信息化背景下農(nóng)業(yè)院校水力學實驗課程教學改革探索與實踐

關鍵詞：混合式教學；水力學實驗；線上線下結合；教學模式

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)和信息技術的快速發(fā)展，使得線上線下混合式教學模式得到蓬勃式發(fā)展，并將成為未來高校教學的新常態(tài)[1]?；旌鲜浇虒W旨在充分利用線上教學的優(yōu)勢，同時結合傳統(tǒng)教學的特點，實現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補與相互融合，提供更加靈活和豐富的教學方式，已廣泛應用于專業(yè)理論課堂的教學上，并取得了較好的教學效果[2-7]。目前混合式教學模式也開始在實踐課程中進行應用，但相關應用研究尚不多見[8-12]。實踐教學是工程教育的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑[13-14]。水力學實驗課程是具有較強實踐性的課程，具有理論教學不可替代的重要作用，在當前工程專業(yè)認證和教育信息化背景下，改革傳統(tǒng)的水力學實驗課程教學，將信息技術與實驗教學相結合，采用線上線下混合式多元化的水力學實驗課程教學模式，是非常重要和必要的[15]。

考慮到混合式教學模式的優(yōu)勢，結合中國農(nóng)業(yè)大學水利類專業(yè)的自身發(fā)展特點，本研究嘗試改變現(xiàn)有的教學方法和手段，探索利用信息技術和虛擬仿真手段開展線上+線下+虛擬仿真混合式多元化水力學實驗課程教學模式，旨在突破傳統(tǒng)的單一線下實驗教學方式，進一步激發(fā)學生主動學習的積極性，提高學生的綜合實踐能力，提升水力學實驗課程教學的效果，進一步推動信息化技術與專業(yè)實踐教學的深度融合。

1 教學現(xiàn)狀與存在問題

1.1 教學現(xiàn)狀

水力學實驗課程是水利類專業(yè)重要的實踐性課程，旨在使學生加深對水力學中基本概念和基本理論的認識，了解解決水力學問題的基本方法，并掌握專業(yè)領域相關的工程實驗原理及方法；使學生具備一定的專業(yè)實驗技能，針對復雜工程問題能夠進行科學的試驗設計；培養(yǎng)學生分析、解決工程實際應用中有關水力學問題的能力。

結合農(nóng)業(yè)水利工程和水利水電工程專業(yè)的自身發(fā)展特點，中國農(nóng)業(yè)大學將水力學實驗課程從理論課中分離出來，開設獨立的水力學實驗課程，安排16學時，共17個實驗項目（其中演示實驗2個），記0.5學分。實驗指導教材主要為自編教材。課程集中安排在夏季學期進行，實行全天候的開放式實驗，采用單一線下教學模式。

1.2 存在問題

當前水力學實驗課程主要存在3方面問題。①學生課前缺乏預習，導致課中難以入手，線下實操時還在查看實驗指導教材，導致實驗效率不高。②實驗多為驗證性實驗，實驗指導教材中操作步驟過于詳盡，導致學生形成一種惰性心理，即只需要按部就班地進行實驗操作，制約了學生自主思考的積極性及創(chuàng)新能力。③實驗教學缺乏信息化技術的應用，難以適應教育信息化背景下實驗教學發(fā)展的需求。

2 教學模式改革

結合多年的水力學實驗課程教學經(jīng)驗，在分析傳統(tǒng)水力學實驗課程教學中存在問題的基礎上，從3個方面構建了線上+線下+虛擬仿真混合式多元化水力學實驗課程教學模式，技術路線如圖1所示。

2.1 整合優(yōu)化實驗教學資源

（1）優(yōu)化實驗指導教材。在原有實驗教材基礎上，對教材結構進行了重新編排和優(yōu)化。增加了探索性實驗和設計性實驗項目內(nèi)容，如在動量定律實驗中，增加了測定實驗裝置靈敏度的拓展性實驗；在沿程水頭損失實驗中，增加了利用沿程損失實驗儀器對實驗管段平均當量粗糙度的測定進行設計的設計性實驗內(nèi)容。針對實驗步驟太過詳盡的問題，修訂的教材對實驗步驟進行了適當?shù)木?，避免學生形成只需按照步驟完成實驗的惰性心理，給學生留下足夠的思考和發(fā)揮空w/NCwzpMGFUKtl9x5r/E3w==間。此外，改進了課后分析思考題，旨在提高學生的綜合訓練能力。

（2）整合實驗教學資源。利用互聯(lián)網(wǎng)資源，實現(xiàn)水力學實驗課程教學資源的整合。收集了線上的相關實驗操作、實驗原理講解、生活中的水力學實驗現(xiàn)象和水力現(xiàn)象模擬等視頻資源，以及實驗室的實驗錄像視頻，結合自編的電子實驗指導教材，整合優(yōu)化形成水力學實驗的數(shù)字課程資源庫，為學生提供直觀生動、聲畫并茂的在線教學資源，如圖2所示。學生可以隨時隨地反復觀看學習。如水躍實驗，整合了包括水躍實驗原理講解、水躍實驗錄像、一些生活中的水躍現(xiàn)象、水躍現(xiàn)象CFD模擬視頻和水躍實驗指導文件；消能池實驗整合了包括白鶴灘大壩是如何做到泄洪消能的、水庫對沖消能、消能池CFD模擬、消能池實驗原理講解及消能池實驗錄像等視頻資源；文丘里實驗整合了包括文丘里管關于伯努利原理闡述、差壓流量計文丘里管的測量原理、文丘里流量計內(nèi)流動情況演示、文丘里實驗原理講解及文丘里實驗錄像等視頻資源。

生動豐富的在線教學資源，突破了空間上和時間上的限制，為學生提供了更加彈性靈活的學習環(huán)境，增強了學生主動學習的積極性。

2.2 線上+線下+虛擬仿真混合式多元化實驗教學方法

（1）課前環(huán)節(jié)：線上預習、資源學習、開展線上虛擬仿真實驗?；谒W實驗數(shù)字課程資源庫及浙江大學開發(fā)的虛擬仿真實驗平臺，引導學生進行自主學習，了解實驗原理、實驗目的，熟悉實驗操作流程，及時發(fā)現(xiàn)問題，并通過微信群等平臺進行互動。同時可對相關的水力實驗現(xiàn)象進行拓展學習。如流體靜力學實驗，通過蛟龍?zhí)柹顫摰陌咐曨l引出靜水壓強等問題，讓學生了解水靜力學的水力現(xiàn)象及基本規(guī)律。

在線上資源學習的基礎上，進行虛擬仿真實驗。平臺提供了流體靜力學、文丘里、能量方程、動量方程、雷諾、沿程水頭損失、局部水頭損失、畢托管測速與修正系數(shù)標定、孔口與管嘴出流、堰流、水躍、消能池和水面曲線共13個虛擬仿真實驗。學生可以在任何時間任何地點進行線上學習與仿真實驗，突破時空限制。線上虛擬仿真實驗具有開放共享性、可重復性、可拓展性等優(yōu)勢，生動的仿真實驗使得學生實驗的興趣增強了，主動性和積極性提高了。此外，通過虛擬仿真實驗，使學生全面了解實驗的操作過程、相關的規(guī)律、實驗中可能遇到的問題和可能產(chǎn)生的結果等，從而對實驗過程有更深的認識，為下一步線下實驗的順利實施奠定了良好的基礎。

（2）課中環(huán)節(jié)：結合線上資源開展線下實操實驗。線下實驗是整個實驗教學過程的主體，可以鍛煉學生的實踐動手能力，提高小組成員的團隊協(xié)作能力，師生之間的溝通交流也更直接高效。

在課前的學習和虛擬仿真實驗操作的基礎上，學生進入實驗室開展集中的線下實驗。實行開放自助、目標管理、彈性教學的線下全天候開放式實驗教學方式，即實驗時間、儀器設備、實驗項目全開放，為學生提供相對主動自由的實驗環(huán)境。在夏季學期內(nèi)，學生可以任意選擇實驗時間、任意挑選實驗項目及儀器設備來做實驗，學生以2～3人為一組，既各司其職又團結協(xié)作完成17個實驗。17個實驗中有2個為演示性實驗、15個為實操性實驗，15個實驗可分為水靜力學實驗、水動力學實驗和明渠實驗3大類。

實驗過程中，學生可以隨時隨地通過移動設備查看電子資源和虛擬仿真實驗，提高實驗成功率。教師實時巡查，掌握學生的實驗動態(tài)，及時解決學生實際操作中遇到的問題，與學生進行充分的互動交流。開放式的實驗不僅提高了實驗儀器的利用率，而且提高了學生實驗的積極性和參與度，同時給學生提供足夠的時間和空間進行思考，從而有效地培養(yǎng)學生的動手實踐和獨立思考的能力[15]。

明渠實驗案例：堰流實驗主要有以下3個步驟。①學生在線學習堰流實驗指導材料、堰流實驗原理講解、實驗錄像和堰流水力現(xiàn)象等視頻資料，如圖3所示。依托由浙江大學開發(fā)的虛擬仿真實驗平臺，進行堰流虛擬仿真實驗，如圖4所示。線上堰流實驗可以選擇圓角寬頂堰、直角寬頂堰、WES型堰和克奧型堰4種不同的堰型，測量不同堰型下自由出流的流量系數(shù)。如果操作不當，頁面會彈出錯誤提示以便改正。虛擬仿真實驗可使學生對堰流實驗操作流程和可能出現(xiàn)的問題有全面的了解。②經(jīng)過課前的學習和虛擬仿真實驗演練之后，學生進入實驗室親自動手開展堰流實驗。由于設備的限制，線下實驗只能進行圓角寬頂堰和WES型堰的測量，虛擬實驗彌補了不同堰型選擇的不足。當學生在實驗過程中遇到問題，引導學生分析問題產(chǎn)生的原因，如何去尋找解決問題的方法。教師實時巡查，適時溝通交流，引導學生思考測量淹沒系數(shù)都有vF3eSCUbT+wtPwp4w7PvF41CKJJgE0eh58ckV7oo3lg=哪些方法，測量時產(chǎn)生誤差的可能原因，分析在實驗中應該采取哪些措施能夠盡可能減小誤差，分析不同堰型下游變化對堰過流能力有什么影響等。③完成實驗后，學生根據(jù)所測數(shù)據(jù)，計算流量、流速、堰頂水頭等過程參數(shù)，確定不同堰型下自由出流的流量系數(shù)和寬頂堰下淹沒出流的淹沒系數(shù)等，并回答課后思考題，完成實驗報告。

（3）課后環(huán)節(jié)：進行綜合評估。完成實驗后，學生結合虛擬仿真與實操實驗，對所獲得的數(shù)據(jù)進行整理、分析，對實驗中發(fā)現(xiàn)的問題進行反思，回答課后思考題，撰寫實驗總結報告并提交。

線上+線下+虛擬仿真混合式多元化實驗教學模式注重過程考核和學生學習能力的評價，所以課程考核采用線上參與過程+線下實驗過程+實驗報告+綜合答辯的方式來綜合評定學生的實驗課程成績。線上參與過程主要考核學生線上學習和虛擬仿真實驗的參與情況，針對虛擬仿真實驗可在后臺系統(tǒng)對學生的線上實驗過程進行查詢統(tǒng)計，包括學生的實驗時長、實驗完成度、實驗數(shù)據(jù)結果等。線下實驗過程主要根據(jù)學生實驗操作、實驗參與程度、小組同學團結協(xié)作情況等方面來進行評估。實驗報告主要根據(jù)學生實驗報告中數(shù)據(jù)處理、繪圖分析及回答問題情況評定。綜合答辯設置一對一答辯環(huán)節(jié)考核學生的學習能力及實驗參與度等，每位學生都要進行答辯，根據(jù)學生回答問題的情況評定答辯成績。通過4個環(huán)節(jié)綜合考察學生的學習能力、實驗動手能力和發(fā)現(xiàn)問題解決實際問題的能力。

2.3 實驗教學改革效果

2023年，針對2021級農(nóng)業(yè)水利工程和水利水電工程專業(yè)，實施線上+線下+虛擬仿真混合式多元化水力學實驗教學改革，為了了解學生在教學改革后的收獲及其評價，通過無記名問卷調(diào)查和學生發(fā)表感想的形式對教學效果進行反饋。無記名問卷調(diào)查結果如表1所示，學生對本實驗教學模式滿意度100%，其中非常滿意達60.7%；對課程考核方式認可度100%，其中54.1%學生表示非常認可；對于實驗課程參與度，97.0%的學生完全參與，3.0%的學生基本參與；對于虛擬實驗是否對線下實操有幫助，100%學生認為有幫助，其中65.6%學生認為非常有幫助；對于實驗教學改革效果評價結果，72.1%學生認為效果好建議繼續(xù)使用，26.2%學生可以接受，1.7%學生無所謂。除了無記名問卷調(diào)查，每個小組學生對本實驗課程改革各自發(fā)表了自己的看法和感想。總體上，學生對混合式多元化水力學實驗教學模式非常認可，認為線上線下相結合的水力學實驗課程教學模式可以為學生提供更全面、更靈活和互動的學習體驗，能幫助學生更好地理解和應用水力學知識，更有效地滿足學生的學習需求，增強學生的學習效果和綜合實踐能力。

線上虛擬仿真實驗可以彌補線下實操實驗做不了或者完成不了的一些實驗過程，線上可以改變實驗的條件，可以設計不同的工況，并可自主設計實驗等，而線下實驗由于其實驗環(huán)境真實、可親自動手實踐操作，具有虛擬實驗無可替代的優(yōu)勢。線上學習、虛擬仿真與線下實驗以虛促實、虛實結合、相輔相成及優(yōu)勢互補，突顯了實驗教學的靈活性，不受時空的限制，實現(xiàn)了從被動接受到主動學習的教學模式轉(zhuǎn)變，充分調(diào)動學生實驗的積極性，進一步激發(fā)學生學習的興趣，培養(yǎng)學生獨立思考解決問題的能力和探索創(chuàng)新的精神，有效地促進了教學質(zhì)量的提升。

3 結束語

中國農(nóng)業(yè)大學水利類專業(yè)成功實施了線上+線下+虛擬仿真混合式多元化水力學實驗課程教學改革，并取得了顯著的成效。生動豐富的在線教學資源為學生提供了更靈活的學習空間，虛擬實驗和實操實驗結合，更好地激發(fā)了學生的創(chuàng)造力和想象力，顯著提升了學生的參與度和實驗能力，有效改善了教學效果。未來實驗教學中，將進一步完善在線教學資源，修訂優(yōu)化實驗指導教材，探索創(chuàng)新的教學方法和手段，不斷改進水力學實驗教學模式，提高學生的學習效果和綜合實踐能力，不斷提升實驗教學質(zhì)量。