應用型本科環境工程學實驗混合式教學模式改革

羅薇楠 楊國靖 沙昊雷 白春節

[摘 要] 以“工程化”理念為基礎，在原有“環境工程學實驗”教學改革的基礎上，針對教學中現存問題，采用“線上+線下”“實際操作+虛擬仿真”“固定+開放”幾種混合式教學模式，進行了工程化實驗教學的全過程改革探索。通過優化整合實驗室資源，規范開放實驗室管理制度為實驗教學提供支持與保障。采用“線上+線下”全過程評價方式，完善了教學過程管理與考核評價體系，調動了學生的學習積極性和自主學習能力，提升了應用型人才培養的實踐環節教學質量。

[關鍵詞] 應用型人才;環境工程實驗;在線課程;混合式教學

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）10-0079-04 [收稿日期] 2021-09-02

近年來，隨著高等教育大眾化步伐的不斷邁進，傳統的精英化研究型培養模式已不適用于很多高校。大批應用型本科高校迅速找準了自身定位，積極開啟應用型人才培養模式與學科建設的探索、改革與實踐[1-3]，而應用型高等教育人才也正是當前各地方經濟發展所亟須的建設力量。浙江萬里學院位于經濟發達的長三角地區寧波市，在新時期生態環境建設的背景下，環境工程專業的培養重點需要結合區域經濟與生態環境發展特點，培養學生適應當前行業實際需求，成為能夠將工程思維與生態理念相結合的高素質應用型人才。“環境工程學實驗”是環境工程專業一門重要的實踐課程，重點培養學生的動手能力、邏輯思維、工程素養和理論聯系實際的綜合分析設計能力，對于本專業人才培養具有重要意義。我系已針對應用型人才的創新能力與素質培養進行了多年研究與實踐，并取得了一定成效[4]，但隨著工程化模式的進一步推進和工程教育專業認證的需要，尚有一些必須改革的問題。因此在前期教改的基礎上，利用“互聯網+”技術平臺、虛擬仿真“VR技術”等，進一步豐富教學資源，整合開放性實驗，突出“應用型”和“工程設計”的特色，進行多方位混合式教學模式的探索與實踐。

一、目前教學中存在的問題

（一）實驗內容與生產實際關聯度不強

目前“環境工程學實驗”課程設置中雖然存在一定的開放性、設計性實驗，但要么已沿用多年，內容陳舊，要么偏向于教師的科研理論研究，與地方經濟發展和需求結合力不強，沒有充分發揮地區經濟優勢。有些開放性實驗可以在研究生學長指導下進行一些數據的重復監測，出幾幅數據圖就算完成任務，達不到工程訓練的培養目標，也使學生養成了被動依賴而不是主動探索的習慣。我系在應用型人才培養探索過程中積極加強校企合作，優化人才培養體系，建立了大量的校外企業實習實踐基地，在工程化教育背景下，要將這些優勢資源應用到日常教學中來，充分發揮地區經濟優勢，培養真正適合于行業需求的高素質應用型人才。

（二）復雜的工程類實驗無法體驗

工程化應用型教學應該使學生最大限度地接近工程實際，但是由于工程本身的特點，一些大規模的、復雜的、存在一定危險性和不可控因素的模型和場景無法在實驗課上體現，學生能夠親身實踐操作的都是拆分成單元的單一工程環節，這樣體驗到的工程思維是分散的、割裂的。近年來，隨著計算機和互聯網技術的發展，虛擬現實技術（VR技術）日益進入人們的工作和生活中[5]。利用VR技術建立的虛擬仿真實驗可以非常好地彌補傳統實驗教學的不足，將需要的場景從抽象的平面圖紙轉化為生動、立體的真實環境，是一種全新的教學方法改革與探索[6]。環境工程的專業特點也非常適用于VR技術展示，近年來也得到了廣泛的技術研究并證明了其可行性[7，8]。

（三）過程化評價體系不完善，學生積極性不足

目前的課程評價方式為平時成績（70%）+期末筆試考核（30%），平時成績包括課堂出勤、提問、討論、操作和數據的準確性、實驗報告等，看似比較全面，實際執行過程中卻發現很多環節難以真實反映出學生的學習過程。因為工程類實驗不可能做到人手一套裝置，必然是分組進行的，實驗報告也是學生課后提交，期末考試的題目也是偏理論型，因此出現一些普遍的奇怪現象，如“一人操作多人看”“實驗報告抄得好”“考前重點背一背”等，使得最終的評價結果難以體現出學生的整個學習過程，也影響了學生的學習積極性和自主能力。

二、混合式教學模式實踐過程

（一）“線上+線下”混合式過程學習

依托本校網絡教學平臺建設線上課程，采用“微課+翻轉課堂+討論區+試題庫”等手段，結合傳統的課堂教學，形成“線上+線下”混合式教學模式，加強過程學習管理。線上線下的具體內容和評價方式如表1所示。每次實驗課前，學生必須在網絡平臺上學習微課視頻，在實驗報告冊上完成實驗目的、原理、主要操作過程和關鍵點等實驗預報告。課上由分組學生根據預習情況進行講解，其他組可以提問和討論，教師只起引導作用，實質上是“翻轉課堂”的模式。實驗過程中在線開放討論區，學生可隨時上傳實驗過程圖片，發現并討論問題。實驗結束提交數據時順便提交各組互評結果，由教師統籌給分，并在實驗結束后馬上進行在線測驗。整個過程充分調動了學生的學習積極性，同時鍛煉了溝通協作、邏輯分析和語言表達能力，培養了學生的綜合素質，而不是被動接受教師傳授的知識。

線上課程平臺可以有效加強師生互動和學生之間的討論學習，同時起到了清晰記錄實驗過程的作用，可對學生的整個學習過程進行全方位督促，學生必須親自完成任務，而且對于任務的完成情況一目了然。通過“線上+線下”混合式教學過程，改變了以往平時成績界定不清，部分學生蒙混過關的情形，學生的學習主動性和行為管理能力都得到了極大的提高。

（二）“實際操作+虛擬仿真”混合式項目設置

傳統的環境工程學實驗因場地、安全等條件所限，一般只限于單個反應單元的裝置搭建、過程運行，或幾個反應單元的簡單串聯，而實際的環境污染治理工藝技術要遠比這些復雜，尤其是涉及區域生態環境控制的連鎖型項目。為了獲得更好的工程化體驗，課程項目設置上應用了近年來高速發展的虛擬仿真（VR）技術，增加了“區域化城市污水處理全工藝流程（A2O與SBR法）”“板式靜電除塵與填料塔吸收處理工藝氣體”“生活垃圾填埋場全過程運行”等虛擬實驗，使學生親身體驗工程現場感與完整的工藝流程，得到全方位的工程訓練，并初步具有區域整體生態環境思想。但虛擬實驗畢竟只是上機操作，只能作為實際操作實驗的感性認識補充，傳統的環境工程實驗方法如“沉淀、中和、過濾、混凝、吸附、生化處理、固體發酵”等依然是常規實驗項目，學生動手操作的實踐能力培養依然位于首位。

采用虛擬仿真與實際操作相結合的方式，可以進行相關實驗內容的整合，形成模塊化實驗，有利于學生整體工程思維模式的培養。例如：在理論課相關內容學習之后，先進行“區域化城市污水處理全工藝流程（A2O與SBR法）”虛擬仿真實驗，使學生對規模化城市污水的處理流程有一個整體的認識，熟悉常用的工藝流程和具體的操作單元;接下來針對具體工藝分別進行實際操作演練，依次進行“顆粒自由沉淀實驗”“混凝沉淀實驗”“曝氣充氧實驗”“污泥生化指標測定實驗”“SBR工藝運行實驗”“污泥脫水及其指標測定實驗”等，形成一套完整的針對城市污水的水處理模塊實驗。在全部操作內容完成后，再回過頭重新體驗一遍虛擬實驗，使得原來模棱兩可的概念一一在頭腦中落實。這樣一個“理論—實踐—理論”的過程，可以鞏固加深學生的印象，使理論知識充分轉化為能夠實際應用的能力素質。

（三）“固定+開放”混合式管理方式

固定實驗即課程中的必修實驗，包括基本操作和VR實驗;開放實驗即自主設計或自選課題實驗。必修實驗采用傳統的固定課表、小班上課模式，而開放實驗沒有固定時間，由學生自行組織選題、調研、設計出執行方案后找相關教師預約實驗場地與時間，在遵守實驗室規章制度的前提下自主完成。

本課程中要求每位學生必須參與1～2項自主設計實驗，每組人數不超過5人。根據近幾年課程開放實驗運行效果，要求學生選擇的開放式自主設計實驗必須是實際應用的工程類實驗，要結合企業生產實際，不能只是實驗理論研究和數據的重復監測。進一步深化整體工程思維模式的培養，使自主設計的范圍更廣，深度更深。實驗題目只給一個主要方向，如“工業污水的綜合分析與治理”實驗，學生可根據當地經濟生產情況自主調研，在校外實習基地或者與我校建立就業聯絡的企業中選擇需要處理的不同類型污水，例如水產加工、水果罐頭生產、印染廠、造紙廠等，從項目調研、水質分析、工藝選擇、污泥培養、工藝運行等過程進行全方位設計，并得出初步結果。工程類開放實驗工作量較大，這部分內容可與環境工程課程設計、素質拓展項目以及學生創新創業項目相結合，共同打造環境工程化實踐課程體系。

（四）實驗教學資源優化與制度保障

1.實驗室資源優化整合。依托全院實驗教學示范中心分析測試平臺，結合環境工程實驗室原有大型儀器設備，豐富了專業分析測試儀器的種類和數量，學生可以此為依托開展高級別的開放型實驗。大型分析儀器的使用采用預約制，根據儀器操作使用的難易程度和精密級別，依次實行本科生獨立操作、研究生指導下操作、專職教師指導操作等方式，操作使用過程記錄全部聯網，也可作為教師評價實驗過程的參考。VR實驗需要獨立機房、專業軟件，我們整合了學院原有的AutoCAD教室，改造成“環境工程規劃與設計實驗室”，供本課程使用的同時還可進行環境工程水、氣、固廢處理工藝等課程設計，使資源共享充分利用。此外，課程教學還依托了本院水處理工程實訓基地，與原有環境工程實驗室共同作為實驗場所，為學生充分打造一個寬敞完備的實驗平臺。

2.規范開放實驗室管理制度。開放性實驗會給實驗室管理帶來挑戰，既要給學生充分的自由空間，又要保證實驗室的安全和良好運行。本實驗課程開始之初就對學生明確要求了實驗室的各項規章制度，明確了開放實驗室的功能、房間號和預約時段，嚴格執行線上預約與審批制度，采用門禁授權通行，關鍵實驗過程中指導老師必須在場，其余過程指導老師必須在實驗樓內并知曉學生實驗進行情況。實驗過程中采取組長負責制，每組控制在各自實驗臺范圍內活動，實驗結束后清理全部實驗用具。

三、建立全過程課程考評體系

通過線上線下全過程實驗學習記錄，完善了實驗考評體系，如表2所示。平時成績結合線上和線下的過程統計，不再是實驗報告和教師印象的簡單疊加，而是在每個實驗中都有詳細過程記錄，而且線上統一導出成績非常方便快捷。期末考試嘗試采用線上線下相結合的模式，其中線上機考全部為多項選擇題，從平臺的課程題庫中隨機抽考，系統自動評分;線下筆試為主觀題，出題方式全部采用綜合性設計、分析、計算題，不再采用傳統的簡答、問答、名詞解釋等題型，考核內容緊密結合課程內容，可允許學生攜帶本人實驗報告冊進行考試，避免了考前的死記硬背，也使得學生對于平時的實驗操作過程和實驗報告書寫更加重視。

由于課程考核評價方式在開課初就已對學生講明，評價過程公開透明，因此學生的重視程度較高。線上的任務人人積極完成，實驗報告也不只是填模板、走過場，因為知道了這是開卷考試的唯一參考資料，因此對于數據的準確性和分析討論的詳盡合理性都有了更高要求。在考前線上發布隨機模擬測驗時，平均每個學生都自愿練習了十幾次，這就達到了我們想要學生真正學習知識而不是背題目的目的。

這種“線上+線下”綜合考評模式體現了“過程為主、態度優先、能力主導”的評價思想，極大地激勵了學生的學習積極性和嚴謹認真的態度，使課程的教學質量獲得了很大提升，加強了以綜合能力培養為核心的應用型工程人才的實踐環節教育過程。

結語

以工程化應用型人才培養為目標，改進了環境工程學實驗課程的教學過程和評價體系。采用“線上+線下”全過程評價方式，通過在線課程平臺建設、引入VR實驗、改進自主開放實驗的工程應用性等混合式教學手段，提升了學生學習的自主性和創新能力，體現了我系一直以來以“知識—能力—素質”為核心的應用型人才培養理念，致力于培養出適應國家生態環境建設和區域經濟發展需要，富有創新精神和社會責任感的高級應用型工程技術人才。

參考文獻

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Reform on Mixed Teaching Mode of Environmental Engineering Experiment

for Applied Undergraduates

LUO Wei-nan， YANG Guo-jing， SHA Hao-lei， BAI Chun-jie

（Department of Environmental Engineering， College of Biological and Environmental Sciences， Zhejiang Wanli University， Ningbo， Zhejiang 315100， China）

Abstract： Based on the concept of engineering， aiming at the existing problems in teaching， this paper adopts several mixed teaching modes of “online + offline”， “practical operation + virtual simulation” and “fixed + open” to explore the whole process reform of engineering experimental teaching. By optimizing and integrating laboratory resources and standardizing the open laboratory management system， we can provide support and guarantee for experimental teaching. The whole process evaluation method of “online + offline” has been adopted to improve the teaching process management and evaluation system， mobilize students learning enthusiasm and independent learning ability， and improve the teaching quality of practical links of applied talent training.

Key words： applied talent; environmental engineering experiment; online course; mixed teaching