新冠感染疫情下遠程虛擬仿真實驗及在線教學探索與實踐

薛招騰，徐 浩

（1.上海應用技術大學 化學與環境工程學院，上海 201418；2.海軍軍醫大學第一附屬醫院感染科，上海 200433）

化工原理實驗是化工原理課程體系的重要組成部分，對學生理解化工原理各單元操作的原理、認識典型化工設備的結構及操作等有著重要的作用。2022 年受新型冠狀病毒感染疫情的影響，線下教學難以進行，這對教學的正常開展，尤其是實驗課程的開展提出了極大的挑戰。為了最大限度地減少疫情對教育教學的影響，奉行“停課不停教、停課不停學”的理念，將實驗課的教學轉移到線上，并結合實驗課的實際，在“北京歐倍爾”實驗平臺遠程開展了化工原理在線虛擬仿真實驗。針對理工科類學生疾病預防知識單薄，感控理念及經驗欠缺，在當前疫情突發的背景下，將傳染病防治有關知識引入課堂，消除學生對疫情的焦慮，增強學生防護意識，同時拓展學生的知識面。

一 教學過程

（一）學情分析

授課班級共36 名學生，男女比例適中。在作者的講授下，本班同學于上學期完成了化工原理理論課程的學習及化工原理課程設計實踐環節的學習，同學與老師之間可開展良好的互動；學生對化工原理基本原理、單元設備結構、操作原理等內容均掌握良好。連續五天實驗課五個實驗項目，分別是流體機械能轉換、離心泵特性曲線測定、傳熱實驗、精餾實驗和雷諾實驗，實驗進度快、實驗多，報告撰寫及計算量大。受疫情影響，學生均居家學習，無法到校進行線下實驗；教師同樣無法到校進行演示實驗，故而將線下實驗調整為遠程在線虛擬仿真實驗。因疫情期間，學生普遍存在焦慮心理，有必要將傳染病防治知識引入課堂。

（二）課前準備

開課前兩周，通過學習通發布課程安排和具體要求，并上傳了學習資料，以保證所有學生均備好在線實驗的電腦軟/硬件條件，并提前進行預習和熟悉仿真實驗平臺。

開課前三天，通過騰訊會議進行預備課，對課程安排、實驗預習、報告提交方式、仿真操作及評分標準等進行詳細說明。選擇流體機械能轉換實驗為例，進行了仿真實驗演示，讓學生進一步了解模擬實驗平臺的操作過程及評分標準，并安排學生結合學習資料和虛擬仿真相關材料開展預習，撰寫實驗預習報告。學生結合上述資料且結合虛擬仿真實驗平臺的三維操作界面，可更加清晰地認識實驗設備的結構、操作步驟、實驗原理，大大提高預習效果[1]。結合上海疫情的實際情況，在專業醫生的指導下，引入疫情防控常態化下有關的傳染病防治知識，鼓勵學生克服焦慮，正確認識傳染病，做好安全防護，充分利用在家的時間，努力學習科學文化知識。

（三）課堂教學

課前，教師批閱學生提交的預習報告，了解學生對實驗目的、實驗原理及操作步驟等的認識程度，便于在理論講解時，有針對性地提問和講解。課上，教師通過在線直播，結合預習報告中存在的問題，用PPT 演示的方式講解當日項目的實驗目的，幫助學生回顧基本原理、實驗操作等內容，然后結合仿真平臺，講解關鍵的操作步驟及注意事項。由于學生在家上課，學習氣氛不濃，且在線教學老師難以關注到每一位同學的學習狀態，因此增加師生互動頻次十分必要。利用學習通平臺的選人功能隨機挑選學生互動，了解學生對基礎知識的掌握程度和預習的效果，加深學生對實驗內容的理解和認識。如在實驗原理講解過程中，請學生回顧重要計算公式；在關鍵的操作步驟及注意事項講解過程中，請學生“上臺”講解。學生在實驗平臺進行模擬仿真實驗時，仿真平臺根據學生的操作給出評分。教師通過實時查看仿真平臺后臺數據及與學生共享屏幕等方式，實時了解學生實驗的進展及實驗中的問題，并及時進行答疑和講解。仿真實驗允許學生多次進行實驗。相比于線下分組實驗，線上仿真實驗克服了由于線下實驗設備不足及實驗時間的限制，學生可在實驗完畢后再次進入仿真平臺進行重復實驗。這樣可加深學生對實驗的認識，且當學生發現實驗數據有誤時，可重復實驗進行改正。

（四）實驗報告批閱與反饋

實驗報告反映了學生對實驗理論及實驗操作的認識。不同于以往學生在所有實驗結束后提交一整本實驗報告，課程要求學生當日實驗結束后通過學習通提交實驗報告。一方面促進學生形成“當日事當日畢”的習慣，另一方面可便于教師盡早批改實驗報告，及時發現共性的問題，在次日進行講解。其次，教師在批改的過程中，在學習通的批語欄中可指出實驗報告存在的問題，并要求學生進行修改，促進學生形成精益求精的學習態度。

二 課后調查問卷

（一）在線虛擬仿真實驗對線下實驗的替代

實驗項目結束后，通過問卷調查的形式了解學生對在線仿真實驗及在線教學的看法，便于教師進一步改善教學方法、提高教學質量。

在線虛擬仿真實驗，可以克服線下實驗課程時間安排和分組實驗等限制[2]，學生可不受時間、地點的限制，多次重復進行實驗，從而加深對實驗的認識，且3D 的實驗界面，有助于吸引學生的注意力。由表1 可知，36 名同學中，91.7%認為在線仿真實驗不受時空限制、不受實驗條件限制，80.6%認為在線仿真實驗可多次重復實驗，33.3%認為在線仿真實驗的3D 畫面有吸引力。相對于線下實驗或線下仿真實驗，在線仿真實驗不受時空限制，不受實驗條件限制，彌補了傳統實驗不能實現的教學功能，為當下實驗教學質量的提高提供了一個有效的問題解決方案[3-4]，這是在線虛擬仿真實驗最大的優勢。

表1 在線仿真實驗的優缺點

由于在線仿真實驗為遠程操作，可遠程訪問實驗平臺的服務器，將實驗數據存儲在該服務器中，且疫情期間，多個高校、多個班級同時進行在線仿真實驗，可能會出現服務器繁忙導致網絡卡頓或連接不流暢。由表1 可知，69.4%的同學認為在線仿真實驗存在畫面不流暢、網絡卡頓的問題。該問題在非緊急情況下基本可克服，基本不會出現服務器同時被多個高校，多個班級同時訪問的情況。另有61.1%的同學認為在線仿真實驗沒有身臨其境的感覺。相比線下實驗，線上實驗裝置的操作，均由鍵盤/鼠標進行。如線下實驗中，需要手動扳動閥門，而線上實驗僅需要鼠標點擊即可實現。線下實驗可從多角度、多方位觀察實驗裝置，熟悉管路情況，了解物料流向；線上仿真實驗盡管可以實現操作者在裝置的前后左右移動，甚至可以實現操作者蹲下、站立，實現從不同角度、不同高度觀察設備，但是依然難以達到線下實驗身臨其境的效果，這是在線仿真實驗最大的缺點。

圖1 為在線仿真實驗對線下實驗的替代度。從圖1 中可以看出，25%的同學認為在線仿真實驗完全可以替代線下實驗，尤其是針對驗證性教學實驗；86.1%的同學認可在線仿真實驗對線下實驗的替代（A+B+C）；只有13.9%的同學對替代持否定態度（D+E）。

圖1 在線仿真實驗對線下實驗的替代度

學生對在線仿真實驗的滿意度如圖2 所示，可看出所有同學對在線仿真實驗是滿意的（A+B+C），無不滿意的同學，且41.7%的同學持非常滿意的態度。

圖2 學生對在線仿真實驗的滿意度

從問卷中反饋的關于在線虛擬仿真實驗的優缺點可看出：在線仿真實驗可作為線下實驗的有效補充，但不能完全替代線下實驗[5]。對于一些學校無法建立的大型實驗，可利用在線仿真實驗作為有效的補充。同時，將在線仿真實驗加入到理論教學過程中，更有助于學生理解理論知識，88.9%的同學期待在理論教學的過程中加入在線仿真實驗，有利于提高學生學習的積極性，加深學生對理論知識的理解程度。

另外，本次在線仿真實驗只能在電腦端操作，58.3%的同學對開發手機端的仿真實驗有期待。手機端仿真實驗，將進一步打破時空等實驗條件的限制。不論是集中實驗階段，還是理論學習階段，均可隨時隨地進行仿真操作。將理論上的分析、設計、計算進行可視化演示或操作，降低學生認識理解上的難度，可激發學生學習的熱情[6-7]，加深其對理論知識的理解和認識。

（二）在線教學分析

本次實驗課授課班級為2019 級學生，其大一經歷了2020 年上半年的疫情，又經歷了2022 年的疫情，兩次疫情導致兩個學期大部分教學均轉移到線上。由表2 可知，學生主要用到過的在線教學方式為教師直播、線上交流，師生聊天區互動、學生觀看老師錄制的視頻然后和老師互動。教師直播是最簡單、最直接的方式，借助騰訊會議、釘釘直播等平臺，共享教學資料，即可將線下教學轉移到線上；線上交流，師生聊天區互動，該方式對于一些以學生為主的實踐課比較適用，教師用于回答學生的問題及針對性地對一些共性問題進行講解；教師提前錄制好教學視頻，學生先觀看視頻，然后師生互動，該方式可以高效利用教學時間，學生提前觀看教學視頻，將更多的時間留在課堂互動。

表2 學生用到的在線教學主要方式

本次實驗課程屬于實踐課。采取了上述三種在線教學方式相結合的模式。理論部分的講解，由教師進行直播，便于師生互動；學生實驗前，首先觀看教師或仿真實驗平臺錄制的視頻，然后教師講解實驗注意事項，師生進行相應的互動；學生實驗過程中，教師在線隨時回答學生問題，并對一些共性問題進行集中講解。

圖3 為學生對本次在線實驗教學課的滿意度。由圖3可以看出，69.4%的同學對課程非常滿意，25%的同學對課程較滿意，5.6%的同學對課程基本滿意。可見94.4%的同學對課程持較滿意以上的態度。

圖3 學生對在線實驗教學課的滿意度

（三）教學反思

從調查問卷發現，半數學生認為在線實驗不方便、軟件卡頓不夠靈活。本次使用在線仿真實驗平臺遠程進行實驗，是突發疫情下的應急教學措施。常態下將在線仿真實驗作為教學輔助，遠程仿真平臺服務器不會出現瞬間網絡擁堵等問題。問卷中指出的其他問題，如課堂氣氛不活躍、師生交流方式單一等，在今后的教學中也應當克服。尤其是在線教學，應當多增加互動頻次以活躍課堂氣氛，加強師生交流。

另外，調研發現，94.4%的同學期待今后實驗教學改為在線仿真和線下實驗相結合模式。在線虛擬仿真實驗，可加深學生在預習階段對實驗的認識，有助于學生對實驗過程的理解，避免在線下實驗過程中存在不敢動手、害怕錯誤等問題；實驗后還可進行實驗數據的驗證，便于學生對實驗結論的理解。今后的化工原理理論課及實驗課的教學中，將在線虛擬仿真引入其中，將有利于教學目標的實現。

三 結束語

通過在線教學+遠程在線虛擬仿真實驗，完成了化工原理實驗課的教學。其中，在線教學通過騰訊會議和學習通平臺實現，遠程在線虛擬仿真實驗通過北京歐倍爾仿真平臺實現。通過教師在線講解、線上指導及虛擬仿真實驗，學生順利完成了各項學習任務，達到了教學目標，且教學效果良好。在疫情防控常態化的背景下，在高校各非醫學類專業學生培養的過程中，引入疾病防控相關課程，或在專業課程中引入部分疾病防控相關知識，有助于學生降低焦慮，并對正確認識傳染性疾病有一定的效果，為今后全民普及傳染病防治、疫情防控有著重要的意義。今后將在線虛擬仿真實驗引入理論課學習階段及線下實驗課程中，對教學目標的實現有促進作用。開發手機端的仿真實驗，將進一步打破實驗條件的限制，學生可隨時隨地進行仿真操作，進一步加深對單元操作設備及原理的認識，降低學生認識理解上的難度，激發學習的熱情，利于加深對理論知識的理解和認識。對于一些學校無法建設的大型實驗，亦可通過引入虛擬仿真實現。此次實驗課的在線教學+在線虛擬仿真，使得特殊期間教育教學能夠順利開展，并積累了相關經驗，也為今后將虛擬仿真引入到理論課及實驗課教學中奠定了一定的基礎。