1. 引言
在中国工程教育认证体系中，对于认证专业的核心要求之一，便是将人才培养在“解决问题”的能力上明确界定为能够应对“复杂工程问题”。这一标准旨在确保本科层次的工程教育紧密围绕培养未来工程师的目标展开，不仅满足国内对高质量工程人才的需求，同时也符合国际《华盛顿协议》所倡导的实质等效原则。具体而言，在最新发布的《工程教育认证通用标准解读及使用指南(2022版)》中，详尽阐述了12项毕业要求，其中8项直接聚焦于学生解决“复杂工程问题”的能力培养，而另外4项则侧重于构建学生应对复杂工程挑战所需的综合素质与能力框架，这些素质要求同样对提升学生的复杂工程问题解决能力起着至关重要的支撑作用[1]，通过对学生解决“复杂工程问题”能力的培养，可以使学生适用快速变化的技术发展的能力、学生综合素质与创新能力、满足行业发展需要及增强就业竞争力、责任感与使命感均得到一定程度的提高。
截止至2024年5月，全国已有64所高校的给排水科学与工程专业通过了住房与城乡建设部的专业评估(认证)。“水质工程学”是给排水科学与工程专业的核心课程之一，包括给水处理与排水处理两部分，以全球水的社会循环过程中水质的变化规律及工程技术问题为主要研究对象，为实现水的良性社会循环及水资源的可持续利用而控制和改善水质的科学[2]，其特点在于内容多(仅以生物处理部分为例，介绍各种污水处理工艺，涉及到的工艺有80余种)、内涵广(涉及水处理工程的原理、技术、设计、施工、运维等多方面的问题)、发展快(我国水处理事业发展迅猛，新工艺、新材料、新技术)，理论与实践性极强且与现行的专业标准规范结合紧密。在《华盛顿协议》与《工程教育认证通用标准解读及使用指南(2022版)》理论支持下，如何基于课堂教学培养学生解决复杂工程问题的能力，实现课程的持续改进，是践行OBE教育理念，达成专业培养目标并创建一流本科专业的关键所在。
2. “复杂工程问题”的内涵
复杂工程问题(CEP，即Complex Engineering Problems)在工程教育与实际应用领域中占据着举足轻重的地位。它们往往跨越了多个工程学科、技术领域以及其他相关因素的边界，无法仅凭单一或浅显的工程手段轻易攻克。解决这类问题，要求深入掌握并灵活运用高深的工程原理，同时伴随着详尽而周密的分析过程，方有可能找到有效的解决方案。工程问题的复杂性主要体现在其组成要素的复杂性：(1) 硬件，进行工程活动所必须的工具、设备、机器等；(2) 软件，设备的操作方法、程序、工艺规则等；(3) 斡件，工程组织和工程管理的方法。三个要素都不可缺少，相互渗透、相互影响，必须相互配合、相互作用、相互整合。
“华盛顿协议”的精髓在于强调解决“复杂工程问题”的能力，这一核心理念将工程教育本科专业的认证标准与其他依据“悉尼协议”及“都柏林协议”的认证体系显著区分开来[3]。无论是《华盛顿协议》还是我国的《工程教育认证标准》，均对“复杂工程问题”(CEP)作出了清晰而具体的界定。我国的专业认证体系，在很大程度上，其关于CEP的定义是借鉴并遵循了《华盛顿协议》的相关准则。CEP的定义首先强调，必须依赖深入的工程原理分析及综合应用才能得以解决，同时，它还需至少符合以下特征中的一项或多项：(1) 问题涉及多维度技术、工程及非技术因素，且这些因素间可能存在冲突；(2) 解决途径需构建适宜的抽象模型，并要求在建模过程中展现创新思维；(3) 常规方法不足以应对，需探索非传统解决方案；(4) 问题中的某些要素可能未涵盖于现有的专业工程实践标准与规范之中；(5) 相关利益方在问题处理上的立场与诉求存在差异；(6) 问题本身具有高度综合性，内含多个相互依存、错综复杂的子问题[1]。
因此，对于“复杂工程问题”的考量，不能仅局限于技术层面的探讨，而必须超越技术壁垒，跨越单一学科的知识界限，综合考虑可能与技术目标相抵触的标准、规范、利益分配等复杂因素。简言之，以“复杂技术问题”来替代“复杂工程问题”是片面的，无法全面反映CEP的复杂性与综合性[4]。
3. 工程教育专业认证(解决复杂工程问题)背景下“水质工程学”教学面临的挑战
自2016年起，我国正式成为《华盛顿协议》成员国，标志着我国工程教育体系正式融入国际互认体系，不仅深刻体现了与国际工程教育理念的高度契合，也极大地推动了我国教育标准与国际标准的接轨进程。次年，为适应这一国际化趋势，“给排水科学与工程专业评估”升级为“给排水科学与工程专业评估(认证)”，采纳了最新的全国工程教育专业认证通用标准(2022版)及本专业专属的补充标准(2023版)，此举标志着给排水科学与工程专业评估进入了一个全新的发展阶段。
在高等教育日益重视人才培养的国际化与实用性的背景下，给排水科学与工程专业评估(认证)体系明确确立了以学生发展为核心，聚焦学生学习成果，并坚持持续改进的核心理念[1]。为确保达到《华盛顿协议》所倡导的实质等效标准，培养出具备国际竞争力的专业人才，该评估体系对学生在“解决给排水科学与工程领域复杂工程问题”方面的能力达成度给予了前所未有的重视。这一转变，不仅为给排水科学与工程专业的人才培养模式提出了更高要求，也促使该专业在课程体系建设上不断探索与创新，以应对新时代下的全新挑战。
我校给排水科学与工程专业2002年开始招生，2023年8月向住房和城乡建设部高等教育给排水科学与工程专业评估委员会提出专业评估(认证)申请，2024年6月接受给排水科学与工程专业评估专家小组的现场考查并顺利通过专业评估(认证)。现正执行的2020版培养方案的培养目标为：“本专业旨在培养德、智、体、美、劳全面发展，能够适应社会主义现代化建设需要，具有人文社会科学知识和自然科学知识，经过工程师的基本训练，掌握给排水科学与工程专业领域的基础知识、理论和方法，能胜任水开采、输配送、水质控制等各类工程的规划、设计、咨询、施工及管理等工作，实践能力强，能解决给排水领域复杂工程问题、具有创新意识和可持续发展潜力的高素质应用型人才”。此培养目标体现了当前我校对给排水科学与工程专业毕业生培养的重视，“水质工程学”作为给排水科学与工程专业的核心课程，是新时代高层次给排水人才培养的主战场，但“水质工程学”课程在知识体系和工程思维方面仍然存在一些不足，主要体现在：(1) 课程知识现行的思维方面：基本上是遵循“原理–技术–应用”的思路，或者按照历史发展知识结构展开，好处是便于理解知识原理，但对应对工程问题时存在较大的距离；(2) 学生获取、掌握知识的方式方面：听老师讲授，自己看书或者求助于网络，基本上停留在知识的认识上，背诵或者记忆，此外学生学习方式存在被动学习、学习功利化、学习能力弱化等一系列问题；(3) 遇到问题的解决方式方面：从资料中查找相似的答案，查找案例简单套用或迭代，很难准确识别“复杂工程问题”。因此，学生的思维认知与行业所需的工程思维存在较大的差距，难以满足新工科建设、社会、行业和时代的需求。
在针对21届、22届及23届毕业生的反馈中，我校给排水科学与工程专业被指出在“设计/开发解决实际工程问题”的能力上存在不足，部分毕业生与行业顶尖人才在能力水平上存在显著差距。面对这一现状，为加速我校毕业生适应新时代、新工科及新质生产力发展的需求，同时提升给排水科学与工程专业在国际工程教育认证体系下的竞争力，并为即将到来的2027年专业评估(认证)复评奠定坚实基础，我们亟需对“水质工程学”这一核心课程进行深度改革。在“水质工程学”的教学过程中，我们致力于深入挖掘并融入解决复杂工程问题的思维训练，以此作为培养学生综合素质的关键路径。为此，我们需对该课程的建设原则进行全面审视，重构知识体系，使其更加贴近行业前沿与实际应用；同时，优化教学组织方法，采用案例教学、项目驱动等多元化教学手段，激发学生的主动性与创造性；并建立健全评价体系，注重过程评价与结果评价相结合，全面衡量学生的问题解决能力与创新能力。
4. “水质工程学”解决复杂工程问题思维强化培养的教学设计及实施方法
Figure 1. The teaching implementation process of water quality engineering course under the professional certification mode
图1. 专业认证模式下水质工程学课程教学实施环节
鉴于上述分析，本研究旨在工程教育认证体系下，重塑“水质工程学”这一专业核心课程的地位，使之成为融合深厚理论基础与卓越工程能力的桥梁。我们对传统授课模式进行了改革，明确以提升学生解决复杂工程问题的能力作为核心目标。在教学过程中，不仅深化“水力学、水文学、水分析化学、水处理微生物学”等基础课程知识的渗透，确保每个关键知识点都建立在坚实的理论基础之上，还鼓励学生将给水与排水处理的相关知识并行思考，促进跨学科知识的融合，逐步构建起全面而系统的理论框架，从而具备从宏观视角审视与解决问题的能力。
为实现这一目标，我们将精心挑选并引入实际工程中的经典案例至每个关键教学环节。这些案例将作为连接理论与实践的桥梁，引导学生站在工程师的角度分析问题，深入剖析案例中的核心要素，探讨如何灵活运用所学理论知识，并精准选择适宜的技术参数与工艺方案，以有效解决复杂多变的工程问题。“水质工程学”课程教学的具体实施策略与环节设计见图1，图中详细展示了在课程内容、教学方法及评估体系等多个维度上进行创新与优化，以确保教学目标的有效达成。
4.1. “大班授课(课堂教学) + 小组项目研讨”授课模式
在“水质工程学”的授课过程中，教师采用“大班授课(课堂教学) + 小组项目研讨”模式，并且结合现行的翻转课堂的教学设计[5]，分别研究制定理论课程方案，从理论灌输向能力转变[6]。
4.1.1. “大班授课”
大班授课主要讲解“水质工程学”中主要的专业基础知识，讲授专业基础知识过程中也不是泛泛将课程的内容从教材转化为PPT从而灌输给学生，而是具有以下三个特点：(1) 讲结构(深入理解知识)，告诉学生知识与知识直接的联系，比如章节为什么这样设置，为什么要先学水质标准，然后再学混凝、沉淀、过滤、消毒，其内在联系是什么？有了课程的结构之后便于学生深入理解及掌握专业知识；(2) 讲细节(剖析重点与难点)，教师将教材中比较关键的内容区分开来，重点部分加强讲解，有一些知识点属于了解和认识的内容让学生自己去拓展；(3) 讲发展(帮学生梳理知识)，教师将相近的这一类问题重点讲解，比如污水处理工艺是处于不断发展过程之中的，学生碰到没见过的工艺就认为自己不会，教师没有起到真正讲课的作用，教师应该教会学生掌握了基本原理基础之上，万变不离其宗了解工艺的发展规律，学生从而真正掌握专业基础知识。
以“水质工程学”中“混凝设施”知识点为例，课前利用学校自主学习中心平台发布开放式的预习思考题(实际工程中混合的类型有哪些？混凝指标有哪几种，各有什么特点？为什么要重视混凝指标的研究？你认为合理的控制指标如何确定？)引导学生构建基础理论知识结构。同时，提前给学生分享经典的絮凝池工艺CAD图纸(包括课程组教师所做的实际工程图纸)，鼓励学生们主动去查找相关课外资料(设计手册/标准规范/最新国内外文献)以探索陌生的工艺系统，带着求知欲进入课堂[7]。课中，授课教师首先针对课前思考题展开测验，考查学生对工艺原理以及基础理论知识的掌握程度，并引导学生构建理论知识的思维导图；然后，教师采用典型案例作为工程问题的切入点，通过多媒体资源(视频、图片、CAD图纸)手段，对典型技术应用案例进行分析，案例分析不仅包括工艺过程分析，还包括絮凝池工艺运行过程展示，引导学生展开思路，以工程师身份，与教师共同探讨技术在实际应用中所面临的困难与挑战。
4.1.2. “小组项目研讨”
小组项目研讨是真正锻炼解决复杂工程问题能力(还包括批判性思维、全局统筹能力、团队协助精神、设计与研究创新能力)，课堂教学无法实现这些能力，解决复杂工程问题能力需要学生亲自去做才能得到提高。首先学生应该引入一个面向实际的工程案例进行顶层设计，然后就是学生分组进行研讨，小组项目研讨采用CDIO的方法，具体见图2。通过此模式可以在不断巩固基础知识点的同时，拓展学生对于相关知识点的延伸，并加深对实际工程案例的理解，使其具有与时俱进的工程师视野。
Figure 2. Conceive, Design, Implement and Operation (CDIO) teaching model
图2. CDIO教学模式
4.2. 综合性考核环节
课程考核是衡量学生掌握基础知识的关键步骤。在水质工程学这门课程中，我们采用多元化的评估方法，其中40%的分数来自于平时表现(包括出勤、预习与复习、作业成绩、课堂讨论和小组项目讨论)，而60%的分数则来自期末的闭卷考试。期末试卷中包含了一定比例的开放式综合应用题目。例如，题目可能会描述一个在东北松花江流域设计净水厂的场景(包括设计规模、水源水质、气候和地形条件)，要求学生设计一个合适的净水流程，绘制出工艺流程图，并分析选择该工艺的理由，同时详细阐述各个工艺单元的功能和作用。学生需要首先基于对水源水质、设计规模、气候和地形条件的分析，并结合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2022)，来确定一个合适的工艺流程。这不仅考察了学生对净水厂基础知识的掌握，还考察了他们对具体工艺功能和特点的理解。通过这些评估环节，我们旨在检验学生解决实际工程问题的能力，特别是在面对复杂工程挑战时的应用能力。
4.3. 实践拓展环节
在水质工程的教学中，我们持续优化“净水厂设计”和“污水处理厂设计”两门课程的课程设计任务书。指导教师将根据学生的具体情况，采取集中和分散相结合的答疑方式，密切跟踪学生的计算和绘图进展。在课程设计环节，我们将强化对专业标准、规范以及实际工程案例的深入分析，以实践为基础，锻炼学生解决工程问题的能力，并激发他们的设计热情。此外，对于毕业设计，我们鼓励部分学生加入“深度处理”工艺设计环节，不仅采用当前的主流工艺设计流程，还要考虑长远目标，初步制定应对策略。这样的设计过程将使学生更贴近工程实践，培养他们解决复杂工程问题的能力。
5. 效果分析
为了增强我校给排水科学与工程专业在全球专业评估(认证)背景下的竞争力，我们对“水质工程学”课程中发现的问题进行了深入分析，并采取了相应的改进措施。课程教学团队致力于深化工程思维的培养，对课程的知识结构和教学方法进行了以工程思维为核心的优化和调整。
通过工程思维培养模式的锻炼，结合翻转课堂，建立了“大班授课(课堂教学) + 小组项目研讨(CDIO) + 综合性考核”的“水质工程学”教学模式，并结合“净水厂课程设计”和“污水处理厂课程设计”两个实践环节，在不断巩固专业基础知识的同时拓展学生对相关知识点的外延与工程思维的培养。通过连续三届学生的实践教学，我们发现这种教学模式取得了显著成效，主要体现在以下几个方面：首先，课程的知识体系得到了优化，学生的综合分析和辩证思维能力得到了提升。其次，课程的基础理论教学与工程实践的联系更加紧密，学生们对本专业的标准、规范和工程案例有了更深入的了解，对解决实际复杂工程问题的方法和措施有了更清晰的认识。此外，学生在课程设计和毕业设计中对工艺选择和设备选型展现出了更广泛的多样性，这有效地提高了他们解决给排水工程复杂问题的能力。这种教学模式更符合国家重大战略和社会行业需求，有助于培养具有复合型知识结构、创新意识和可持续发展潜力的高素质应用型人才。
6. 结语
在国际工程教育评估(认证)的大环境下，我们的“水质工程学”课程教学团队致力于加强学生的工程思维能力，对该课程进行了一系列的改革。我们创建了一种结合“大班授课(课堂教学) + 小组项目研讨(CDIO) + 综合性考核”的教学模式，并与“净水厂设计”和“污水处理厂设计”等实践环节相结合，扩展了专业知识的应用范围。这种多环节的培养模式专为我校给排水科学与工程专业的技术人才培养设计，确保了项目实施方案的科学性和合理性。实施这一模式后，学生在解决给排水科学与工程领域的复杂工程问题方面的能力得到了显著提升，满足了工程教育评估(认证)对专业核心课程持续改进的要求。
基金项目
湖南省普通高等学校教学改革研究项目：“生态文明建设”背景下水质工程学课程思政教学体系构建与实践(HNJG-2021-0646)；湖南省教育科学“十四五”规划项目：基于“主题式教学”的高中化学教学实践(XJK23CJC104)；湖南省普通高等学校教学改革研究项目：“双创”教育融入给排水科学与工程专业本科生创新能力培养的全过程设计与实践(202401000886)；湖南省普通高等学校教学改革研究项目：思政深度融合的给排水科学与工程专业实习模式创新探索与实践(HNJG-2023-0644)。