自主项目与成果答辩：污水厂曝气优化是否真正减排
老师提出一个研究目标，学生能否自己决定需要学什么、怎样完成，并证明最终结论可信？ 本例让学生个人用十二周回答一个问题：污水厂降低曝气强度，在什么条件下能够实现净减排，同时保持要求的出水表现？老师提供研究起点和成果要求，学生与 Agent 自主规划研究，最后提交成果并参加答辩。
曝气为生物处理提供氧气，也消耗电能。改变溶解氧（DO）控制会影响用电和处理过程；判断气候收益还需要考虑氧化亚氮（N₂O）等排放。已有研究把曝气节能与 N₂O 排放之间的权衡作为具体研究问题。研究示例：Water Research，2022。
本项目要面对几个相互牵连的问题：观察到节电，能否归因于运行策略？计入 N₂O 后，结论会不会改变？监测只覆盖部分日期，结论能推广到哪些工况？ 学生需要阅读文献、作出方法选择、处理不确定性，并为这些选择提供依据。十二周只是本例安排，老师也可以设计半个学期、一个学期或其他时长的项目。
设计原则：自主决定怎样研究，对最终成果作出解释和验证
Section titled “设计原则：自主决定怎样研究，对最终成果作出解释和验证”学生有权决定自己的学习路径，也需要判断自己还缺什么。 老师说明研究要回应的问题和最终成果，学生自行确定具体研究范围、方法与学习安排。有人从文献中的机理解释开始，有人先分析运行数据，也有人尝试模型后发现现有资料不足，转而修改研究方案。界定问题、选择方法和调整计划，都是研究中需要形成的能力。
让完成研究和证明成果可信，成为学习的理由。 AI 可以帮助检索、阅读、编程、分析和起草。学生准备答辩时，需要弄清楚所采用的方法为什么适用，关键结果怎样验证，其他解释是否得到处理。老师从项目开始就说明这些要求，学生便有理由把补充知识、核查文献和检验结果纳入自己的安排。
答辩围绕成果中真正影响结论的判断展开。 老师可以追问一个参数的来源、一种比较是否公平、一项验证能排除什么解释，也可以改变假设，请学生说明建议是否需要调整。研究的价值可以体现在一个得到支持的结论，也可以体现在清楚识别了现有证据不能回答什么，并提出有辨别力的下一步研究。
教师可以提供支持，学生仍然可以自主推进。 老师可以只安排最终提交和答辩，也可以增加少量中期交流或阶段考核，提前发现研究停滞、问题过大或方法不适用。节点围绕学生已有成果和困难展开，研究路线仍由学生决定。
最终需要与老师交流、回应追问，使学生在项目中有理由主动补充知识、核查 AI 的输出，并弄清结论成立的条件。这体现了用真实的人际交流引导 AI 协作的设计原则：未来的答辩为当下的自主学习提供方向。
本例面向已学过生物脱氮和基础统计、能够使用一种数据分析工具的学生。厂站、运行与监测数据、人物及对话均为教学虚构；文献和核算参数来源为真实资料。
1. 老师准备的文件
Section titled “1. 老师准备的文件”某污水处理运营方在 P01、P02 两座厂试行低 DO 运行，P03 保持原有运行方式。运营方希望知道：是否值得推广，在什么工况下可以采用，还需要哪些验证？老师提供三座厂两年的运行数据、部分日期的 N₂O 监测估计、运行变更记录和文献起点。
这份两页 Word 文件写明研究目标、成果要求、运行目标与答辩安排。学生自主界定具体问题、选择方法，老师没有指定统一算法或逐周学习内容。
下载配套研究数据（ZIP）：包含日运行数据、监测估计、事件记录、参数与完整字段说明。全部厂站数据为合成教学数据，不是实际污水厂记录或经校准的过程模拟结果。
| 老师提供什么 | 留给学生研究的判断 |
|---|---|
| 三座厂两年的流量、水温、进出水指标、DO、曝气用电和外加碳源记录 | 怎样选择比较对象与工况，区分策略影响和进水、水温等变化？ |
| 部分日期的 24 小时 N₂O 排放估计、监测选择原因及测量敏感性范围 | 监测日能代表什么？测量和外推误差怎样影响结论？ |
| 试点开始日期，以及 P01 同期更换鼓风机的记录 | 节电能否单独归因于降低 DO？另一座厂是否适合作对照？ |
| 出水目标、核算参数和文献起点 | 采用什么核算边界、验证办法，提出什么程度的运行建议？ |
本例把“至少 95% 的有效日同时满足氨氮不高于 3 mg/L、总氮不高于 12 mg/L”设为课程内部运行目标，并非引用法定排放标准。购电因子采用情境假设；N₂O 的 GWP100 参数参照 IPCC AR6 表 7.15，核算口径可从 IPCC 废水处理与排放章节开始了解。学生还需要自主检索相关研究、阅读原文并判断适用条件。
最终提交一份研究报告和支撑它的可复现材料，包括数据处理、代码或模型、验证结果及来源说明。学生可以提出有条件的推广建议，也可以论证现有证据不足以支持推广，进一步设计能够解决关键疑问的验证研究。
2. 老师发送给 Agent 的完整要求
Section titled “2. 老师发送给 Agent 的完整要求”老师附上项目说明和研究数据，说明希望学生承担哪些研究判断。Agent 帮助整理任务；学生进入项目后，再与自己的 Agent 决定怎样学习和研究。
可先修改，再复制到你使用的 Agent 中发送。此处不会调用 AI。
老师核对时，重点看：任务是否给出了清楚的研究目标，也留下了真正需要学生选择和论证的空间。 可以对最终成果提出严格要求，同时允许学生采用不同方法、调整问题范围，形成不同结论。
3. 学生怎样自主推进，怎样完成答辩
Section titled “3. 学生怎样自主推进，怎样完成答辩”下面是小林在十二周中的几个研究片段。他有基础编程和统计经验，但没有独立研究过 N₂O 排放，也不熟悉怎样从非随机运行记录中判断策略效果。其他学生可以提出不同研究方案。
学生先判断这个问题需要什么知识，以及现有材料能支持什么研究。
可先修改，再复制到你使用的 Agent 中发送。此处不会调用 AI。
运行记录可以支持工况比较，但试点非随机、存在同期设备变更，N₂O 监测也不是均匀抽样。你需要研究比较对象、其他可能原因和监测代表性。 过程模型可以帮助解释假设，但现有资料缺少部分工艺参数和小时级变化。若从文献采用参数，需要说明它们能否用于这三座厂，以及怎样检验模型。先读论文的方法、数据和验证部分，再决定能完成到什么程度。
小林阅读论文后，把问题缩小到“在有运行和监测资料支持的工况内，试点的节电收益能否抵消 N₂O 变化带来的影响”。他决定先开展运行记录分析，并学习如何评价非随机试点、处理测量不确定性；暂时不建立需要大量未知参数的过程模型。
这个范围由学生根据研究需要和资料条件形成。 另一位学生也可以选择复现某篇公开研究的模型，在明确参数来源与验证条件后研究不同情境。
初步结果让学生发现，原先选的方法回答不了自己想问的问题。 小林让 Agent 画出试点前后的曝气用电，准备把下降部分归因于降低 DO。查看事件记录时，他发现 P01 在同一天更换了鼓风机。
可先修改，再复制到你使用的 Agent 中发送。此处不会调用 AI。
控制水温和负荷不能让同一天发生的两项改变自动分开。在 P01 这份记录中，低 DO 与换风机同时开始，仅靠两个同步变化的标记，无法分别估计各自作用。你可以研究这组联合措施，也可以另找能够区分两者的证据。 P02 没有同样的换机记录，但仍需检查其他变化。P03 是否适合作对照，也要看试点前的变化关系与工况覆盖；不能因为它没有试点，就认为它代表另外两座厂“不做试点会怎样”。
小林修改了研究问题：P01 只讨论联合措施，P02 单独分析，并用不同工况范围检查比较结果。他让 Agent 帮助实现筛选和模型，自己回看入选样本、方法假设与结论范围。
随后，他发现部分 N₂O 监测是因为出水氨氮偏高而追加的。
可先修改，再复制到你使用的 Agent 中发送。此处不会调用 AI。
学生因此开始学习样本选择和外推问题。文献、统计方法和过程知识，都由正在遇到的研究困难引出。学生可以带着当前图表向老师求助，继续调整自己的研究范围。
有了模型和结果，学生还需要建立相信它们的理由。 小林用 Agent 编写监测日分析和情境计算，再检查代码、验证方式及核算单位。
可先修改，再复制到你使用的 Agent 中发送。此处不会调用 AI。
小林发现，一张验证图只能说明模型对留出监测日的预测情况，不能证明未监测工况下也可靠，更不能单独证明降低 DO 导致了排放变化。他补充比较定期与追加监测、不同工况范围下的结果，并在报告中保留无法识别的影响。
他还做了一个用于检查核算逻辑的假设情境：若每处理 1 m³ 水节电 0.06 kWh，购电因子为 0.55 kg CO₂e/kWh，那么节电对应 0.033 kg CO₂e/m³。N₂O-N 换为 N₂O 需乘 44/28，再按 GWP100 为 273 换算为 CO₂e。在只计这两项的边界内，新增约 0.077 g N₂O-N/m³ 就足以抵消这项节电收益。
这些数值用于演示阈值计算，并非数据包的拟合结果。它帮助学生检查：自己的研究到底需要把排放变化估计到什么程度，建议又对哪些参数特别敏感。
| 假设新增 N₂O-N | 对应新增排放 | 扣除新增排放后的节电收益 |
|---|---|---|
| 0.04 g/m³ | 0.0172 kg CO₂e/m³ | 约 0.0158 kg CO₂e/m³，仍有收益 |
| 0.12 g/m³ | 0.0515 kg CO₂e/m³ | 约 −0.0185 kg CO₂e/m³，收益被抵消 |
两个情境都“节电”，但在所选边界内会得到不同的气候判断。小林据此把研究建议写成条件式结论，并说明外加碳源等尚未核算的影响。
研究成果中的论证示意：P01 的结果描述低 DO 与换机的联合措施，不能拆成 DO 的单独效果。对 P02，只在资料覆盖且满足本项目出水目标的工况内讨论；若 N₂O 变化的不确定范围跨过抵消节电收益的阈值，就暂不作出稳定净减排的判断。需要优先补充的监测，是可能改变运行建议的那些工况。
建议范围：本次首先核查曝气用电与生物处理段 N₂O。外加碳源用量已经发生变化，其生产排放仍需补充；现有局部核算不能直接作为全厂推广依据。
最终成果由研究报告、可运行分析、文献与参数来源、验证结果及补充研究设计组成。学生说明自己的证据支持到哪里，并正式提交供老师答辩时核查。
老师追问的是研究结论为什么成立，以及其他解释是否得到处理。 学生可以打开论文、数据和代码，也可以请 Agent 协助现场检查。
- 老师
- 你原来要研究降低 DO 的效果，为什么最终把 P01 写成联合措施？
- 小林
- 降低 DO 和更换鼓风机同一天发生，数据里没有其中一个改变、另一个不变的时段。加上水温、负荷变量也不能把两者分开。我修改了研究问题，保留联合效果；如果要识别 DO 单独作用，需要独立切换的运行记录或其他可比较证据。
- 老师
- 你有两年运行数据，为什么不直接给出两年的 N2O 总量变化？
- 小林
- N2O 只有部分监测日，且高氨氮时追加过监测。日运行数据多不等于独立排放观测多。我展示了监测覆盖范围，分别检查定期和追加样本。年度外推还需要模型和代表性假设，不能把监测均值直接乘天数。
- 老师
- 模型在留出样本上表现不错，为什么仍然不能证明策略有效？
- 小林
- 它支持对这些监测工况的预测能力。因果判断还涉及试点如何选择、有无同期变化，以及没有试点时本来会怎样。预测误差低不能替代这些依据，所以我没有把预测结果都解释成策略效果。
- 老师
- 你给出的不确定范围是什么含义？
- 小林
- 监测文件上下端点是敏感性假设，不是统计置信区间。我分别展示测量批次偏差、电网因子情境和模型估计的不确定性，并检查结论在什么组合下改变，没有把它们混成一个看似精确的区间。
老师进一步改变一个关键条件，让学生现场检查自己的建议。
- 老师
- 如果购电因子从 0.55 降到 0.25，假设情境中允许增加的 N2O 还是同一个阈值吗？
- 小林
- 不是。相同节电量对应的避免排放变少，抵消收益所需的 N2O 增量也会变小。我先重新核对计算，再看原来的建议还成立到什么范围。
可先修改，再复制到你使用的 Agent 中发送。此处不会调用 AI。
两项边界下，避免的排放分别为 0.033 和 0.015 kg CO₂e/m³。除以 273 和 44/28，再由 kg 换为 g，新增 N₂O-N 阈值约为 0.077 和 0.035 g/m³。 电网因子较低时，相同的 N₂O 增量更容易抵消节电收益。这个计算还未包括外加碳源生产、污泥、CH₄、受纳水体及其他环节的变化。
- 小林
- 换算方向正确，较低因子下阈值约降到 0.035 g。原来 0.04 g 的假设情境还能保留一些收益，现在已经不能。因此，低碳电力条件下不能沿用同一推荐；还要计入外加碳源变化，并检查出水目标。
- 老师
- 如果只能增加一轮监测，你会优先解决什么？
- 小林
- 我会先看哪个工况的不确定范围跨过了决策阈值，又有可能满足出水目标。针对那里设计重复的策略切换或可比较观测，记录水温和负荷，监测完整运行周期，并留出适应期。这样得到的证据才可能改变是否采用的建议。具体安排还需要运行方确认可行性。
学生需要支撑的，已经包括研究问题、方法选择、比较依据、模型验证和结论范围。AI 可以完成大量技术工作，学生仍然要把这些工作组织成经得起追问的论证。
4. 怎样把这个模式用到自己的课程中
Section titled “4. 怎样把这个模式用到自己的课程中”选一个需要研究判断的项目，把最终目标说清楚
Section titled “选一个需要研究判断的项目，把最终目标说清楚”研究项目可以围绕一个机制解释、方法比较、设计决策或现有结论的适用范围展开。例如，机器学习课可以研究某种方法在新数据条件下是否仍有效；材料课可以研究性能变化是否支持提出的机制；公共政策课可以研究观察到的变化能否归因于某项措施。
老师确定需要回答的问题与成果要求，把具体方法留给学生。项目中应当有需要查文献、选择证据、比较解释或检验假设的地方，让学生有理由对自己和 AI 得到的结果继续追问。
提供能够开始研究的材料，让学生判断还缺什么
Section titled “提供能够开始研究的材料，让学生判断还缺什么”可以提供一组运行或实验数据、一篇待复现的论文、一个已有系统，以及必要的背景和资源。根据学生已有基础和可投入时间确定规模，允许学生合理缩小研究范围、补充资料或调整方法。
学生采用复杂模型时，老师可以请他说明复杂性解决了什么问题；选择简单方法时，也可以请他说明它能够支持什么结论。学习计划随着研究困难变化，教师按实际问题提供支持。
提前说明怎样证明成果可信，答辩时追问关键判断
Section titled “提前说明怎样证明成果可信，答辩时追问关键判断”成果要求可以明确：方法选择要有依据，关键结果要能复现，验证需要回应主要疑问，结论要说明适用条件。不同课程可以采用复现实验、对照比较、模型检验、原始文献或其他适合的证据。
答辩从学生自己的成果出发，追问哪一步最影响结论、还有什么竞争解释、什么证据会改变判断。学生能否解释为什么相信结果，比能否复述一套操作流程更能回应这个项目的学习目标。
需要中间节点时，围绕已有研究提供指导
Section titled “需要中间节点时，围绕已有研究提供指导”如果担心问题过大或方法走不通，可以安排少量中期交流或阶段考核，请学生展示已经形成的研究问题、初步结果和主要困难。老师据此帮助学生判断范围是否可行、证据是否足够、下一步是否值得投入。
节点提前说明用途和要求，可以了解不同学生各自的进度。最终目标清楚、研究要求严格，与学生自主选择学习和研究路径可以同时成立。