給排水工程儀表與控制翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)實踐研究

吳星杰 李麗 程浩亮

*基金資助：西南林業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究項目基金“鄉(xiāng)村振興背景下高等農(nóng)林創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索與實踐”（基金編號：YB

202307）；西南林業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究項目基金“‘新工科’背景下給排水科學(xué)與工程的省一流專業(yè)建設(shè)探索與實踐”（基

金編號YB202214）；西南林業(yè)大學(xué)教育科學(xué)研究基金“鄉(xiāng)村背景下大學(xué)生暑期社會實踐模式改革研究”（基金編號：QN2021

01）。

作者簡介：吳星杰，講師；李麗，通信作者，講師。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.049

摘? 要? 給排水工程儀表與控制課程是一門多學(xué)科交叉的理論課程，順應(yīng)國家高等教育發(fā)展趨勢，改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，推進翻轉(zhuǎn)課堂的實踐，旨在分析該課程采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)改革具有的優(yōu)劣勢，從教學(xué)設(shè)計思路、任務(wù)實施計劃、考核方式和成績構(gòu)成等方面開展一系列教學(xué)改革，不斷激發(fā)學(xué)生能動性，積極性和創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞? 給排水工程儀表與控制；翻轉(zhuǎn)課堂；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）02-0049-04

0? 引言

翻轉(zhuǎn)課堂從“Flipped Class Model”翻譯而來，通常指的是“反轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式”[1]。在此模式下，學(xué)生在課前完成知識的學(xué)習(xí)，而課堂中，教師和學(xué)生進行知識點的探討和延伸，學(xué)生不再單純地依靠教師講授獲取知識，而課堂也不再是教師一個人的課堂，教師和學(xué)生的角色發(fā)生反轉(zhuǎn)，學(xué)生的參與度和活躍度提升，以此改善大學(xué)生的學(xué)業(yè)表現(xiàn)和滿意度[2-3]。該教學(xué)模式于2007年由美國邁阿密大學(xué)Bergmann和Sams正式提出，2012年被引入中國，在我國高等教育改革的背景下，翻轉(zhuǎn)課堂近來受到了廣泛的關(guān)注，目前，翻轉(zhuǎn)課堂的理念優(yōu)勢和教學(xué)效果在整體上得到了肯定，但也有學(xué)者提出了不同看法，認為翻轉(zhuǎn)課堂并沒有充足依據(jù)表明能夠提升關(guān)鍵的通用能力和學(xué)業(yè)成績[4-5]。國內(nèi)大學(xué)生有其自身的特點，特別是雙非高校的學(xué)生，學(xué)習(xí)存在自主性和自覺性不足的問題，翻轉(zhuǎn)課堂在應(yīng)用時應(yīng)做出相應(yīng)的調(diào)整與變革，因地制宜，因材施教，才能真正發(fā)揮其積極功效。

給排水工程儀表與自動化技術(shù)水平近幾年有很大提高，促進了行業(yè)的技術(shù)進步，推動了水工業(yè)的成熟與發(fā)展，同時也對該領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提出了更高的要求。給排水工程儀表與控制課程是給排水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生必修的核心課程之一，主要包含自動控制基本基礎(chǔ)知識、儀器與儀表、水泵的運行控制、管網(wǎng)的在線監(jiān)測、給水廠自動控制技術(shù)、污水廠自動控制技術(shù)等內(nèi)容[6]，是一門在給排水在線檢測儀表與監(jiān)控技術(shù)快速發(fā)展與運用的當下孕育而生的一門實用性課程；是一門以水質(zhì)為中心，知識結(jié)構(gòu)寬廣、多學(xué)科交叉的系統(tǒng)課程。該課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)變能力，溝通能力和創(chuàng)新能力，為今后的學(xué)習(xí)生涯和職業(yè)生涯奠定良好的基礎(chǔ)。

1? 課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1? 內(nèi)容多，學(xué)時少

本課程涉及的內(nèi)容包括自動控制、儀器儀表、水泵控制、管網(wǎng)在線檢測、自來水廠、污水廠的自動控制技術(shù)等，涵蓋高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電工學(xué)、計算機基礎(chǔ)、給排水工程、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科，不僅內(nèi)容多，而且涉及面廣[7]。課程教學(xué)需要兼顧工程能力的培養(yǎng)，又要適應(yīng)該領(lǐng)域當前快節(jié)奏發(fā)展的步伐。根據(jù)調(diào)研，各高校該課程的設(shè)置學(xué)時為16～32學(xué)時，如何在如此短的學(xué)時內(nèi)將較多新知識、新理論講授給學(xué)生這對授課教師來說是一個極大的挑戰(zhàn)。

1.2? 理論難，實踐少

本課程基礎(chǔ)的理論知識核心是第一章的自動控制原理，包括傳遞函數(shù)、典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性、自動控制的基本方式和品質(zhì)指標等，這部分課程內(nèi)容抽象，晦澀難懂，看不見又摸不到，加之給排水專業(yè)的學(xué)生大學(xué)期間并沒有相關(guān)課程基礎(chǔ)作為鋪墊，學(xué)生存在極大的畏難情緒。如何幫助學(xué)生梳理這部分理論知識，并具象理解是一大挑戰(zhàn)。學(xué)生雖然通過前面的實驗和實踐課程走進實驗室，參與動手操作各種儀器儀表，但因為印象不深而導(dǎo)致知識的理論與實踐不能很好地結(jié)合。而且儀器儀表的更新?lián)Q代速度較快，水廠自動化控制程度逐年提高，在理論聯(lián)系實際方面進一步加大了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。

1.3? 課難教，興趣低

本課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式為單向的“教師講課，學(xué)生聽講”，學(xué)生被動接受知識點的傳授，聽之乏味，參與度低，積極性低，很難做到學(xué)以致用。課程的前幾章內(nèi)容側(cè)重基本原理，后面幾章內(nèi)容側(cè)重儀表的實踐應(yīng)用，傳統(tǒng)的講授模式理論和實踐分開，難以實現(xiàn)緊密的聯(lián)系，知識存在斷層現(xiàn)象，無法進一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2? 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革實踐

筆者所在學(xué)校給排水工程儀表與控制課程安排在給排水科學(xué)與工程專業(yè)本科四年級上半學(xué)期，課程跨度為8周，共32個學(xué)時，基本理論32個學(xué)時，實踐應(yīng)用安排在綜合實習(xí)中進行。通過查閱翻轉(zhuǎn)課堂的相關(guān)教改研究，結(jié)合筆者多年一線從教經(jīng)驗以及所在學(xué)校本科生的學(xué)習(xí)特點，實施完全的翻轉(zhuǎn)課堂并不現(xiàn)實，需要根據(jù)具體情況作相應(yīng)的調(diào)整。為此，以本課程為依托，以翻轉(zhuǎn)課堂為基點，從教學(xué)設(shè)計、授課方法、學(xué)生作業(yè)和成績評定等方面實施改革，探索出路，總結(jié)經(jīng)驗，以滿足和適應(yīng)當前科技飛速發(fā)展對人才的要求。

2.1? 分模塊，各擊破

對教材內(nèi)容進行模塊化重組，如圖1所示。將第2章給排水自動化儀表與設(shè)備與第3章水泵及管道系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)組合為模塊1，將第5章污水處理廠的檢測與儀表和第6章的污水處理廠的監(jiān)視操作與自動控制內(nèi)容組合為模塊4，其余章節(jié)模塊不變。重組優(yōu)化后的教材內(nèi)容更加精煉，在學(xué)時分配上更能適應(yīng)培養(yǎng)方案中本課程學(xué)時少的背景要求，模塊1和模塊2是基礎(chǔ)知識，模塊3和模塊4是知識的綜合運用提升。同時與時俱進，增補和刪減教材中過時的內(nèi)容，使得重難點突出，加強課程系統(tǒng)性和邏輯性。把難點放在模塊1自動控制基礎(chǔ)知識中的傳遞函數(shù)和雙位邏輯控制系統(tǒng)，重點放在模塊2中典型的水質(zhì)檢測技術(shù)、水泵的控制技術(shù)。模塊3和模塊4作為知識串講內(nèi)容。

2.2? 簡理論，強引導(dǎo)

結(jié)合4個模塊的課程內(nèi)容，將翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計成不同的翻轉(zhuǎn)度，翻轉(zhuǎn)程度主要以教師的上課時間占比課堂時間量化。如表1所示，針對模塊1，自動控制基礎(chǔ)知識，設(shè)計為“小尺度翻轉(zhuǎn)”模式，翻轉(zhuǎn)度20%。理論原理類型的課程不適合大幅度的翻轉(zhuǎn)課堂，但小幅度的微翻轉(zhuǎn)模式可以引導(dǎo)學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)[8]。主要方式是教師將模塊1中的精講內(nèi)容提煉出來，不可面面俱到，做到簡明扼要易于掌握，并在課前發(fā)布教學(xué)重點和學(xué)生需要參與討論的問題，學(xué)生熟悉重點并帶著問題聽課，課中主要以教師講解為主，同時可根據(jù)具體情況邀請友鄰學(xué)院的自動化控制專業(yè)教師、業(yè)內(nèi)資深工程師以專題的形式進行講解授課，就重點內(nèi)容開展課堂討論，并將學(xué)生課堂討論的表現(xiàn)計入平時成績。總結(jié)“小尺度翻轉(zhuǎn)”的教學(xué)思路為：提出問題、課堂講解、討論問題、解決問題、總結(jié)點評。

2.3? 重實踐，養(yǎng)思考

針對模塊2，給排水自動化儀表與設(shè)備，設(shè)計為“中尺度翻轉(zhuǎn)”模式，翻轉(zhuǎn)度60%。在進入模塊2課程學(xué)習(xí)之前，將課程的重要知識點再次切分成若干個子模塊，學(xué)生分成若干小組，每組4～6人，以隨機分配或小組認領(lǐng)的形式讓每組學(xué)生對其中一個子模塊進行專題研究，查閱資料，制作小組PPT、帶著實驗儀器走進課堂，學(xué)生以小組為單位上臺進行調(diào)研學(xué)習(xí)成果匯報，并演示儀器操作，教師進行點評，并針對重要知識點進行提問，臺上臺下學(xué)生進行搶答，小組評分由教師評分和學(xué)生互評組成，累計積分計入平時成績。為了方便翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，使用教學(xué)軟件雨課堂，學(xué)生用微信掃碼登錄教學(xué)平臺，在到課考勤、問答環(huán)節(jié)、教師打分、學(xué)生互評環(huán)節(jié)都能做到實時高效，公開透明。在此階段學(xué)生不僅需要提前熟悉了解各種儀器儀表的工作原理、特點和適用情況，更需要通過多渠道獲得當下較新儀表設(shè)備及其應(yīng)用，有效地解決了教材內(nèi)容滯后于科學(xué)發(fā)展所帶來的問題，在問答的溝通交流中學(xué)生可以取長補短，擴展和豐富知識，教師引導(dǎo)學(xué)生思考，知識不斷拓展外延，打開思路，提高參與度。

2.4? 走出去，看進來

針對模塊3和模塊4，自來水廠的自動控制技術(shù)和污水廠的自動控制技術(shù)，設(shè)計為“大尺度翻轉(zhuǎn)”模式，翻轉(zhuǎn)度80%。教師帶領(lǐng)學(xué)生走出課堂，到水廠和污水廠聽取工程師講解，了解水質(zhì)監(jiān)測儀器儀表及其自動化運行，了解水廠和污水處理廠“大腦”中央控制室的功能、作用、運行情況和操作方式。以小組為單位完成調(diào)研，最后回到課堂匯報實習(xí)成果。在這個翻轉(zhuǎn)尺度下，學(xué)生為主導(dǎo)，教師只起到組織和引導(dǎo)作用。課堂上由小組匯報學(xué)習(xí)成果，教師組織互評和課堂討論，并進行點評和總結(jié)。翻轉(zhuǎn)課堂具體三個尺度的翻轉(zhuǎn)度和課時分配詳見表1。

2.5? 提效率，再創(chuàng)新

通過理論學(xué)習(xí)、資料查閱、動手操作、進廠參觀等方面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的知識儲備，教師引導(dǎo)學(xué)生選擇自己感興趣的學(xué)科前沿知識，將理論教學(xué)與“互聯(lián)網(wǎng)+”“挑戰(zhàn)杯”“數(shù)學(xué)建模大賽”等課外競賽活動相結(jié)合，通過課外競賽活動使理論與實踐充分結(jié)合與延展，不斷激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

3? 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革結(jié)果分析

3.1? 學(xué)生評教

筆者所在學(xué)校教務(wù)處每年開展學(xué)生評教工作，2018—2020年給排水工程儀表與控制課程的學(xué)生評教平均分83（滿分100分），2021年改課程的學(xué)生評教分數(shù)為95。就學(xué)生提交的調(diào)研報告、平時作業(yè)而言，實施翻轉(zhuǎn)課堂后學(xué)生完成作業(yè)的效率和質(zhì)量大大提高。

課程結(jié)束后，對學(xué)生進行問卷調(diào)查和隨機訪談，在參與問卷調(diào)查的44名給排水本科四年級學(xué)生中，有43名學(xué)生參與了問卷調(diào)查，問卷有效率97.7%，隨機抽樣訪談的學(xué)生有8名（約占總?cè)藬?shù)的18.2%）。

由于課程內(nèi)容多、涉及面廣、難點難，所以學(xué)生普遍感覺課程不易學(xué)、負擔重。實施翻轉(zhuǎn)課堂后，知識點能得到提前預(yù)習(xí)，并且與生活生產(chǎn)結(jié)合，知識的應(yīng)用變得實際而有用，因此有93%的學(xué)生表示翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革對綜合能力的提升有較大的幫助。學(xué)生比較喜歡的環(huán)節(jié)包括專家專題、小組匯報、問題搶答、參觀實習(xí)。

3.2? 課程成績

采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式后，學(xué)生的課堂參與度明顯改善，參與互動人次較未開展教學(xué)改革前提高了38%，小組互動、課堂答疑，課后答疑互動等次數(shù)提高了90%以上，期末課程成績提高10.39%。

3.3? 科研能力

科研能力包括課內(nèi)完成的論文和各種課外競賽活動獲獎，課程的考核部分要求完成結(jié)課論文，學(xué)生分組完成科技論文的撰寫，從單一的試卷考核中跳出，不僅讓學(xué)生充分了解行業(yè)的學(xué)術(shù)前沿，更提高了學(xué)生的科研思維和科技論文的撰寫能力。教師從完成情況中擇優(yōu)挑選，指導(dǎo)修改后發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上。同時，鼓勵學(xué)生積極參與各類課外競賽活

動，獲得省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目3項，校級“互聯(lián)網(wǎng)+”競賽獲得3項銅獎。

4? 討論與建議

4.1? 小翻轉(zhuǎn)與大翻轉(zhuǎn)結(jié)合

我國的大學(xué)生有其自身的學(xué)習(xí)特點，尤其是大多數(shù)非211、非985高校的大學(xué)生長期處于被動學(xué)習(xí)、應(yīng)試學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)的主動性和自覺性比較弱，上課時學(xué)生很少主動提問參與討論，因此，設(shè)計翻轉(zhuǎn)課堂為三個尺度，既考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，又考慮充分地利用翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢進行教學(xué)應(yīng)用，學(xué)生能從小尺度到大尺度逐步適應(yīng)主動學(xué)習(xí)、主動思考的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式。

4.2? 內(nèi)翻轉(zhuǎn)延伸至外翻轉(zhuǎn)

學(xué)生對于課程的學(xué)習(xí)不再局限于課堂和書本的知識，同時也延伸到自己感興趣的專題研究，鼓勵學(xué)生通過多媒介查閱資料，撰寫論文，參與課外競賽，有更多的機會與更多優(yōu)秀的教師和志同道合的同學(xué)進行學(xué)術(shù)探討，教學(xué)相長。

4.3? 素養(yǎng)的提升與創(chuàng)新的培養(yǎng)

通過結(jié)課論文的撰寫，學(xué)生能更深入地了解行業(yè)的發(fā)展和學(xué)科的前沿，他們能發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，并對問題解決有自己獨特的見解和創(chuàng)新的想法，教師指導(dǎo)學(xué)生修改完善論文發(fā)表至學(xué)術(shù)期刊，不僅增強了學(xué)生的自主意識更激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)生涯和職業(yè)規(guī)劃奠定良好的基礎(chǔ)。

5? 結(jié)束語

在知識迭代更新飛速的今天，不僅學(xué)生的學(xué)習(xí)模式在不斷更新，教師的教學(xué)模式也需要不斷更新以適應(yīng)時代的發(fā)展和就業(yè)市場對于人才的需求。本課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革實踐雖然取得了一定的成效，但也要清醒地認識翻轉(zhuǎn)課堂的局限性，實施翻轉(zhuǎn)課堂需要教師和學(xué)生花費大量的時間精力在課后完成，這無形之中會增加教師和學(xué)生的教學(xué)壓力和學(xué)習(xí)壓力，想要翻轉(zhuǎn)課堂能充分發(fā)揮其功效，需要學(xué)校、教務(wù)處、學(xué)院教學(xué)管理部門等協(xié)調(diào)一致，多方聯(lián)動。因此，筆者還需要進一步研究和求證，并謹慎前行。

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