基于雨課堂的全過程本科實驗教學(xué)與考核模式
——以水電站混流式水輪機模型能量實驗為例

趙 迪 張建梅

(重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心 重慶 400074)

引 言

在大數(shù)據(jù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”的信息技術(shù)背景下，學(xué)堂在線與清華大學(xué)在2016年4月聯(lián)合研發(fā)推出了一款名為“雨課堂”的網(wǎng)絡(luò)智慧教學(xué)工具[1]。其以插件形式嵌入PPT，通過微信平臺登錄共享，能夠?qū)⒄n前預(yù)習(xí)、課堂互動學(xué)習(xí)、課后總結(jié)復(fù)習(xí)三者緊密聯(lián)系起來[2]。它讓教師可以使用雨課堂進行實時提問、發(fā)布試卷及資料、隨機點名等；讓學(xué)生可以直接看到放映PPT并回翻、彈幕想法、提出不懂的問題及質(zhì)疑等。這一系列的先進教學(xué)方法提高了師生互動及學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣。它由于具有簡單易操作、互動性強、個性化鮮明等優(yōu)點[3]而推廣應(yīng)用至高校課堂教學(xué)，因而受到了學(xué)生及教師的青睞。

普通高等院校四年制本科專業(yè)普遍要求實踐類課程學(xué)分不少于總學(xué)分的25%，專業(yè)實驗課因注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐操作能力而占比較高[4]。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)多以實驗原理、操作步驟及數(shù)據(jù)處理的講解為主。智慧教學(xué)工具的引入可以改變老式傳統(tǒng)的這種實驗教學(xué)模式為“主體參與”模式[5]，讓學(xué)生能夠主動思考、學(xué)會學(xué)習(xí)、發(fā)揮創(chuàng)造力。查閱研究文獻發(fā)現(xiàn)，目前已有學(xué)校在實驗教學(xué)中使用雨課堂形成協(xié)作式教學(xué)設(shè)計方案的，但如何在復(fù)雜實驗全過程中進行教學(xué)考核，形成特色鮮明的經(jīng)驗較少。本文從針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法及存在的問題出發(fā)，以水電站混流式水輪機模型能量實驗為例，提出基于雨課堂的全過程本科實驗教學(xué)與考核模式，以期提高復(fù)雜實驗教學(xué)的質(zhì)量。

一、混流式水輪機模型能量實驗教學(xué)特點

(一)授課對象

為了提高水利水電工程及水利水電工程(卓越工程師)專業(yè)知識與專業(yè)技能，我校開設(shè)了《水力機械》作為專業(yè)基礎(chǔ)課。水輪機是水力發(fā)電中最核心的機械設(shè)備，模型特性曲線是水輪機設(shè)計選型及運行的重要依據(jù)，是《水力機械》課程的教學(xué)重點和必須掌握的知識點。混流式水輪機模型能量實驗主要確定模型水輪機在各種工況下的運行效率，是繪制特性曲線的基礎(chǔ)。我校是重慶乃至中國西南地區(qū)較早開設(shè)該課程的高校之一，該方法的主要授課對象為水利水電工程及水利水電工程(卓越工程師)專業(yè)本科生。

(二)授課教學(xué)內(nèi)容

水輪機的模型可以做較小尺寸，用以進行試驗具有制作方便快捷、費用成本低、試驗工況方便操作、試驗測量精度高等優(yōu)點，而被廣泛采用。它通過能量試驗、飛逸特性試驗、氣蝕試驗、軸向水推力特性試驗等測出模型水輪機在各種工況下的工作參數(shù)，經(jīng)相似公式換算為原型水輪機在各相似工況下的綜合特性參數(shù)，從而為水輪機的設(shè)計、選型、運行提供參考依據(jù)。其中最常用的就是反擊式水輪機的能量試驗。

本校已購混流式水輪機模型能量實驗臺進行教學(xué)實驗，幫助學(xué)生理解混流式水輪機的工作原理。我們通過調(diào)節(jié)模型參數(shù)模擬多種試驗工況，測量水輪機在不同導(dǎo)葉開度、不同試驗水頭下的各工作參數(shù)，從而計算模型水輪機的效率、單位轉(zhuǎn)速、單位流量等內(nèi)容，繪制模型特性曲線。

從教學(xué)內(nèi)容上看，混流式水輪機模型能量實驗授課主要具有以下兩個方面的特點：

1.涉及知識面廣：混流式水輪機模型能量實驗涉及模型試驗相似原理、水輪機基本方程、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)處理等方面的教學(xué)內(nèi)容；涉及水力學(xué)、流體力學(xué)、水工模型試驗、水工建筑物等專業(yè)知識，涉及知識面較廣。它要求學(xué)生具有一定的水利水電工程專業(yè)基礎(chǔ)，并能熟練使用Excel或CAD辦公繪圖軟件等。

2.工程實踐性強：進行水輪機模型能量實驗最終形成水輪機模型特性曲線，而水輪機模型特性曲線與原型水輪機之間滿足相似條件，才可進行相互換算。這是水電站水輪發(fā)電機組選型設(shè)計的重要依據(jù)。教學(xué)內(nèi)容要與水電站工程設(shè)計密切聯(lián)系。學(xué)習(xí)的最終是服務(wù)于水利工程設(shè)計，具有較強的工程實踐性。

二、實驗教學(xué)模式存在的問題

混流式水輪機模型能量實驗是對理論教學(xué)的補充。但是，目前的實驗教學(xué)模式存在一些問題：

一是學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不牢靠。混流式水輪機模型能量實驗教學(xué)內(nèi)容涉及知識面廣，在實驗前需要學(xué)生熟悉水輪機的相似原理。繪制模型特性綜合曲線的基本組成參數(shù)與相互關(guān)系，這部分內(nèi)容涉及到多門專業(yè)課知識，學(xué)生想要“消化”其中的相關(guān)知識點有一定的難度。目前，學(xué)生僅靠書面教材學(xué)習(xí)，沒有將學(xué)習(xí)水輪機特性及選型的條理及邏輯理清楚。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)目前的問題之一是：大部分同學(xué)掌握情況不好，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不牢靠。

二是“灌輸式”授課。在參加實驗時，傳統(tǒng)的授課方式為教師講述實驗?zāi)康摹⒃怼x器、步驟、注意事項等，讓學(xué)生通過講述進行實驗操作獲得并記錄實驗數(shù)據(jù)，課下完成實驗報告并提交。這是一種“灌輸式”的授課方式，不能足夠激發(fā)學(xué)生主動思考、設(shè)計實驗的熱情。在實驗過后，學(xué)生會對水輪機模型能量實驗有一定的理解，但是并不能將其與水輪機的選型設(shè)計等知識點緊密聯(lián)系在一起構(gòu)建成完整的知識體系。這也是存在的問題之一。

三是實驗效果不理想。在實驗過程中，需要測得模型水輪機在不同導(dǎo)葉開度下作用不同高度水頭時水輪機的流量、轉(zhuǎn)速和制動力矩等參數(shù)，再換算為單位流量和單位轉(zhuǎn)速，計算工作效率。所測數(shù)據(jù)量越多，越能準(zhǔn)確繪制水輪機的模型特性曲線。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對基本的計算辦公軟件不熟悉，還是用計算器每一步驟進行計算，并且計算出結(jié)果后，在繪制模型特性曲線尤其是應(yīng)用計算機繪制時無從下手。這導(dǎo)致班級內(nèi)實驗成果為個別代表性版本，實驗效果不理想。

三、基于雨課堂的全實驗過程教學(xué)與考核模式

針對以上分析的實驗教學(xué)模式存在的問題，從實驗課前、課中及課后三階段提出教學(xué)與考核新模式督促學(xué)生進行學(xué)習(xí)。

(一)實驗課前預(yù)習(xí)及考核方法

實驗課前需要學(xué)生對實驗內(nèi)容有一定的熟悉，掌握模型綜合特性曲線形成的原理及要素。這樣，學(xué)生才能進一步理解實驗原理、過程并處理實驗數(shù)據(jù)形成結(jié)果。因此，課前預(yù)習(xí)是十分必要的。但是，在課堂學(xué)習(xí)完后，學(xué)生對理論知識有一定的了解，若口頭布置預(yù)習(xí)作業(yè)，無法保證及檢測預(yù)習(xí)的效果。因此，除了布置作業(yè)外，針對預(yù)習(xí)內(nèi)容進行課前考核，能讓更多的同學(xué)積極、主動地進行預(yù)習(xí)。具體的做法為：

1.建立雨課堂交流平臺。首先創(chuàng)建班級雨課堂交流平臺，用以完成之后的所有操作。教師在微信中關(guān)注并注冊雨課堂賬號后，進入我的→課程，點擊下方我要開課創(chuàng)建開課名稱及班級，進入所創(chuàng)建班級，通過成員管理→管理→邀請學(xué)生將班級二維碼及邀請碼分享給學(xué)生，讓學(xué)生通過微信加入班級，創(chuàng)建雨課堂交流平臺。

2.布置預(yù)習(xí)任務(wù)要求。微信進入創(chuàng)建的雨課堂班級，點擊發(fā)布→發(fā)布公告，布置實驗課前的預(yù)習(xí)任務(wù)、上傳相關(guān)資料(WEB或電腦端)并提出要求。

3.創(chuàng)建預(yù)習(xí)試卷。在微信雨課堂公眾號中我的→試卷庫中管理新建本實驗課的試卷庫，在電腦端安裝雨課堂后打開PPT登錄雨課堂，并新建試卷，試卷根據(jù)實驗內(nèi)容及要求設(shè)置，完成試卷的創(chuàng)作后命名上傳至創(chuàng)建試卷庫。

4.進行預(yù)習(xí)測試。在微信雨課堂公眾號中打開創(chuàng)建班級，并發(fā)布所創(chuàng)建的預(yù)習(xí)試卷，可根據(jù)自身的要求設(shè)置發(fā)布時間、截止時間、考試時長、公布答案等，要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成預(yù)習(xí)測試。

學(xué)生在完成預(yù)習(xí)測試或預(yù)習(xí)測試成績達到規(guī)定值后方可進行儀器操作完成實驗。

(二)課堂中實驗教學(xué)及考核

實驗課中要想吸引學(xué)生的注意力，使其獨立思考，理解實驗內(nèi)容、實驗方法是十分關(guān)鍵的。教師可在雨課堂講述過程中，通過邊講邊考的方式提高學(xué)生注意力。具體做法為：針對實驗課堂中需要學(xué)生理解記憶的重難點制作PPT教學(xué)課件，穿插雨課堂單選、多選、投票、填空等題型。本校水利水電實驗室內(nèi)配備了多媒體教學(xué)設(shè)備，教師可使用PPT進行登錄，開啟雨課堂授課。學(xué)生可使用手機微信掃描二維碼或輸入課堂暗號進入課堂。沒有配備多媒體教學(xué)設(shè)備的實驗室可通過教師事先在某計算機形成課堂暗號或二維碼后，讓教師與學(xué)生共享進入課堂。在移步儀器設(shè)備前進行講述時，教師使用手機端進行課件的翻頁，題目的收發(fā)，實現(xiàn)邊講邊考核的課中教學(xué)模式。

(三)課后復(fù)習(xí)提交實驗成果

課后對實驗成果的處理過程也是實驗的難點之一。學(xué)生對各種辦公軟件的熟悉程度不一，大部分同學(xué)掌握得不夠熟練。在課后，學(xué)生可登錄課堂發(fā)布公告及教師上傳的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)。對于實驗后重要知識需學(xué)生復(fù)習(xí)掌握，或需考核學(xué)生掌握程度時，教師均可通過發(fā)布試卷的形式檢驗。

四、結(jié) 論

實驗教學(xué)在高等院校本科教學(xué)中所占比重較大，其教學(xué)模式影響學(xué)生對重要知識點的掌握程度。本文結(jié)合水利水電工程(含卓越工程師)專業(yè)中混流式水輪機模型能量實驗涉及知識面廣、工程實踐性強的特點，總結(jié)了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式中存在的學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不牢靠、“灌輸式”授課方式學(xué)生興趣度不高、實驗成果不理想等問題，基于大數(shù)據(jù)及互聯(lián)網(wǎng)背景下推出的“雨課堂”智慧教學(xué)工具，從實驗課前的預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)及課后復(fù)習(xí)三階段提出了全實驗過程教學(xué)及考核的新模式。這對調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，加深對實驗知識點的理解等取得了較好的教學(xué)效果，為學(xué)生的進一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。