常態化疫情防控下水力學實驗課程教學改革

程娜，奚斌，唐雙成

（揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州 225009）

實驗教學是高等院校教學環節中必不可缺的部分，它是學生對理論教學進一步認識和鞏固的關鍵環節，與理論教學相輔相成、缺一不可。在現今的工程教育標準中，在對學生畢業時具備的素質中明確提出了“以學生為中心，全過程培養學生解決復雜工程問題的能力”的高要求[1]。眾所周知，解決復雜工程問題的能力需要輔助實驗教學、工程實踐和社會實踐培養三個方面，排在第一位的就是實驗教學，可見實驗教學的重要性。國務院及時啟動了高校教學應急預案，2020年春季學期均延遲開學，但要求停課不停學，隨即線上教學全面展開[2]。在疫情常態化防控下，學生不能像以前一樣正常進入實驗室，實踐性較強的實驗教學環節該如何有序高效地開展呢？

本文以水力學課程實驗為例，該課程屬于專業基礎課程，涉及水利工程、港口與航道工程、農業水利工程、水文與水資源工程、給排水工程、環境工程、土木工程、能源動力工程等多個學科多個專業。本文針對此類專業基礎課程的實驗特點、實驗內容、實驗方法、實驗要求等特征，剖析常態化疫情防控背景下實驗教學的困局，探索專業基礎實驗教學如何分類逐步由線下轉到線上進行線上開展教學改革方案。

一、常態化疫情防控下專業實驗教學的困局

（一）專業基礎實驗的特點

實驗教學和理論教學是一個有機整體，不可分割，實驗課程可以輔助學生對理論知識進行再次理解和鞏固[3]。水力學作為專業基礎課程和基礎課程到專業課程的過渡課程，其內容較為抽象也比較重要，它是專業課程的基礎，如果理解掌握不清楚將會直接影響到學生后續的專業課程學習。所以，學生必須及時輔助實驗課程進行相關概念公式的理解和掌握，同時通過實驗操作提高動手能力，以達到理論聯系實際解決實際問題的能力要求[4]。另外，專業基礎實驗課涵蓋的專業、班級多，但是一般為了資源的有效利用，通常專業基礎實驗課的實驗室只設置在一個二級學院，用于承擔全校相關專業實驗的教學任務，所以相關專業實驗室承擔的教學學時多，教學任務重。

（二）常態化疫情防控下專業基礎實驗教學的困局

實驗教學的目的是以直觀、明了、生動的教學方式激發學生的興趣以及加深學生對有關學習內容的理解，加強學生對相關知識的記憶，是理論課程的延續和輔助，可以充分調動學生的學習積極性，使學生主動參與到課程的學習過程中去。但是在常態化疫情防控下，水力學課程的理論教學部分也在線上開展，但其對應的實驗教學環節卻無法緊跟教學計劃進行。實驗課沒有完成，進校后需要補做，由于實驗室有限，只能先補做，這樣又影響了秋季學期的實驗課程按計劃開展。即使各高校能正常教學，但是由于實驗室面積設備等有限，為滿足防疫要求，進入實驗室學生不可聚集，所以實驗過程中要盡可能將小組人數減少，然而實驗人數減少學時就會增加，同時滿足多個班級同一時間節點準時完成一項實驗就變得更困難。

二、常態化疫情防控下專業課程實驗教學的改革與實踐

在常態化疫情防控背景下，專業實驗課必須根據實驗課程的內容、實驗的目的、實驗的要求，利用教學資源和網絡技術，結合當前實際將實驗教學逐步轉到線上，以達到實驗課程設置的目的。

水力學課程的實驗項目按照內容分為演示類實驗、驗證類實驗、綜合設計類實驗。其中，演示類實驗的目的主要是演示學生不容易理解的概念，調動學生的學習興趣；驗證類實驗的主要目的是在結論明確的前提下，學生通過觀察和實驗數據的采集計算，驗證某個理論公式、促進知識理解和鞏固、培養操作技能和數據處理方法；綜合設計類實驗知識點較為集中，是在實驗目的明確的基礎上進行實驗原理的學習，然后設計實驗方案和實驗裝置，使學生發揮主觀能動性，提高學生的創新能力。根據實驗目的可知，前兩類實驗時效性要求高，需要緊隨理論課程進度進行，演示實驗可完全采用線上教學，驗證類實驗可與線上線下相結合的教學方法及時開展；綜合設計類實驗需要在完成全部理論課程內容后集中線下開展。所以，根據實驗內容和實驗目的要求，水力學實驗教學進行如下改革，如圖1。

圖1 水力學實驗教學改革方案

（一）演示類實驗實時線上教學

演示類實驗包括：靜壓傳遞揚水演示實驗、流線演示實驗、水擊現象演示實驗、水流流動形態及繞流現象演示實驗、水面線演示實驗、虹吸原理演示實驗等。對于這一部分的實驗可以完全采用視頻方式線上開展教學，及時地演示給學生，以便調動起學生的興趣。為了給學生展現真實的實驗狀態，所以采用實景錄制，實景錄制相較虛擬仿真或動畫，對于學生來講更加真實直觀、更容易理解。同時要在演示實驗的展示過程中有整體、有局部、有細節的錄制講解，以水擊現象演示實驗為例，如圖2，圖a為實驗裝置的整體畫面，學生可以了解實驗裝置；圖b是局部細節變化，放大細節觀察；圖c是細節操作，改變實驗工況；圖d是工況改變后的細節變化。將這一部分演示實驗轉到線上教學，不僅能及時為學生展示并解答理論知識中較為抽象的水擊現象，而且整個錄制過程細節展示到位，站在靠后的學生看不清楚和聽不清楚的問題也解決了。

圖2 水擊現象演示實驗

（二）驗證類實驗線上線下相結合

根據驗證類實驗的目的，一方面驗證類實驗需要根據理論課程進度及時開展，另一方面該類實驗是學生初次接觸的專業實驗，該類實驗是本門課程的一個科學的實驗思維模式，能幫助學生掌握實驗操作技能和實驗數據處理方法，屬于操作類實驗。操作類實驗最終要落腳在“操作”上，所以此類實驗建議以線上線下相結合的方式進行。

為展現真實實驗現象和實驗場景，教師需要提前進到實驗室實景錄制實驗視頻。在線上授課前，教師要提前通知學生預習了解實驗目的，在課堂上結合實驗實景錄制的視頻邊播放邊講解。在這個過程中，教師結合實驗儀器，講解實驗原理，根據實驗原理讓學生思考實驗步驟，以及每步操作的目的和實驗注意事項，讓學生充分理解并掌握實驗原理、實驗操作步驟、實驗注意事項等內容。以伯努利方程實驗為例，如圖3，圖a展示了伯努利方程實驗裝置的整體情況，圖b、c展示了實驗裝置的細節和實驗過程中應該注意到的事項，圖d是具體實驗操作。教師要在實驗視頻中，把完整的操作步驟、注意的細節以及注意事項精確地展示給學生，同時將實驗現象和實驗數據的一部分展示給學生，以便暫時進行實驗原理的理解和數據的處理。

線下實踐動手操作部分，由于學生們已經反復觀看視頻，有了前期的學習，學生可就不同工況典型獲取少量實驗數據即可，例如靜水總壓力試驗、靜水壓強實驗、流量測量實驗等，這樣可以解決實驗室容納不足導致時間安排困難的問題。以筆者所在院校的情況來看，減少了實驗教學的一大部分時間，便可以安排學生有序分組進入實驗室進行實驗操作。

線上線下結合教學能夠保證學生在相關理論知識完成后，第一時間通過實驗現象和實驗數據加深對理論知識的理解，同時后期的實際操作會再次加深學生的直觀理解，體現出實驗的操作性質。

（三）綜合設計類實驗集中線下教學

綜合設計類實驗一般在課程或者章節的末尾，相關所有演示和驗證類實驗已全部完成，由于前兩類實驗已在線上完成了大部分，留有更多的學時給學生在線下進行該部分實驗。該類實驗一般以小組為單位進行，在進實驗室之前，教師提前完成分組工作，線上布置實驗任務，小組接到任務后搜索資料、查閱文獻、提交實驗初步方案，在老師審核把關沒有問題后方可進入實驗室。為更好地配合防疫工作，保證學生進入實驗室后不出現扎堆等現象，要將實驗室的開放時間增加，甚至完全開放實驗。學生們以小組為單位，提前預約進入實驗室進行實驗，既滿足疫情防控要求，又保證了實驗的完成。

三、線上實驗教學平臺的選擇

線上教學的優勢對于實驗課程很明顯，一方面，教師能及時根據理論課進度開展相關實驗教學，以演示實驗為例，可在理論課中間穿插進行，另外學生也可以隨時回看再學習；另一方面，傳統的實驗教學過程要么單純在教室講解實驗原理，沒有實驗儀器的講解學生聽起來特別抽象，難以理解，要么進實驗室對照儀器講解，但是在講解過程中，實驗原理中的一些公式或者推導又沒辦法展開講解，學生聽著也是一頭霧水。如今采用在線教學完美地解決了以上兩種弊端。教學平臺的選擇必須充分體現在線教學的優勢，所以在充分展現線上教學優勢的同時，要補充線下教學的有利之處，線上實驗教學才能達到事半功倍的效果。

為了達到預期教學效果，線上教學平臺可提前發布預習內容，例如要求學生回顧實驗的相關理論知識，以及了解實驗目的，學生可以帶著問題進行線上實驗，同時在線上實驗結束后，學生不僅應進行實驗數據處理，完成思考題等，而且應充分利用網絡優勢，采取多方案的考核評價方式。線上教學平臺必須選擇具有回看、在線面對面交流、在線傳輸文件資料以及在線點名等互動功能的平臺，軟件也必須使用方便且兼容性強，可同時容納多人在線學習的軟件。

四、結束語

筆者所在的院校在2020年和2021年上半年均采用了線上線下相結合的方式開展水力學實驗教學，實驗教學效果良好。同時，由于視頻可反復觀看，加之講解細致、細節突出，學生普遍對知識點的掌握理解較往屆深刻，實驗操作的熱情更高，實驗教學效果更佳。線上線下相結合的實驗教學方法，滿足了防疫的目的，更加便利靈活，多樣性的實驗教學方式極大地提高了學生的主觀能動性和積極性，此舉措得到學生和任課教師的一致認可。本文以水力學課程實驗為例，基于實驗特征分類提出的線上線下相結合的方法，也可在后續教學中延續推廣使用，為綜合設計類實驗保留足夠的時間。