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(duì)聯(lián)合超星平臺(tái)精心打造了《水質(zhì)工程學(xué)Ⅰ》智慧課程,，通過(guò)深度融合人工智能技術(shù),，利用虛擬仿真、智能診斷,、知識(shí)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(jì)難實(shí)踐等痛點(diǎn),，打造了智慧教育新生態(tài),，開(kāi)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(zhuān)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(guò)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(guò)程與工作原理,，掌握工藝過(guò)程與城市水廠(chǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)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(lái)從事本專(zhuān)業(yè)的工程設(shè)計(jì),、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(yè)面
二、智慧教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐：三維驅(qū)動(dòng)重塑學(xué)習(xí)生態(tài)
1．知識(shí)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(shí)圖譜構(gòu)建起涵蓋271個(gè)知識(shí)節(jié)點(diǎn)的三維智慧教學(xué)體系,，以“混凝-沉淀-過(guò)濾-消毒”工藝鏈為主軸,，將97項(xiàng)國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、48類(lèi)處理單元、23種新型技術(shù)有機(jī)串聯(lián),。通過(guò)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(jì)計(jì)算”學(xué)習(xí)視角,，系統(tǒng)掌握從原水特性分析到凈水廠(chǎng)工藝比選的全流程知識(shí),。圖譜特別設(shè)置“技術(shù)迭代軸”，動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)超星資源庫(kù)中126篇前沿論文,、45項(xiàng)專(zhuān)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(shí)圖譜頁(yè)面
圖3.關(guān)聯(lián)資源情況
2．虛實(shí)融合訓(xùn)練：破解工程實(shí)踐難題
針對(duì)水處理構(gòu)筑物認(rèn)知困難,，課程開(kāi)發(fā)了線(xiàn)上工藝仿真實(shí)驗(yàn)室：高度還原混凝沉淀實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和互動(dòng)環(huán)節(jié)，以3D微觀動(dòng)畫(huà)形式解析混凝機(jī)理,，促使“理論,、實(shí)踐”教學(xué)巧妙融合。
圖4.水處理混凝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)
3．思政-專(zhuān)業(yè)融合：培育新時(shí)代治水人才
針對(duì)我國(guó)飲用水水資源短缺的現(xiàn)狀,，課程設(shè)計(jì)上融入習(xí)近平總書(shū)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(xiàn)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(guó)特色社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)實(shí)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(guò)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(xiàng)目造福民生的工程師定位，體現(xiàn)給水處理工程項(xiàng)目公益性的特點(diǎn),。
三,、課程設(shè)計(jì)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(guò)程中,，系統(tǒng)根據(jù)知識(shí)圖譜掌握度自動(dòng)生成“專(zhuān)屬學(xué)習(xí)地圖”（圖5-6），實(shí)時(shí)跟蹤學(xué)習(xí)進(jìn)度,，分析學(xué)習(xí)薄弱點(diǎn),，提供針對(duì)性的提升建議。例如,，對(duì)于混凝動(dòng)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(chǎng)運(yùn)行案例等差異化學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)“千人千面”的教學(xué)適配,。
圖5.學(xué)生專(zhuān)屬學(xué)習(xí)地圖
圖6.學(xué)生畫(huà)像
2. 基于話(huà)題討論的強(qiáng)互動(dòng)學(xué)習(xí)模式
打破“老師講,，學(xué)生聽(tīng)”的單向知識(shí)傳授模式，將學(xué)生置于學(xué)習(xí)的中心,，讓他們?cè)谟懻撝兄鲃?dòng)探索知識(shí),，掌握知識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維,、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力,，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和內(nèi)在動(dòng)力（圖7）。
圖7.話(huà)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(guò)識(shí)別教師導(dǎo)入的課程教學(xué)大綱或書(shū)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(kù)自動(dòng)梳理相關(guān)知識(shí)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(jì)
圖9.AI輔助出題
- 精準(zhǔn)教學(xué)統(tǒng)計(jì)：通過(guò)數(shù)據(jù)可視化展示班級(jí)整體的學(xué)習(xí)進(jìn)度,、知識(shí)完成與掌握情況、知識(shí)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(jì)劃和教學(xué)方法；對(duì)比不同班級(jí)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(gè)班級(jí)的課程進(jìn)度，協(xié)助調(diào)整教學(xué)安排（圖10）,。
圖10.班級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)比
- 全程學(xué)習(xí)輔導(dǎo)：訓(xùn)練專(zhuān)屬的AI助教,，實(shí)現(xiàn)課程相關(guān)的智能問(wèn)答、資源推送,，為學(xué)生提供24小時(shí)隨時(shí)隨地的輔導(dǎo)（圖11）,。自動(dòng)鏈接《水泵與泵站》《給水管網(wǎng)》等關(guān)聯(lián)課程知識(shí)點(diǎn)，方便學(xué)生對(duì)課程知識(shí)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行搜索與拓展,，構(gòu)建專(zhuān)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(kāi)啟水業(yè)教育新篇章
未來(lái)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(tái)
2. 開(kāi)發(fā)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)：基于大模型的個(gè)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(shí)驗(yàn)-虛擬仿真-真實(shí)項(xiàng)目”三級(jí)實(shí)踐體系：
- 基礎(chǔ)層：配置在線(xiàn)水質(zhì)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)箱,，支持學(xué)生遠(yuǎn)程開(kāi)展?jié)岫取H值等12項(xiàng)基礎(chǔ)檢測(cè)
- 提升層：通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建大灣區(qū)典型水廠(chǎng)模型,，支持學(xué)生開(kāi)展工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)
- 實(shí)戰(zhàn)層：與廣州水投集團(tuán)共建“智慧水務(wù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”,，學(xué)生直接參與次氯酸鈉投加系統(tǒng)智能改造等真實(shí)項(xiàng)目
結(jié)語(yǔ)
《水質(zhì)工程學(xué)Ⅰ》智慧課程的創(chuàng)新實(shí)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(guò)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(shí)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。
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