線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)新嘗試＊

沈春穎，鄧 淇，何士華，張代青，馬江霞

（昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明650500）

“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”作為一門獨(dú)立的水利類專業(yè)基礎(chǔ)課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)活動，不僅可以培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，不斷增強(qiáng)學(xué)生的科技和身心素質(zhì)[1-2]，更有助于學(xué)生運(yùn)用水力學(xué)專業(yè)知識解決基本工程實(shí)際問題。由于流動現(xiàn)象的復(fù)雜性，僅通過理論教學(xué)很難使學(xué)生深刻認(rèn)識流體運(yùn)動的力學(xué)本質(zhì)，必須通過實(shí)驗(yàn)來加深理解。實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著儀器成本高、授課任務(wù)重等諸多困難[3]，特別針對2020年的疫情，在學(xué)生未返校的情況下如何順利開展水力學(xué)實(shí)驗(yàn)更是一大難題，因此改變現(xiàn)有的單純線下教學(xué)方式迫在眉睫。

隨著計算機(jī)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于專業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)上，它對提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐能力以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力有著重要影響[4-6]。學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問該平臺，不受時間和空間的限制開展虛擬水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)據(jù)處理上的不足，提高了實(shí)驗(yàn)效率[7-8]。

在“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中，采用虛擬仿真教學(xué)，既可靈活安排實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、思考問題與作業(yè)以及實(shí)驗(yàn)原理等教學(xué)環(huán)節(jié)，又可有效培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊意識[9-10]?！八W(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)，既要求學(xué)生掌握水力學(xué)相關(guān)的基本理論和應(yīng)用技能，更需要培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題和解決問題的能力[1，11-13]；“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)，可以逐漸以學(xué)生為主體，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前查閱資料、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中觀察操作和實(shí)驗(yàn)后分析總結(jié)的全過程中，提高創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)[14]。

1 “水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)傳統(tǒng)模式概述

“水力學(xué)”是研究液體平衡和機(jī)械運(yùn)動規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)，它是水利類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的課程。傳統(tǒng)教學(xué)模式為理論授課采用講解接受模式，實(shí)驗(yàn)授課采用合作教學(xué)模式，考核方式為理論知識考試和實(shí)驗(yàn)報告撰寫，其中的實(shí)驗(yàn)報告撰寫實(shí)際就是“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”的考核方式，因此，水力學(xué)實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)水力學(xué)理論與實(shí)踐相結(jié)合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對提高學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力具有理論教學(xué)不可替代的作用[15]。

本學(xué)院的“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，課時安排為32學(xué)時，具有一定的獨(dú)立性，目的是注重學(xué)生實(shí)踐能力的提升。新冠肺炎病毒疫情發(fā)生之前，水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室共開設(shè)13個綜合性實(shí)驗(yàn)，均采用傳統(tǒng)模式教學(xué)，即由指導(dǎo)教師講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求，學(xué)生分組合作完成實(shí)驗(yàn)。這種“理論為本—教師講解—學(xué)生接受”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，增加了教師的工作量，同時降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性，限制了學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐操作空間，抑制了學(xué)生的主動創(chuàng)新能力。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是知識爆炸、信息裂變年代的來到，“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)傳統(tǒng)模式已不能適應(yīng)社會對水利專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，這種傳統(tǒng)模式存在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)數(shù)量過多、實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量過少、教學(xué)方法單一無趣、考核方式過于單一的問題[16]。

在大學(xué)階段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是使學(xué)生通過各個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，鞏固理論知識，能提出問題、發(fā)現(xiàn)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(dá)到這一目的，實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)中的關(guān)系有點(diǎn)類似于教練與運(yùn)動員的關(guān)系，教師只是對學(xué)生起啟發(fā)點(diǎn)撥作用，更多的要靠學(xué)生自己去理解掌握，發(fā)揮創(chuàng)造性思維。

2 新冠肺炎病毒疫情對高校教學(xué)傳統(tǒng)模式的影響

2019年末新冠肺炎疫情突然爆發(fā)，為了減少人員流動，各行各業(yè)延遲復(fù)工，而學(xué)校是防控重點(diǎn)單位，學(xué)生是易感人群且人員密集，各中小學(xué)高校延遲開學(xué)，為了更好實(shí)現(xiàn)“停課不停學(xué)、停課不停教”的要求，只能通過網(wǎng)絡(luò)線上完成教學(xué)任務(wù)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，突如其來的困難無法預(yù)知且沒有事先預(yù)案，給各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此，需要新的方法來完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求和教學(xué)任務(wù)[18]。

實(shí)驗(yàn)操作儀器：傳統(tǒng)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)需要使用實(shí)驗(yàn)儀器，疫情期間學(xué)生居家隔離不具備完全實(shí)驗(yàn)條件，而水力學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及大型儀器、貴重儀器等。圖1中線下學(xué)生在做水躍實(shí)驗(yàn)。

圖1 線下學(xué)生在做水躍實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)授課方式：進(jìn)行傳統(tǒng)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)時，教師在課前要教授給學(xué)生如何操作和維護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、講述實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法、講述水力學(xué)實(shí)驗(yàn)如何操作以及實(shí)驗(yàn)演示與指導(dǎo)；完成實(shí)驗(yàn)后，教師要評價學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。疫情期間學(xué)生在家學(xué)習(xí)上課，傳統(tǒng)的“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)從面對面轉(zhuǎn)為線上全新的授課方式[17]。

實(shí)驗(yàn)考查方式：傳統(tǒng)“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”課程在線下根據(jù)學(xué)生的實(shí)際操作評價學(xué)生是否掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用和實(shí)驗(yàn)操作步驟，發(fā)現(xiàn)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時存在的問題，同樣也可以評價綜合型實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。當(dāng)下學(xué)生和教師不能返校，“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”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(huán)境下學(xué)生線上學(xué)習(xí)效果和返校后的實(shí)際操作能力。

3 水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新型模式構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于理論教學(xué)，是以“學(xué)生操作”為主，“教師講授”為輔，如何在線上充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生實(shí)際操作能力，最大限度實(shí)現(xiàn)線上和線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同等效果，是實(shí)驗(yàn)教師面臨的巨大挑戰(zhàn)。對于實(shí)踐性很強(qiáng)的“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”課程來說，如何以線上方式向?qū)W生提供貼近真實(shí)設(shè)備、裝置和實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件，有效地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)；如何考察學(xué)生實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作能力等方面存在一定的難度，并提出了嚴(yán)竣的挑戰(zhàn)。為保證本學(xué)期水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的完成，教師認(rèn)真調(diào)查研究，精心策劃和制定了網(wǎng)上實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施方案和教學(xué)計劃。在以往水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中，本校與浙江大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室保持了較好的合作關(guān)系，經(jīng)?；ハ嗌钊胩接懭绾胃玫亻_展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為這次疫情條件下的線上教學(xué)打下了良好的基礎(chǔ)。

4 新冠肺炎病毒疫情下水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新型模式實(shí)踐

4.1 準(zhǔn)備工作

以“雨課堂”為學(xué)生考勤工具，以騰訊QQ群為學(xué)生聯(lián)絡(luò)、交流方式，以QQ電話為媒體教學(xué)載體，以浙江大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)秀仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺。在疫情期間，浙江大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室為電力學(xué)院的教師和學(xué)生們免費(fèi)提供了線上仿真水力學(xué)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。該平臺有真實(shí)的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、操作過程、網(wǎng)絡(luò)操作提示等內(nèi)容，特別之處是該實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)具有接近真實(shí)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)參數(shù)預(yù)選設(shè)置功能，可以根據(jù)需要選定和更改儀器原始狀態(tài)的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于每位學(xué)生都有了一臺不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這也是現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)做不到的。通過這樣的模式豐富了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可操作性，最大限度激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，每位學(xué)生必須在線認(rèn)真聽講，才能順利完成實(shí)驗(yàn)操作，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)任課教師根據(jù)教學(xué)大綱梳理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、撰寫線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，并將方案多次與教務(wù)處進(jìn)行溝通，反復(fù)論證，做好長期線上教學(xué)的充分準(zhǔn)備，確保方案的可行性和完整性。

結(jié)合本學(xué)期水力學(xué)A綜合實(shí)驗(yàn)、水力學(xué)B綜合實(shí)驗(yàn)線下開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行認(rèn)真比對，有針對性地從線上平臺上優(yōu)選了“雷諾實(shí)驗(yàn)”“靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)”“能量方程實(shí)驗(yàn)”“文丘里流量計實(shí)驗(yàn)”“沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)”“局部水頭損失”“動量方程實(shí)驗(yàn)”“孔口與管嘴實(shí)驗(yàn)”“流速分布測試實(shí)驗(yàn)”9個線上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。課前，實(shí)驗(yàn)主講教師熟悉實(shí)驗(yàn)平臺的操作流程和具體方法，為線上開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)做好了充分準(zhǔn)備。

為順利開展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，除了實(shí)驗(yàn)主講教師自己行動在前外，同時讓學(xué)生們提前預(yù)習(xí)和熟悉實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師編寫的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，并參考相關(guān)教材進(jìn)行預(yù)習(xí)，基本了解網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)操作步驟、記錄、計算及注意事項(xiàng)等內(nèi)容。

4.2 具體實(shí)施

在“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”每一節(jié)教學(xué)課堂上，實(shí)驗(yàn)主講教師圍繞“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，借用線上平臺改進(jìn)現(xiàn)有教學(xué)方法和手段，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)教學(xué)向現(xiàn)代線上教育的轉(zhuǎn)變，充分利用新的教學(xué)模式和現(xiàn)代智慧教學(xué)工具。一方面利用“雨課堂”的簽到功能查看學(xué)生進(jìn)入課堂的情況，“雨課堂”也保存了任課教師的講課PPT，學(xué)生可在課后回看教師的上課課件，以便在撰寫實(shí)驗(yàn)報告時更好地把握實(shí)驗(yàn)核心內(nèi)容；另一方面在線上實(shí)驗(yàn)講解過程中，主講教師清晰講解每個實(shí)驗(yàn)的目的、原理、設(shè)備、步驟和注意事項(xiàng)，并且靈活穿插介紹了通過實(shí)驗(yàn)測流量、流速的各種儀器以及采用先進(jìn)儀器的應(yīng)用所取得的科研成果實(shí)例，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。與此同時任課教師通過“雨課堂”隨機(jī)抽取學(xué)生回答問題以及通過布置思考題來考查學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維意識及對延伸知識的掌握情況。教師線上教學(xué)如圖2所示。

圖2 教師線上教學(xué)

在學(xué)生操作水力學(xué)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(shí)驗(yàn)操作過程以及實(shí)驗(yàn)要求，在實(shí)驗(yàn)教師嫻熟的操作演示和生動的講解下，仿真實(shí)驗(yàn)室平臺上圖文并茂；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)、流程動畫應(yīng)有盡有；豐富的可選性仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和與之對照的真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備錄像視頻同步展現(xiàn)眼前；讓人產(chǎn)生身臨其境的感受，使得實(shí)驗(yàn)課程不泛知識性、趣味性和吸引力。學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)操作及書寫實(shí)驗(yàn)報告有疑問時，任課教師通過QQ為學(xué)生一一解答。學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后，會在QQ群反饋?zhàn)约菏欠裢瓿蓪?shí)驗(yàn)，任課老師通過學(xué)生的反饋可以清楚地了解到實(shí)驗(yàn)的實(shí)施情況和學(xué)生掌握的程度。目前了解到，學(xué)生開展此專業(yè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的效果令人滿意。學(xué)生操作虛擬仿真平臺如圖3所示。

圖3 學(xué)生操作虛擬仿真平臺

4.3 取得的成效

隨著疫情緩解，學(xué)生陸續(xù)返校，線下設(shè)計型實(shí)驗(yàn)也井然有序地開展，利用大型實(shí)驗(yàn)儀器開展的綜合性實(shí)驗(yàn)，如“水躍實(shí)驗(yàn)”“閘孔出流實(shí)驗(yàn)”“水流壓力脈動測試”等，需要學(xué)生團(tuán)結(jié)合作完成，從制定設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，把時域過程轉(zhuǎn)換成頻域過程的數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容來豐富水利類學(xué)生本專業(yè)經(jīng)典理論知識及基本操作技能，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知潛能和創(chuàng)新思維。100%的學(xué)生順利按時完成了“水力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)計劃，效果較好。

5 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)課程的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)踐本身就是新課題、新教學(xué)方式的一種創(chuàng)新性嘗試。在新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中需高度重視現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的共享屬性、超前性和智慧性；充分選擇、發(fā)揮和有效利用現(xiàn)有的各種優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺為教學(xué)所用；認(rèn)真做好教學(xué)計劃、實(shí)施方案和相關(guān)準(zhǔn)備工作；認(rèn)真做好對學(xué)生的組織、管理和細(xì)致的引導(dǎo)工作；堅持線上、線下兩條腿走路，優(yōu)勢互補(bǔ)；與時俱進(jìn)、不拘一格地改革和創(chuàng)新教學(xué)手段。

實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)既是挑戰(zhàn)，同時也是機(jī)遇。以此為契機(jī)，深入探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)換，促進(jìn)綜合實(shí)驗(yàn)性虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與現(xiàn)場教學(xué)結(jié)合的“常態(tài)化”，不斷提升學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力，推動智慧教學(xué)與專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的深度融合，同時也是一流課程建設(shè)努力的方向。