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摘要：针对学生特点，将PBL教学模式引入到环境工程专业设计教学中，并举例说明了PBL教学模式在相关设计教学中的实践过程，提出了三个探索思路：(1)用问题驱动思维逐渐深入；(2)用问题带动经验逐渐积累；(3)用问题推动能力逐步提升，为改善教学效果提供思路。
关键词：PBL；设计教学；探索思路
本文引用格式：廖艳.PBL模式在环境工程专业设计教学中的实践探索[J].教育现代化,2020,7(52):159-162.
Practice and Exploration of PBL Teaching Mode in the Design Teaching of Environmental Engineering Specialty
LIAO Yan
(School of Environmental Science and Engineering,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming Guangdong)
Abstract:According to the characteristics of students,the PBL teaching mode is introduced into the design teaching of environmental engineering specialty,and the practical process of PBL teaching mode in the relevant design teaching is illustrated with examples.Three exploration ideas are put forward:(1)using questions to drive thinking to deepen gradually,(2)using questions to drive experience to accumulate gradually,(3)using questions to promote ability.These provide ideas for improving teaching effect.
Key words:PBL;Design teaching;Exploration ideas
一引言
PBL(problem based learning)教学模式起源于二十世纪五十年代医学教育[1]，其核心是以问题为学习的起点，发挥问题对学习过程的指导作用。PBL教学法与案例教学(CBL)法有一个很大的不同点是PBL是以问题为学习的起点，而CBL是教师先讲解教材，在学生掌握一定的知识前提下，然后做案例分析[2]。
二 传统教学与案例教学的不足
(一) 传统教学的不足
在高等院校工科学生的学习中，工程设计类课程是非常重要的一类专业课，这些课程旨在培养学生扎实的专业设计理论及应用能力。从课程学习角度分析，此类课程知识点较多，课程专业性强，设计的内容繁琐、复杂、抽象，与工程实际联系紧密。由于实际设计、施工中考虑因素多，不易记忆[3]，因此工程设计这类实践性课程在传统教学中难免会出现一些问题：第一，全日制教学中实践性内容相对较少，但工程设计类课程与实际工程结合紧密，实践环节薄弱导致教学效果与实际教学目标脱节；第二，授课内容抽象单调，学习目的不明确，教师按部就班地教学，缺乏对学生创造力的开发，学生并不清楚学习的用处，导致其学习主动性、积极性不高，也增加了授课的难度；第三，工程设计类课程传统教学方法单一枯燥，学生对理论知识一知半解，收效甚微。
(二) 案例教学的不足
本人在环境工程专业的设计课程教学中，一直认为案例分析教学法(CBL)是一个行之有效的教学模式[4]。通过案例分析，对所学知识点进行梳理、综合、提炼，不仅加深学生对抽象、繁琐、复杂知识的理解和应用，而且可以加深对枯燥设计规范和参数的记忆，弥补与实际教学目标脱节的缺口；同时，也帮助学生更直接地了解到相关知识的实际用处，促进学生更主动与积极的学习。但案例教学法仍然涉及设计知识点的枯燥罗列和讲解，这个环节教学效果仍显被动。
三 PBL教学法的的探索
近年来随着学生群体特征的不断变化，发现CBL教学法在某些知识点的教学效果仍显不足，例如，教材中关于格栅设计计算的思路在设计某些小流量污水控制工程时出现严重不可行的结果，这些设计思路是否值得继续在相关专业领域应用，同学们产生了很大的疑惑甚至混乱。考虑到CBL法是先讲解知识点，再讲案例，笔者思考能不能尝试以问题为中心的教学方式(PBL法)，将案例用问题分解，进行用问题带出相关知识点的教学设计，并对此作了一定的尝试。下面是将PBL法用于污水格栅栅槽宽度设计计算教学中收获的三点探索思路。
(一) 用问题驱动思维逐渐深入
以往的教学中，多是在介绍设计常用规范和参数取值要求的基础上进行典型案例讲解，并建议学生尽量参照教材示例中的参数取值，先模拟，再在消化的基础上合理变化取值，但如何有效消化，这在学生学习过程中确实是一个屡错屡犯的现象，有部分同学甚至直接放弃相关学习。为此，笔者设计在正式讲解相关内容前，先提出一系列问题，帮助同学们回忆和巩固原有贮备知识，以格栅设计为例，首先提出以下问题。
1.什么类型的污水处理需要使用格栅？为什么？
2.什么类型的污水处理可以不使用格栅？为什么？
3.污水处理中，通常格栅的设置方案是单级还是多级？为什么？具体情况如何?
4.粗格栅或细格栅的用途有何区别？他们与人工清渣格栅和机械清渣格栅是什么关系？
5.格栅的发展形式有哪些？[5]一般用于什么特点的污水处理？
这些问题可以很好地驱动学生回忆已学知识，将学生的思维状态激活，同时也能使老师掌握学生的知识储备现状，有的放矢地进行后续教学。
(二) 用问题带动经验逐渐积累
在接下来的教学中，本人放弃了枯燥的设计规范和参数取值要求的罗列，直接进入实际设计思路的介绍中，并同时提出问题：主流教材中，格栅设计计算都是针对大中型(10000m3/d以上)的污水处理工程，当需要对小流量(1000～10000m3/d)或超小流量(1000m3/d以下)的污废水工程计算格栅尺寸时，教材中的参数取值就不太实用，那教材中这些设计思路是否值得继续在相关专业领域应用呢？当然答案是肯定的，否则教材就不合格了。但是如何能动的应用相关思路呢？敏感的问题可以一下把同学们的兴趣带动上来！这样接下来就可带领同学们进入一个细致分析的过程了。
对于格栅的栅条间隙数n，其计算公式为：
这个计算结果很明显是不适合的，首先，此尺寸60mm在实际格栅生产中没有对应规格(水力筛最小规格B=0.35m)，而且栅条数为2也太少。那么问题出在哪呢？当然，很多同学会第一时间想到也许参数取值要改一改，但是改哪个，改成多少，同学们就一头雾水了。这时候，将同学们带入后续思路就水到渠成了。
首先，我们应简单分析一下前述的7个参数，看看哪些能改。
(1)设计流量是整个设计的规模确定，是由设计任务书明确的，不能任意改动。
(2)格栅放置倾角根据教材机械格栅(60º～90º)，人工格栅(30º～60º)的要求，取值60º是很方便的，也不宜改动。
(3)格栅个数一般要求2个以上，对于小流量污废水，因为通常是人工清渣格栅方式，所以可以设计一用一备，这样在设计计算格栅个数时N就可取1，在此例中，若N取1，对Qmax=1000m3/d的污废水规模计算可得n=1.1，此计算结果仍然不可取，说明改动N仍不能满足要求。
(4)栅条间隙宽度b前述取值0.025m是粗格栅的取值，对于小流量污水，一般建议设置一道格栅即可，所以应选择细格栅，才能达到有效去除漂浮物的目的，而细格栅取值范围3～10mm，若取b=0.005m，N=1，其它设计参数取值不变，则当Qmax=1000m3/d时可计算得n=5.34，取n=6，得B=0.08m(<0.35m)，至此，仍可看出还需要进一步改变其它参数取值。
(5)栅前水深h，关于此参数，一般教材中没有指明其取值范围，是不是就可以天马行空地取值呢？这时就是引导同学了解设计规范的好时机了！因为教材中对设计参数的要求，不一定是全面和最权威的，特别是教材没有相关说明时，我们就应该在相关的设计规范中去求证，此时，通过查阅《GB 50014-2006室外排水设计规范》(2016年版)[7]，当中并没有对h做硬性规定，所以在此取实际中可行的最小值h=0.2m，得n=13.5，取n=14，则B=0.2m；由于实际无此宽度，考虑n取20可行否？同学们立即会闪过这个念头！那么是否可行呢！这需要一步步分析，先找限制性条件，从哪找，从《GB 50014-2006室外排水设计规范》(2016年版)中可得[7]：污水过栅流速宜采用0.6～1.0m/s，那么当n=20时，核算过栅流速v是0.53m/s，看来n取20在这是不行的，这时细心的同学就会说，n取17时核算过栅流速v是0.63 m/s，符合要求了。
分析至此，可以说同学们从中获得了充分的设计参数选取的经验积累，同时对各设计参数的记忆也更深刻，达到了很理想的教学效果。
(三) 用问题推动能力逐步提升
继续前面的内容，并适时再提出一个问题：前面的分析很好，但设计参数基本已取到临界值了。当设计流量进一步变小至100m3/d时，按照栅条间隙数计算结果最多为n=2，B=0.02m，这又该怎么解决呢？至此对学生来说，有点像头脑风暴了，但我觉得，在拓展思维基础上促进能力提升应是本科生的必备素质。而且这个问题也是专业工作中常见的一种情形，有必要对学生进行强化。可以在充分尊重学生的基础上放慢教学节奏鼓励学生和老师交流10多分钟，虽然多数情况学生的答案会离题万里，但能让学生印象深刻，有利于学生拓展设计思想并同时记下老师提供的有效答案。
因为大型污水工程的输水设施一般采用建筑构筑物水渠的形式，而超小型污水工程则采用机械水管的形式。构筑物水渠和格栅基于施工造价的需要，精确计算水渠(对格栅来讲就是栅槽宽度)尺寸可有效利用资金，而当处理量足够小时，机械水管尺寸通常都小于格栅的宽度，所以不存在资金的浪费，也就是说这时候基本不去算用几根栅条了，事实上这时候的筛滤设备很多会转向使用筛网(格栅和筛网都是筛滤去除漂浮物设备，筛网常用的有水力筛等)，主要确定筛网设备间隙的尺寸就可以了，实际使用的效果也是理想的。
这个答案对同学来说，可能是一个大大的意外。毕竟，习惯教条理论思维的他们对实际工作中的取舍原则往往一头雾水，而这个问题提出、展开、揭晓的过程可大大提升他们的工程思维能力，可谓一举多得。
再接下来，可以给学生进一步提出课后开放式的作业：常用的筛网设备有哪些？使用条件有什么要求？各种设备的规格型号？帮助有专业取向的同学进一步深挖实际应用能力。
四 PBL教学法实践结果及其反思
观察基于上述三点探索思路的PBL教学实践过程可得：在问题驱动端，一般能收到较好的课堂气氛，而且总体来说课堂上回答正确率较高，同学们或自己思考或通过聆听其它同学的回答大部分都能了解到正确答案，这为展开后续教学提供了深入的可能性；在问题带动端，对接收能力强的同学能收到理想的效果；在问题推动端，对少数喜欢挑战且对此专业方向感兴趣的同学特别有促进作用。这些都是好的一面，但是由于学生回答问题的出错率高，教学时间得不到充分保证，所以要想课程从头到尾都进行PBL教学目前还是不现实的；其次，对于储备知识的拓展问题，例如“格栅的发展形式有哪些？”[5]，同学们普遍云里雾里，一无所知，说明同学主动学习的意愿或方向感还很弱，若要提高同学们的自觉性，看来还要花大力气；最后，由于普遍大班上课，每批每级同学们的水平差距都可能较大，老师在教学设计中常顾此失彼，若要做好前期学情分析工作，了解每个学生的学习背景情况，针对不同学生实施不同的指导方案，老师则会力不从心，所以PBL教学是否适合大班教学还有待商酌。
总而言之，本人认可PBL教学法有利于调动学生的积极性、主动性、创造性，培养学生变单向思维方式为多向思维方式，有许多优点值得推广，但也不可否认存在教学资源不足，学生条件不足，支撑制度不足、评价标准缺乏等问题亟待解决[8]。
综上所述，强化设计思路的正确性是培养同学正确设计思想的基础环节，如何对设计计算思路进行正确的理解和拓展性的应用，是教师在教学中发挥作用的重点。但是如何保证教师发挥的有效性，适宜的教学模式必不可少，本文介绍了在环境工程专业的设计课程中引入问题导向式(PBL)教学模式的尝试，希望能抛砖引玉，在今后的实践过程中能获得更多的有益参考。
参考文献
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[3]杨丰春.基于“翻转课堂”的工程设计类课程教学模式研究[J].西部素质教育,2018,4(09):113-114.
[4]岳红,张淑芳,田小海.护理专业生物化学“酶学”教学设计[J].教育现代化,2019,6(88):214-216.
[5]梁汀,蒋岚岚,张万里,等.中空纤维膜MBR污水处理工艺中细格栅系统设计探讨[J].给水排水,2014,50(04):99-101.
[6]谢伟.诏安县城西污水处理厂一期工程污水提升泵房工艺设计简介[J].绿色环保建材,2019(12):75-76.
[7]上海市建设和交通委员会.GB 50014-2006室外排水设计规范(2016年版)[M].北京:中国计划出版社,2016.
[8]徐然,胡斌,黄燕.基于问题导向的高中生物翻转课堂教学设计——以“细胞核——系统的控制中心”为例[J].西部素质教育,2018,4(10):209-210.
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