水污染控制工程；科研能力；实践能力

[基金项目]：2020年教育部第二批新工科研究与实践项目，智能时代环境工程“新工科智慧教学”的创新与实践，E-HJFZQG20202426；2020年广东省教育厅本科高校在线开放课程建设项目，水污染控制工程，粤教高函[2020]19号；2020年广东省教育厅线下一流本科课程立项项目，水污染控制工程，粤教高函[2020]16号。

[作者简介]：赵姗姗(1983-)，女，河北唐山人，博士，中山大学环境科学与工程学院，副教授，硕士生导师，主要从事水污染控制技术研究工作；吕慧(1982-) ，男，黑龙江七台河人，博士，中山大学环境科学与工程学院，教授，博士生导师，院长助理(通讯作者)，主要从事水污染控制技术研究工作；孙连鹏（1973-），男，辽宁丹东人，博士，中山大学环境科学与工程学院，教授，博士生导师，院长，主要从事水污染控制技术研究工作。

[中图分类号] G642.0  ［文献标识码］A    

《水污染控制工程》是环境工程、给排水、市政工程等专业本科生的专业基础课程之一，内容包括污水防治的各种技术和理论，涉及到物理、化学、生物学以及系统工程学等多学科的原理和方法。并且，随着复杂环境问题的日益突出，各个交叉学科技术的迅猛发展，水污染控制技术也在不断更新，新的技术和理论层出不穷，知识点越来越多，课程也越来越呈现出学科交叉融合的特色，具有很强的理论性、科学性、应用性、时代性和综合性 ^[1]。因此，课堂上仅仅讲授水污染控制技术的基本原理，已经不能满足学科发展的需求和人才培养的目标。此外，根据学校“德才兼备、领袖气质、家国情怀”的人才培养目标，以及“双一流”建设目标，中山大学拟实现80%以上本科生升学率 ^[2]。因此，在讲授专业基础理论的同时，如何提高学生的自主学习能力、实践能力、培养学生的创新思维、提高学生的科学素养是专业课主干课授课中需要关注的议题。围绕这一议题，基于《水污染控制工程》这一主干课程，进行了探索和尝试。在课程教学的过程中，基于PBL（Project-based Learning）研究性教学模式，对基础课程的内容不断更新、完善和外延；鼓励学生课外积极参与到学院各个课题组的科研活动中，以科研实践促进对基础知识的掌握与升华；在讲授基础理论的同时，加入最新的科研成果，以科研成果推进本科的教学效果，进而实现人才培养目标：学习能力提升，能够掌握最新水污染控制技术原理及工艺；实践能力提升，具有从事水污染控制工程设计和运行管理的实践能力，具有解决实际工程问题的能力；创新能力提升，能够开展创新性科学研究活动，激发创新意识，提升科学素养。

1. PBL研究性教学模式概述

1.1 PBL研究性教学模式的内涵

        PBL，专题式学习，又称研究性学习，是近年来兴起的以项目为基础、以学生为主体的学习模式。PBL研究性教学法强调学生要把知识和技术的学习设置于复杂的、有意义的问题和项目研究情境中 ^[3]。通过让学习者以团队合作的方式解决实际的科学技术问题，并且主动学习实际问题背后的知识，从而培养学生自主学习的能力，提高其解决问题和创新的能力。在PBL研究性教学模式下，学生需要针对具体的研究项目，整合不同学科的知识，与团队成员进行配合以解决各种问题。在学习与实践的过程中，学生们所激发的热情、创造力、行动力以及进行的探索、创新和协作，是传统教学模式难以企及的。建构主义学习理论认为学习的过程是一个意义建构的过程，学生通过主动学习，来形成和丰富自己认知结构的过程，才是最为有效的学习过程 ^{[4, 5]}。通过PBL研究性教学模式，可以有效地提高学生自我学习和认知能力，提升解决问题的能力，从而全面提升学生的综合素养。

1.2 PBL研究性教学模式的特点

        区别于传统的教学模式，PBL研究性教学以科学问题为导向、以科研项目为实施基础，培养学生发现问题和解决问题的能力，学生在完成项目、解决问题的过程中强化对基础知识的掌握与灵活运用 ^[6]。PBL研究性教学模式具有如下特点 ^{[7, 8]}：（1）理论与实践相结合：PBL研究性教学通过理论知识结合实际科研项目，在项目实施的过程中建立起知识体系，引导学生通过协作来解决问题，对于学生实践能力的培养和理论知识的掌握大有裨益；（2）综合性学习能力培养：科研实践项目开展过程中，会涉及多学科知识。学生为了解决实际问题，往往需要跨学科的基础理论和综合应用，有利于培养学生的综合能力以及跨学科、跨领域完成复杂工程问题的能力；（3）自主学习与合作学习相结合：在PBL教学过程中，学生在老师的指导下提出问题，独立收集资料、整理与研究，最后在团队中进行讨论和总结，并汇报与分享成果。这些过程将充分调动学生学习的积极性，他们在解决问题的过程中，通过主动学习获取了知识，并将知识进行运用。同时，教学与学习过程中通过团队协作，有利于学生形成创新、合作的价值观；（4）多元化培养模式：通过设计一系列课题，将大量的知识融入具体的项目中，提供多元化的教学资源，优化“教”与“学”过程。PBL研究性教学不仅关注教学大纲下基础知识的学习，同时也注重学生批判性思维能力、解决问题的能力、团队协作的能力和自我管理的能力的培养。

2. PBL研究性教学模块的设计与应用

2.1 教学设计

本门课程理论课54学时，安排在大二第一学期，授课时间为1-19周。教学内容主要包括：水体的污染和自净，污水的物理处理、化学处理以及物理化学处理技术，污水的好氧和厌氧生物处理技术，污水的生物脱氮除磷技术，污水的土地处理技术，污水处理前沿技术及原理，污水的深度处理与回用，污泥的处理与处置技术以及污水处理厂的设计等。PBL研究性教学模块主要包括两个阶段：第一阶段，在理论课授课的学期，鼓励学生参与到学院各课题组的科研项目研究中，边学习理论知识边进行科研实践。学生根据学习意愿和兴趣，成立研究性学习小组，每组3-5人，加入到学院各导师现有科研项目中，并由课题组1-2名研究生对研究性学习小组进行指导。本科生从参加实验室的安全培训开始，学习如何查阅文献、各种仪器的基本操作，熟悉并掌握各种水质指标的测试原理及测试方法等。学生在参与科研项目过程中遇到的各种问题，除了自己查阅文献、与研究生讨论外，还积极与指导老师进行讨论，或者与课程授课教师进行探讨，以科研促进教学。

第二阶段（大二第二学期和大三第一学期），依托于学院研究性学习项目和“大学生创新创业训练计划项目”，进一步培养本科生独立思考、探究科学问题的能力。中山大学环境学院的永銮学社每年都设置研究性学习项目，至今已举办15年，各年级学生自由组队，在导师指导下开展科研项目。同时，中山大学每年都有“大学生创新创业训练计划”，项目分为国家级、省级和校级，学校会对项目给予一定科研支持 ^[2]。通过鼓励学生申请和参与这些科研项目，激发学生的科研兴趣、提升学生的科学素养，并使学生在完成科研项目过程中，对所学的基础理论加深理解，并且可以灵活运用。此外，学院还有其他实验实践活动，例如“实验技能大赛”和“虚拟仿真大赛”等各类水污染控制工程专业知识和技能比赛，通过指导学生参加专业竞赛，也有效推动了PBL教学模式的实践。

2.2 以科研成果促进教学内容更新

        随着环境问题的日益复杂，各个交叉学科技术的迅速发展，《水污染控制工程》的教学内容也是与时俱进，不断更新。在PBL研究性教学模式驱动下，课程教学融入了学科前沿，以科研成果作为案例分析，使学生更加形象地学习和掌握基本理论知识。在案例的选取上，优先选择本科生参与的科研项目以及本科生参与发表的文章。例如，在讲授高级氧化技术时，以学院某课题组发表在Environmental Science & Technology Letters上的封面文章为例，讲解羟基自由基在微污染物降解过程中的作用。以本科生参与的项目为案例，更易激发他们的学习动力和兴趣。例如，讲授到光催化技术时，请参与项目的本科生介绍光催化原理，一方面学生通过科研实践，预先学习了光催化的相关知识；另一方面，学生通过课堂分享，获得了成就感，巩固了所学的基础知识。

3. PBL研究性教学模式的效果

        在PBL研究性教学模式下，学生表现出了较高的学习热情，积极参与科研训练。学生主动查阅文献、收集资料、设计并开展项目研究，从知识的被动接受者转变为自主学习者、合作者和研究者，并且主动参与课堂讨论，大幅提高了课堂教学的活跃度。同时，学生对PBL模式促进实践能力提升上有较高的认可度。通过对学生的随机采访，学生表示：“通过科研训练，了解了科研的过程，学会了查找文献、写项目申请书、科研画图，这些都是课本上学不到的，同时感觉自己还有好多内容需要学习，要加倍努力！”“自己对脱氮技术很感兴趣，参与到老师的项目中，了解了厌氧氨氧化的最新研究进展，希望自己也能在脱氮技术方面有所贡献”。以研究项目为主体的学习方式，激发了学生的学习兴趣，培养了学生自主学习的能力，显著提升了学生的实践能力，训练了学生的科学和逻辑思维，增强了学生的团队意识、沟通表达能力和合作的精神。

        以18级环境工程专业为例（共46人），在大二第一学期，学生进实验室率在90%以上。第二学期，学生积极申请学院的研习项目以及学校的“大学生创新创业训练计划”，获批研习项目9项，大创项目7项。有一位学生从大一开始便参与了厌氧氨氧化项目的研究中，对多个反应器进行了近两年的研究工作，成功申请到了广东省攀登计划研究项目，研究成果受到了导师的好评。有两位学生参与到膜耦合工艺用于高盐有机废水零排放与资源回收项目，开展了为期一年的研究工作，获得了“大学生创新创业训练计划”国家级项目的资助，并撰写英文论文1篇。

4. 总结

        基于PBL教学法，开展以学生为主体的新型研究性教学模式，密切结合水污染控制行业理论与技术发展前沿，促进专业知识学习与科研实践锻炼的相结合。在教学内容上，以最新科研成果为案例切入点，使得教学内容极大地丰富。在教学实践上，依托学院优秀的教学科研团队以及科研平台，以科研项目和科学问题为驱动，激发了学生的学习兴趣，使学生进行独立思考，提升了他们分析问题、解决问题的能力以及实验实践能力，提高了学生们的科学素养和逻辑表达能力，培养了团队协作精神。同时，以科研促教学，真正做到科教相长，科教融合，全面提升了人才培养质量。此外，PBL教学模式在应用过程中，仍存在部分需要解决的问题与不足。例如，科研项目周期比较长，如何建立有效地追踪和评价体系尚需要系统思考。

[参考文献]

[1] 陈雪松，郝飞麟，毛玉琴，等. 基于建构主义的“水污染控制工程”课程线上线下混合教学模式的探索[J]. 教育教学论坛, 2020 (53): 249-251.

[2] 孟凡刚，黄越，赵姗姗. 基于科研能力综合提升的《环境工程微生物学及实验》教学改革[J]. 微生物学杂志, 2020 (40): 125-128.

[3] J. Dewey, Experience and education, Simon & Schuster, New York, 1997.

[4] 冯骞，林涛，陶辉. “互联网+”背景下基于微信公众平台的翻转课堂建设与实践[J]. 工业和信息化教育, 2020 (1): 60-63.

[5] 汤东，尹必峰，雎志轩. 基于雨课堂与支架式教学模式耦合的双语课程设计与实践[J]. 高等工程教育研究, 2019 (增刊I): 174-176.

[6] 刘迎文，雷祥舒. 高等工程热力学课程的混合式教学探索和实践[J]. 高等工程教育研究, 2019 (增刊I): 142-144.

[7] 李迎新，侍禹廷. 大学英语PBL模式教学对培养本科生批判性思维能力的有效性实验研究[J]. 高教探索, 2020 (7): 73-79.

[8] 朱叶秋. “翻转课堂”中批判性思维培养的PBL模式构建[J]. 高教探索, 2016 (1): 89-94.

Scientific Research Promotes Theory Teaching and Project-based Learning Improves the Teaching Quality

—— Take the Course Wastewater Treatment Technology as an example

Zhao Shanshan ¹, LU Hui ^1,*, Sun Lianpeng ¹, Zhao Qing ², Li Ruohong ¹

¹ School of Environmental Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou, Guangdong Province, 510006

² School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou, Guangdong Province, 510006

Abstract: Wastewater treatment technology is one of the important obligatory courses in Environment Engineering Major. With the prominent of complex environmental problems, new technologies and theories of wastewater treatments has been developed rapidly. Thus, the traditional theory teaching cannot meet the needs of discipline development and the targets of student training. Introducing project-based learning (PBL) into theory teaching is a promising choice for improving the training quality. In the PBL training process, students participate into the research project and master the basic knowledge through scientific research practice. Meanwhile, the research achievements can replenish the teaching contents.  Through PBL, students’ research interests have been stimulated, their self-learning and experimental ability have been improved, and their innovation consciousness have been cultivated. Thus, the teaching quality has been improved. Our teaching reform provides a basis for the cultivation of interdisciplinary talents with equal emphasis on theory, research and practice.

Keywords: Project-based learning, teaching reform, wastewater treatment technology, research ability, practice ability