新工科背景下線上線下實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系探索

摘 ?要：文章以環(huán)境工程核心課——水污染控制工程的配套實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)教學(xué)為例，比較了新冠肺炎疫情期間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和線下實(shí)驗(yàn)課教學(xué)、云端實(shí)習(xí)和線下實(shí)習(xí)的教學(xué)過(guò)程及教學(xué)效果。在此基礎(chǔ)上，基于新工科環(huán)境類專業(yè)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)要求和對(duì)畢業(yè)生能力要求，從教學(xué)狀態(tài)、互動(dòng)情況、成績(jī)分布、學(xué)生狀態(tài)、教師狀態(tài)等方面，對(duì)比分析了現(xiàn)有的線上和線下實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，對(duì)虛實(shí)結(jié)合混合式教學(xué)在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系中的發(fā)展進(jìn)行建議和展望，以期為開(kāi)展新工科背景下的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革和提升教學(xué)效果提供有益的啟示。

關(guān)鍵詞：新工科;實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué);水污染控制工程;混合式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）S1-0068-04

Abstract： Taking the supporting experiments and internships of a professional core course of environmental engineering， Water Pollution Control Engineering， as an example， this paper compares the teaching process and teaching effect between virtual simulation experiments and offline experiments， cloud internships and offline internships since the COVID-19 epidemic. The advantages and disadvantages of the existing online and offline experiments and internships are compared and analyzed from the aspects of teaching status， interaction， score distribution， student status， teacher status， etc. Based on the training requirements and the ability requirements of new engineering for graduates in environmental majors， this paper makes suggestions and prospects for the development of the mixed teaching in the experimental practice teaching system， and it is expected to provide useful enlightenment for carrying out teaching reform and improving teaching effect under the background of new engineering.

Keywords： new engineering; experimental practice teaching system; Water Pollution Control Engineering; mixed teaching system

2020年伊始，受新冠肺炎疫情的影響，高校教育面臨新的挑戰(zhàn)。教育部印發(fā)了《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》[1]，華中科技大學(xué)也在春季學(xué)期按原定教學(xué)計(jì)劃開(kāi)展了線上課堂教學(xué)，做到了“停課不停教、停課不停學(xué)”。而作為環(huán)境工程專業(yè)核心課之一的水污染控制工程，不但有理論課教學(xué)，還有與之相配套的綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)。理論、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)的課程設(shè)置相輔相成，既強(qiáng)調(diào)理論學(xué)習(xí)的重要性，也強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)操能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力[2]。在無(wú)法開(kāi)展線下實(shí)驗(yàn)和實(shí)地參觀實(shí)習(xí)的情況下，華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院的專業(yè)教師根據(jù)本課程的特點(diǎn)精心挑選了虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和云端實(shí)習(xí)，進(jìn)行了線上的實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)教學(xué)。本文比較了最近兩年來(lái)，在新形勢(shì)下開(kāi)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課和線下實(shí)驗(yàn)課、云端實(shí)習(xí)和線下實(shí)習(xí)的教學(xué)過(guò)程和教學(xué)效果，對(duì)線上線下實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的差異進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)線上線下實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

一、線上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的比較分析

在最近兩年的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，我們對(duì)與水污染控制工程相配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程和師生狀態(tài)進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)虛擬（線上）實(shí)驗(yàn)和線下實(shí)驗(yàn)過(guò)程的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比和分析，詳情見(jiàn)表1。

分析認(rèn)為，在充分利用線上資源共享的條件下（例如2020年疫情期間），虛擬仿真的線上實(shí)驗(yàn)具有成本低、安全性高、時(shí)間空間靈活的顯著優(yōu)勢(shì)。因此，在涉及到一些大型綜合性實(shí)驗(yàn)（例如：時(shí)間很長(zhǎng)，需要幾天甚至十幾天的實(shí)驗(yàn)）[3]，或者危險(xiǎn)性較高的實(shí)驗(yàn)，或者由于經(jīng)費(fèi)和設(shè)備有限、不具備實(shí)驗(yàn)條件的實(shí)驗(yàn)時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)是一個(gè)相當(dāng)有利的選擇。當(dāng)然，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研發(fā)可能需要大數(shù)據(jù)支持，需要三維建模的應(yīng)用，需要結(jié)合人工智能、人機(jī)交互，需要傳感器、超級(jí)計(jì)算、云計(jì)算，需要虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的技術(shù)手段[4]，才能提高仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的吸引力和教學(xué)效果。因此，單一的學(xué)院（系）專業(yè)教研組難以開(kāi)發(fā)這樣的綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，更重要的是，難以持續(xù)地根據(jù)實(shí)際的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r、不斷地更新完善這種綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，導(dǎo)致虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工程場(chǎng)景脫節(jié)[5];另一方面，耗費(fèi)巨大成本而開(kāi)發(fā)出的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如若僅僅提供給單一的學(xué)院（系）的少數(shù)專業(yè)學(xué)生來(lái)進(jìn)行教學(xué)使用，也是不經(jīng)濟(jì)的。利用高校的科研能力，結(jié)合教學(xué)需求，與專業(yè)的項(xiàng)目建設(shè)公司（團(tuán)隊(duì)）進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)，并在使用過(guò)程中合理地利用線上資源進(jìn)行共享（可收費(fèi)），可能是此類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目得以發(fā)展和不斷更新的重要渠道。

此外，必須注意到，與傳統(tǒng)的線下實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)不能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力，不能讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用各種儀器設(shè)備，更重要的是也很難培養(yǎng)學(xué)生的規(guī)范操作和安全意識(shí)。并且，對(duì)于一些用時(shí)較短的單項(xiàng)操作實(shí)驗(yàn)而言，開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是不經(jīng)濟(jì)的。因此，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度而言，單項(xiàng)小型實(shí)驗(yàn)（例如：沉淀實(shí)驗(yàn)）采用線下方式，綜合性大型實(shí)驗(yàn)（例如：污水處理工藝設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)）采用虛擬仿真的線上方式，這可能成為未來(lái)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向。例如，由于突發(fā)疫情的原因，剛結(jié)束的第三屆全國(guó)大學(xué)生市政環(huán)境類創(chuàng)新實(shí)踐能力大賽決賽臨時(shí)改為在線虛擬仿真比賽，其比賽的主要內(nèi)容即為污水處理廠的虛擬仿真設(shè)計(jì)。

二、線上云端實(shí)習(xí)與傳統(tǒng)線下實(shí)習(xí)過(guò)程的比較分析

我們對(duì)與水污染控制工程課相配套的實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)也進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)云端（線上）實(shí)習(xí)與傳統(tǒng)的線下實(shí)習(xí)過(guò)程的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比和分析，詳情見(jiàn)表2。

隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高和污水處理工藝的發(fā)展，污水處理工藝設(shè)備日趨復(fù)雜。越來(lái)越多的污水處理廠出于氣味、安全性等方面的考慮，會(huì)采取給處理池加蓋、給設(shè)備加防護(hù)欄等措施，因此，在傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生常常并不能真正看到設(shè)備的工作狀態(tài)和處理池的構(gòu)造。此外，現(xiàn)代污水處理工藝流程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作的要求很高，實(shí)習(xí)單位出于對(duì)生產(chǎn)安全和對(duì)學(xué)生人身安全的考慮，通常會(huì)限制學(xué)生的認(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)的時(shí)間和空間范圍，這就使得學(xué)生在污水處理廠或處理站的實(shí)習(xí)過(guò)程中，大多數(shù)僅僅停留在參觀處理單元的外表和瀏覽平面圖紙的層面上，無(wú)法深入了解污水處理工藝單元及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，不能直接學(xué)習(xí)水質(zhì)檢測(cè)和工藝參數(shù)控制、設(shè)備調(diào)試等方法。而線上的云端實(shí)習(xí)可由專業(yè)人員通過(guò)視頻進(jìn)行詳細(xì)介紹，并且可以克服地域和經(jīng)費(fèi)的限制，實(shí)習(xí)所及的范圍可以更廣泛。

但是，必須指出，云端實(shí)習(xí)并不能給學(xué)生以直觀的感官感受，例如嗅味、聲音、觸覺(jué)、空間感等，學(xué)生難以感受現(xiàn)場(chǎng)，可能對(duì)污水處理廠或處理站產(chǎn)生一些錯(cuò)誤認(rèn)知。例如，曾有學(xué)生在去實(shí)際的污水處理廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參觀實(shí)習(xí)之后，才發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代污水處理廠的實(shí)際空間比他想象的要大得多，而工作環(huán)境也并不像他之前想象的那么糟糕。因此，當(dāng)條件允許時(shí)，盡量采取就近的線下實(shí)習(xí)，并輔以云端實(shí)習(xí)，此為最佳選擇。

三、教學(xué)效果和成績(jī)分布狀態(tài)

圖1顯示了華中科技大學(xué)近兩年所開(kāi)展的、與水污染控制工程課相配套的虛擬（線上）實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)驗(yàn)成績(jī)各分?jǐn)?shù)段的人數(shù)占比情況。由圖可知，傳統(tǒng)的線下實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)段更為集中，主要分布在中高分?jǐn)?shù)段;而虛擬實(shí)驗(yàn)的分?jǐn)?shù)段分布相對(duì)來(lái)說(shuō)更為分散，低分段和高分段相對(duì)更多。

究其原因，線上虛擬實(shí)驗(yàn)相對(duì)來(lái)說(shuō)方便快捷，可以無(wú)成本地多次重復(fù)[6]。因此對(duì)于一些自我要求較高的學(xué)生來(lái)說(shuō)，如果第一次實(shí)驗(yàn)達(dá)不到想要的效果，他會(huì)尋找原因、調(diào)整參數(shù)，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，直至達(dá)到目標(biāo)為止;并且會(huì)在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，并寫(xiě)進(jìn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，因此可以取得非常高的分?jǐn)?shù)。而由于設(shè)備臺(tái)套數(shù)和實(shí)驗(yàn)空間的限制，線下實(shí)驗(yàn)多為3-4人的小組實(shí)驗(yàn)，組內(nèi)學(xué)生之間需要進(jìn)行團(tuán)隊(duì)配合，這個(gè)過(guò)程能夠幫助學(xué)生理解團(tuán)隊(duì)合作的意義，理解個(gè)人在團(tuán)隊(duì)中的作用，鍛煉與團(tuán)隊(duì)成員合作溝通的能力。但是，同組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相同，實(shí)驗(yàn)報(bào)告通常也很相似，因此成績(jī)相近，一些混水摸魚(yú)的學(xué)生也可能取得不錯(cuò)的分?jǐn)?shù)。而在線上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，每一個(gè)學(xué)生都需要獨(dú)立完成，那么一些能力稍遜或者自我要求不高的學(xué)生，就會(huì)出現(xiàn)明顯的低分。可見(jiàn)，由于個(gè)體的不同，自我要求和自學(xué)能力不同的學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中的收獲大不相同，這個(gè)差異性可能遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)所表現(xiàn)出來(lái)的差異性。

四、學(xué)生的反饋情況

由于線上虛擬實(shí)驗(yàn)和云端實(shí)習(xí)課程剛剛開(kāi)展，大部分學(xué)生感覺(jué)較為新奇，給出了較為正面的評(píng)價(jià)，但同時(shí)也指出了線上教學(xué)的不足之處，并提出了改進(jìn)的建議。主要有如下幾個(gè)方面：

（1）在水控配套實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以靈活方便地研究活性污泥系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物降解、污泥增長(zhǎng)、耗氧等過(guò)程與各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)以及環(huán)境因素之間的關(guān)系，這是線下實(shí)驗(yàn)很難做到的。

（2）工藝流程設(shè)計(jì)中，可以靈活選擇相關(guān)的處理單元并且進(jìn)行組合、進(jìn)行平面布置和空間排列，可以了解到每一個(gè)處理單元的構(gòu)造，有助于反思過(guò)程的優(yōu)缺點(diǎn)，并激發(fā)研究新工藝新組件的動(dòng)力。

（3）在每個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)的時(shí)候，軟件都會(huì)給出對(duì)應(yīng)的操作指示引導(dǎo)學(xué)生自己操作解決問(wèn)題，而每次工程問(wèn)題評(píng)分系統(tǒng)得到的100分也讓學(xué)生體會(huì)到了解決問(wèn)題的滿足感;但有時(shí)軟件引導(dǎo)不夠明顯，操作界面過(guò)于隱蔽，給學(xué)生造成誤導(dǎo)，浪費(fèi)時(shí)間，希望有所改進(jìn)。

（4）虛擬工藝設(shè)計(jì)可以通過(guò)場(chǎng)景中風(fēng)向、地形地貌、交通、水體等基本信息，較為合理地布置總平面圖和3D效果圖，3D體驗(yàn)?zāi)芏喾轿唤佑|自己的布局，處理構(gòu)筑物內(nèi)部可視、具象，在幫助學(xué)生掌握其功能和作用的同時(shí)，也增加了趣味性。

（5）在實(shí)地參觀時(shí)，每一處構(gòu)筑物的停留時(shí)間由講解員決定，有時(shí)一個(gè)設(shè)施還沒(méi)來(lái)得及弄明白就要去下一個(gè)地方;而在線上的虛擬污水處理廠內(nèi)，可以隨便進(jìn)行游覽，更加全面地了解整個(gè)污水處理廠的設(shè)施及其運(yùn)行狀態(tài)。

（6）虛擬環(huán)節(jié)有些細(xì)節(jié)顯示不到位，希望能夠有機(jī)會(huì)自己動(dòng)手操作、去實(shí)際污水廠進(jìn)行參觀，線上虛擬與線下實(shí)際相結(jié)合，認(rèn)識(shí)會(huì)更加清晰，理解會(huì)更為全面。

五、結(jié)束語(yǔ)

新工科理念是中國(guó)高校工程教育改革的指導(dǎo)方針，為適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜多變的世界和實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興，高校需要培養(yǎng)實(shí)踐與創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型的卓越工程人才[7-8]。工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是使學(xué)生對(duì)課程基本概念、原理、工藝等加深理解的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，是新工科背景下實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要目標(biāo)。充分利用資源整合，開(kāi)展線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)，將是新形勢(shì)下工程教育專業(yè)未來(lái)發(fā)展的方向。

線上的虛擬教學(xué)過(guò)程能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)的線下實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教育的不足，適合開(kāi)展線下實(shí)驗(yàn)條件不具備、實(shí)際運(yùn)行困難的大型綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可以解決線下實(shí)踐過(guò)程中的看不見(jiàn)構(gòu)筑物內(nèi)部構(gòu)造、無(wú)法感知單元設(shè)備工藝運(yùn)行狀態(tài)等問(wèn)題。利用高校的科研能力，結(jié)合教學(xué)需求，與專業(yè)的項(xiàng)目建設(shè)公司（團(tuán)隊(duì)）進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)，并在使用過(guò)程中合理地利用線上資源進(jìn)行共享（可收費(fèi)），可能是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目得以發(fā)展和不斷更新完善的重要渠道。單項(xiàng)小型實(shí)驗(yàn)采用線下方式，綜合性大型實(shí)驗(yàn)采用虛擬仿真方式，以就近的線下實(shí)習(xí)為主，云端實(shí)習(xí)為輔，可能成為未來(lái)工科實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的重要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.教育部印發(fā)指導(dǎo)意見(jiàn)疫情防控期間做好高校在線教學(xué)組織與管理工作[EB/OL].（2020-2-5）.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/202002/t20200205_418131.html.

[2]秦巖丁，周璐，許靜.新工科背景下的理論+實(shí)驗(yàn)類課程授課模式改革探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2021（11）：27-32.

[3]任山章，楊清，夏豪穎，等.虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)本科生科學(xué)實(shí)踐能力提升的探究——以杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院本科生為例[J].高教學(xué)刊，2021（23）：169-172.

[4]黃教強(qiáng).面向智慧校園的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2018.

[5]王建華，段建東，姬軍鵬，等.新工科背景下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)踐[J].中國(guó)教育信息化，2021（22）：33-37.

[6]秦玉梅，沈星燦.混合式教學(xué)在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的初步探索與實(shí)踐[J].廣東化工，2020（15）：188，203.

[7]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[8]葉民，孔寒冰，張煒.新工科：從理念到行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2018（1）：24-31.