伴隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，高等教育也在加速邁進(jìn)智慧教育階段。在“智慧教育元年”背景下，土木與交通工程學(xué)院榮宏偉與趙美花教師團(tuán)隊聯(lián)合超星平臺精心打造了《水質(zhì)工程學(xué)Ⅰ》智慧課程，通過深度融合人工智能技術(shù)，利用虛擬仿真、智能診斷、知識圖譜等創(chuàng)新手段，破解傳統(tǒng)教學(xué)中的技術(shù)抽象難理解、工藝設(shè)計難實踐等痛點(diǎn)，打造了智慧教育新生態(tài)，開啟了智慧課堂新篇章。
一、課程介紹
《水質(zhì)工程學(xué)Ⅰ》是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的主干課程之一，主要介紹以給水處理為主的物理、化學(xué)等處理技術(shù)。通過該課程的學(xué)習(xí)學(xué)生可以系統(tǒng)地了解水的性質(zhì)、水質(zhì)特征與水質(zhì)指標(biāo)等概念，掌握給水凈化方法的基本概念和基本理論，熟悉給水處理構(gòu)筑物的工藝過程與工作原理，掌握工藝過程與城市水廠的設(shè)計計算方法、技術(shù)規(guī)范，能夠選擇合理的給水處理工藝方案，并能進(jìn)行方案優(yōu)化比選，為將來從事本專業(yè)的工程設(shè)計、科學(xué)研究及運(yùn)行管理工作等奠定必要的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。
圖1.《水質(zhì)工程學(xué)Ⅰ》課程頁面
二、智慧教學(xué)創(chuàng)新實踐：三維驅(qū)動重塑學(xué)習(xí)生態(tài)
1．知識圖譜導(dǎo)航：構(gòu)建水處理認(rèn)知坐標(biāo)系
《水質(zhì)工程學(xué)Ⅰ》知識圖譜構(gòu)建起涵蓋271個知識節(jié)點(diǎn)的三維智慧教學(xué)體系，以“混凝-沉淀-過濾-消毒”工藝鏈為主軸，將97項國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、48類處理單元、23種新型技術(shù)有機(jī)串聯(lián)。通過三維可視化界面，學(xué)生可自由切換“工藝原理-設(shè)備結(jié)構(gòu)-設(shè)計計算”學(xué)習(xí)視角，系統(tǒng)掌握從原水特性分析到凈水廠工藝比選的全流程知識。圖譜特別設(shè)置“技術(shù)迭代軸”，動態(tài)關(guān)聯(lián)超星資源庫中126篇前沿論文、45項專利技術(shù)，確保教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)技術(shù)發(fā)展同步更新。
圖2.課程知識圖譜頁面
圖3.關(guān)聯(lián)資源情況
2．虛實融合訓(xùn)練：破解工程實踐難題
針對水處理構(gòu)筑物認(rèn)知困難，課程開發(fā)了線上工藝仿真實驗室：高度還原混凝沉淀實驗的實驗環(huán)境、實驗過程和互動環(huán)節(jié)，以3D微觀動畫形式解析混凝機(jī)理，促使“理論、實踐”教學(xué)巧妙融合。
圖4.水處理混凝過程虛擬仿真實驗
3．思政-專業(yè)融合：培育新時代治水人才
針對我國飲用水水資源短缺的現(xiàn)狀，課程設(shè)計上融入習(xí)近平總書記提出的“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，構(gòu)建“技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)+職業(yè)使命+生態(tài)倫理”三主線思政體系：
- 生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)的發(fā)展遵循著中國特色社會主義市場經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)共同富裕的目標(biāo)，剖析技術(shù)迭代背后的民生關(guān)懷；
- 通過粵港澳大灣區(qū)水源保護(hù)案例研討，踐行綠水青山就是金山銀山的理念，培養(yǎng)學(xué)生“守護(hù)生命之源”的職業(yè)使命感；
- 以城市給水處理工程發(fā)展中的一些經(jīng)典工程為背景，幫助學(xué)生感悟給水處理工程項目造福民生的工程師定位，體現(xiàn)給水處理工程項目公益性的特點(diǎn)。
三、課程設(shè)計理念創(chuàng)新：三位一體育人新范式
1. 以學(xué)生為中心的教育革新
突破傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)桎梏，構(gòu)建“學(xué)習(xí)軌跡跟蹤-智能診斷-精準(zhǔn)干預(yù)”的閉環(huán)系統(tǒng)。在學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程中，系統(tǒng)根據(jù)知識圖譜掌握度自動生成“專屬學(xué)習(xí)地圖”（圖5-6），實時跟蹤學(xué)習(xí)進(jìn)度，分析學(xué)習(xí)薄弱點(diǎn)，提供針對性的提升建議。例如，對于混凝動力學(xué)等難點(diǎn)模塊，AI系統(tǒng)智能推送清華大學(xué)許保玖院士的經(jīng)典論文解讀、珠三角水廠運(yùn)行案例等差異化學(xué)習(xí)資源，實現(xiàn)“千人千面”的教學(xué)適配。
圖5.學(xué)生專屬學(xué)習(xí)地圖
圖6.學(xué)生畫像
2. 基于話題討論的強(qiáng)互動學(xué)習(xí)模式
打破“老師講，學(xué)生聽”的單向知識傳授模式，將學(xué)生置于學(xué)習(xí)的中心，讓他們在討論中主動探索知識，掌握知識；培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、團(tuán)隊協(xié)作和溝通能力，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和內(nèi)在動力（圖7）。
圖7.話題討論模式
3. AI賦能的智慧教育生態(tài)
- 智能教輔系統(tǒng)：通過識別教師導(dǎo)入的課程教學(xué)大綱或書籍教材文件，快速生成高質(zhì)量的教學(xué)內(nèi)容（圖8）；根據(jù)課程資料庫自動梳理相關(guān)知識點(diǎn)，按照題型要求生成課程練習(xí)題（圖9）。
圖8.AI輔助教案設(shè)計
圖9.AI輔助出題
- 精準(zhǔn)教學(xué)統(tǒng)計：通過數(shù)據(jù)可視化展示班級整體的學(xué)習(xí)進(jìn)度、知識完成與掌握情況、知識熱度，幫助教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，調(diào)整教學(xué)計劃和教學(xué)方法；對比不同班級的學(xué)習(xí)情況，包括任務(wù)完成率和課程掌握率等指標(biāo)，了解每個班級的課程進(jìn)度，協(xié)助調(diào)整教學(xué)安排（圖10）。
圖10.班級數(shù)據(jù)對比
- 全程學(xué)習(xí)輔導(dǎo)：訓(xùn)練專屬的AI助教，實現(xiàn)課程相關(guān)的智能問答、資源推送，為學(xué)生提供24小時隨時隨地的輔導(dǎo)（圖11）。自動鏈接《水泵與泵站》《給水管網(wǎng)》等關(guān)聯(lián)課程知識點(diǎn)，方便學(xué)生對課程知識相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行搜索與拓展，構(gòu)建專業(yè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（圖12）。
圖11.AI助手答疑
圖12.AI助手推薦資源
四、持續(xù)深化智慧賦能，開啟水業(yè)教育新篇章
未來課程建設(shè)將聚焦三大方向：
1. 構(gòu)建跨校虛擬教研室：聯(lián)合粵港澳高校打造水處理工藝案例共享平臺
2. 開發(fā)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)：基于大模型的個性化學(xué)習(xí)路徑推薦精度提升至92%
3. 拓展產(chǎn)教融合維度：構(gòu)建“基礎(chǔ)實驗-虛擬仿真-真實項目”三級實踐體系：
- 基礎(chǔ)層：配置在線水質(zhì)檢測實驗箱，支持學(xué)生遠(yuǎn)程開展?jié)岫?、PH值等12項基礎(chǔ)檢測
- 提升層：通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建大灣區(qū)典型水廠模型，支持學(xué)生開展工藝參數(shù)優(yōu)化實驗
- 實戰(zhàn)層：與廣州水投集團(tuán)共建“智慧水務(wù)聯(lián)合實驗室”，學(xué)生直接參與次氯酸鈉投加系統(tǒng)智能改造等真實項目
結(jié)語
《水質(zhì)工程學(xué)Ⅰ》智慧課程的創(chuàng)新實踐，標(biāo)志著廣州大學(xué)在工程教育數(shù)字化改革中邁出了關(guān)鍵一步。通過將AI技術(shù)深度植入水處理人才培養(yǎng)全鏈條，我們致力于培育兼具工程思維與數(shù)字素養(yǎng)的新時代治水人才，為粵港澳大灣區(qū)水務(wù)行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型提供強(qiáng)有力的人才支撐。
歡迎關(guān)注【廣大教務(wù)】公眾號，獲取更多課程創(chuàng)新動態(tài)。
ENGLISH
郵編：510006 
郵箱：
通訊地址：廣州市大學(xué)城外環(huán)西路230號
