線上線下混合式實驗教學新嘗試＊

沈春穎，鄧 淇，何士華，張代青，馬江霞

（昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明650500）

“水力學綜合實驗”作為一門獨立的水利類專業基礎課程，實驗教學作為理論與實際相結合的教學活動，不僅可以培養大學生創新意識、創新思維和創新能力，不斷增強學生的科技和身心素質[1-2]，更有助于學生運用水力學專業知識解決基本工程實際問題。由于流動現象的復雜性，僅通過理論教學很難使學生深刻認識流體運動的力學本質，必須通過實驗來加深理解。實驗教學存在著儀器成本高、授課任務重等諸多困難[3]，特別針對2020年的疫情，在學生未返校的情況下如何順利開展水力學實驗更是一大難題，因此改變現有的單純線下教學方式迫在眉睫。

隨著計算機和多媒體技術的快速發展，虛擬仿真技術越來越廣泛地應用于專業實驗的教學上，它對提高教學質量和學生實踐能力以及創新創業能力有著重要影響[4-6]。學生可通過網絡遠程訪問該平臺，不受時間和空間的限制開展虛擬水力學實驗，同時彌補了實驗室在數據處理上的不足，提高了實驗效率[7-8]。

在“水力學綜合實驗”教學中，采用虛擬仿真教學，既可靈活安排實驗預習、實驗操作、思考問題與作業以及實驗原理等教學環節，又可有效培養學生的動手能力、創新能力和團隊意識[9-10]。“水力學綜合實驗”課程教學，既要求學生掌握水力學相關的基本理論和應用技能，更需要培養學生獨立思考問題和解決問題的能力[1，11-13]；“水力學綜合實驗”教學，可以逐漸以學生為主體，使學生在實驗前查閱資料、準備實驗，實驗中觀察操作和實驗后分析總結的全過程中，提高創新能力和綜合素質[14]。

1 “水力學綜合實驗”教學傳統模式概述

“水力學”是研究液體平衡和機械運動規律及其應用的科學，它是水利類專業的重要專業基礎課，也是一門以實驗為基礎的課程。傳統教學模式為理論授課采用講解接受模式，實驗授課采用合作教學模式，考核方式為理論知識考試和實驗報告撰寫，其中的實驗報告撰寫實際就是“水力學綜合實驗”的考核方式，因此，水力學實驗是實現水力學理論與實踐相結合的關鍵環節，對提高學生的實踐與創新能力具有理論教學不可替代的作用[15]。

本學院的“水力學綜合實驗”作為一門專業基礎課程，課時安排為32學時，具有一定的獨立性，目的是注重學生實踐能力的提升。新冠肺炎病毒疫情發生之前，水力學實驗室共開設13個綜合性實驗，均采用傳統模式教學，即由指導教師講解實驗內容及要求，學生分組合作完成實驗。這種“理論為本—教師講解—學生接受”的傳統教學模式，增加了教師的工作量，同時降低了實驗教學的靈活性，限制了學生的專業實踐操作空間，抑制了學生的主動創新能力。

隨著社會經濟的快速發展，特別是知識爆炸、信息裂變年代的來到，“水力學綜合實驗”教學傳統模式已不能適應社會對水利專業人才培養的要求，這種傳統模式存在驗證性實驗數量過多、實驗儀器數量過少、教學方法單一無趣、考核方式過于單一的問題[16]。

在大學階段，實驗教學的目的是使學生通過各個實驗環節的訓練，鞏固理論知識，能提出問題、發現問題，并能通過各種途徑、手段分析及解決問題，提高科研能力。為達到這一目的，實驗教學不僅要“授人以魚”，而且要“授人之漁”，后者更為重要。因此，師生在教學中的關系有點類似于教練與運動員的關系，教師只是對學生起啟發點撥作用，更多的要靠學生自己去理解掌握，發揮創造性思維。

2 新冠肺炎病毒疫情對高校教學傳統模式的影響

2019年末新冠肺炎疫情突然爆發，為了減少人員流動，各行各業延遲復工，而學校是防控重點單位，學生是易感人群且人員密集，各中小學高校延遲開學，為了更好實現“停課不停學、停課不停教”的要求，只能通過網絡線上完成教學任務，而實驗教學需要使用實驗設備，突如其來的困難無法預知且沒有事先預案，給各高校實驗教學帶來嚴峻的挑戰，因此，需要新的方法來完成實驗教學要求和教學任務[18]。

實驗操作儀器：傳統水力學實驗需要使用實驗儀器，疫情期間學生居家隔離不具備完全實驗條件，而水力學實驗涉及大型儀器、貴重儀器等。圖1中線下學生在做水躍實驗。

圖1 線下學生在做水躍實驗

實驗授課方式：進行傳統水力學實驗時，教師在課前要教授給學生如何操作和維護實驗設備、講述實驗原理與實驗方法、講述水力學實驗如何操作以及實驗演示與指導；完成實驗后，教師要評價學生學習的效果。疫情期間學生在家學習上課，傳統的“水力學綜合實驗”教學從面對面轉為線上全新的授課方式[17]。

實驗考查方式：傳統“水力學綜合實驗”課程在線下根據學生的實際操作評價學生是否掌握實驗設備的使用和實驗操作步驟，發現學生做實驗時存在的問題，同樣也可以評價綜合型實驗團隊的團結協作能力。當下學生和教師不能返校，“水力學綜合實驗”課程必須建立新的考核方式和評價體系，需同時考核在疫情環境下學生線上學習效果和返校后的實際操作能力。

3 水力學實驗教學新型模式構建

實驗教學不同于理論教學，是以“學生操作”為主，“教師講授”為輔，如何在線上充分發揮學生的主觀能動性，提高學生實際操作能力，最大限度實現線上和線下實驗教學的同等效果，是實驗教師面臨的巨大挑戰。對于實踐性很強的“水力學綜合實驗”課程來說，如何以線上方式向學生提供貼近真實設備、裝置和實驗環境條件，有效地開展實驗教學；如何考察學生實際的實驗操作能力等方面存在一定的難度，并提出了嚴竣的挑戰。為保證本學期水力學綜合實驗教學任務的完成，教師認真調查研究，精心策劃和制定了網上實踐教學的實施方案和教學計劃。在以往水力學實驗室建設過程中，本校與浙江大學水力學實驗室保持了較好的合作關系，經常互相深入探討如何更好地開展實驗教學，為這次疫情條件下的線上教學打下了良好的基礎。

4 新冠肺炎病毒疫情下水力學實驗教學新型模式實踐

4.1 準備工作

以“雨課堂”為學生考勤工具，以騰訊QQ群為學生聯絡、交流方式，以QQ電話為媒體教學載體，以浙江大學水力學實驗室的優秀仿真實驗系統為平臺。在疫情期間，浙江大學水力學實驗室為電力學院的教師和學生們免費提供了線上仿真水力學實驗網絡教學平臺。該平臺有真實的水力學實驗環境、操作過程、網絡操作提示等內容，特別之處是該實驗平臺系統具有接近真實環境的實驗參數預選設置功能，可以根據需要選定和更改儀器原始狀態的數據，相當于每位學生都有了一臺不同參數的實驗設備，這也是現場實驗做不到的。通過這樣的模式豐富了線上實驗教學的可操作性，最大限度激發了學生學習的主動性和積極性，每位學生必須在線認真聽講，才能順利完成實驗操作，獲取實驗數據。

實驗任課教師根據教學大綱梳理實驗項目、撰寫線上實驗教學方案，并將方案多次與教務處進行溝通，反復論證，做好長期線上教學的充分準備，確保方案的可行性和完整性。

結合本學期水力學A綜合實驗、水力學B綜合實驗線下開設實驗項目進行認真比對，有針對性地從線上平臺上優選了“雷諾實驗”“靜水壓強實驗”“能量方程實驗”“文丘里流量計實驗”“沿程水頭損失實驗”“局部水頭損失”“動量方程實驗”“孔口與管嘴實驗”“流速分布測試實驗”9個線上實驗項目。課前，實驗主講教師熟悉實驗平臺的操作流程和具體方法，為線上開展實驗教學做好了充分準備。

為順利開展線上實驗教學，除了實驗主講教師自己行動在前外，同時讓學生們提前預習和熟悉實驗指導教師編寫的實驗指導書，并參考相關教材進行預習，基本了解網絡實驗操作步驟、記錄、計算及注意事項等內容。

4.2 具體實施

在“水力學綜合實驗”每一節教學課堂上，實驗主講教師圍繞“水力學綜合實驗”課程的教學目標和教學內容，借用線上平臺改進現有教學方法和手段，實現從傳統教學向現代線上教育的轉變，充分利用新的教學模式和現代智慧教學工具。一方面利用“雨課堂”的簽到功能查看學生進入課堂的情況，“雨課堂”也保存了任課教師的講課PPT，學生可在課后回看教師的上課課件，以便在撰寫實驗報告時更好地把握實驗核心內容；另一方面在線上實驗講解過程中，主講教師清晰講解每個實驗的目的、原理、設備、步驟和注意事項，并且靈活穿插介紹了通過實驗測流量、流速的各種儀器以及采用先進儀器的應用所取得的科研成果實例，大大激發了學生學習的興趣。與此同時任課教師通過“雨課堂”隨機抽取學生回答問題以及通過布置思考題來考查學生獨立思考和創新思維意識及對延伸知識的掌握情況。教師線上教學如圖2所示。

圖2 教師線上教學

在學生操作水力學虛擬仿真平臺之前，任課教師通過QQ屏幕分享，清楚地演示了虛擬仿真實驗操作過程以及實驗要求，在實驗教師嫻熟的操作演示和生動的講解下，仿真實驗室平臺上圖文并茂；實驗系統組織結構、流程動畫應有盡有；豐富的可選性仿真實驗項目和與之對照的真實實驗設備錄像視頻同步展現眼前；讓人產生身臨其境的感受，使得實驗課程不泛知識性、趣味性和吸引力。學生在網絡實驗操作及書寫實驗報告有疑問時，任課教師通過QQ為學生一一解答。學生做完實驗后，會在QQ群反饋自己是否完成實驗，任課老師通過學生的反饋可以清楚地了解到實驗的實施情況和學生掌握的程度。目前了解到，學生開展此專業基礎網絡實驗的效果令人滿意。學生操作虛擬仿真平臺如圖3所示。

圖3 學生操作虛擬仿真平臺

4.3 取得的成效

隨著疫情緩解，學生陸續返校，線下設計型實驗也井然有序地開展，利用大型實驗儀器開展的綜合性實驗，如“水躍實驗”“閘孔出流實驗”“水流壓力脈動測試”等，需要學生團結合作完成，從制定設計實驗方案，分析實驗結果，把時域過程轉換成頻域過程的數據處理等內容來豐富水利類學生本專業經典理論知識及基本操作技能，激發學生的認知潛能和創新思維。100%的學生順利按時完成了“水力學綜合實驗”的教學計劃，效果較好。

5 結語

實驗課程的遠程網絡教學實踐本身就是新課題、新教學方式的一種創新性嘗試。在新型實驗教學模式中需高度重視現代網絡技術發展的共享屬性、超前性和智慧性；充分選擇、發揮和有效利用現有的各種優秀網絡教學平臺為教學所用；認真做好教學計劃、實施方案和相關準備工作；認真做好對學生的組織、管理和細致的引導工作；堅持線上、線下兩條腿走路，優勢互補；與時俱進、不拘一格地改革和創新教學手段。

實驗線上教學既是挑戰，同時也是機遇。以此為契機，深入探索實驗教學模式的轉換，促進綜合實驗性虛擬仿真網絡教學與現場教學結合的“常態化”，不斷提升學生專業實踐能力，推動智慧教學與專業實踐教學的深度融合，同時也是一流課程建設努力的方向。