工科實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施線上教學(xué)的應(yīng)對和展望

杜爾登，鄭 璐，彭明國，王利平

（1. 常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇常州213164；2. 常州大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，江蘇常州213164）

0 引言

極端天氣、地質(zhì)災(zāi)害、疾病傳播等不可控因素往往會影響高校學(xué)生的正常生活和學(xué)習(xí)。為強(qiáng)化2020年春季國內(nèi)的防控要求，在教育部“停課不停學(xué)”的指導(dǎo)方針下，國內(nèi)高校暫時停止所有課程的面授教學(xué)，并將所有課程轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)平臺上。然而網(wǎng)絡(luò)教學(xué)對工程學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)帶來了巨大挑戰(zhàn)。本質(zhì)上實(shí)驗(yàn)課程是學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將它們轉(zhuǎn)換為在線形式必然會改變學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的行為和經(jīng)驗(yàn)獲得，學(xué)生無法充分利用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和儀器設(shè)備，很難獲得真實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)。

1 工科實(shí)驗(yàn)課程所面臨的挑戰(zhàn)

Newman 提出，真實(shí)有效的教學(xué)體驗(yàn)包含3 個標(biāo)準(zhǔn)：學(xué)生能夠構(gòu)建知識體系；學(xué)生通過探索構(gòu)建知識體系；學(xué)生能進(jìn)行超越當(dāng)前知識體系的探索［1］。在正常教學(xué)條件下，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中完成預(yù)定實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)過程可以幫助學(xué)生探索和構(gòu)建新的知識體系，實(shí)現(xiàn)既定培養(yǎng)目標(biāo)。然而在防控背景下無法進(jìn)行面對面實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，當(dāng)教學(xué)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)平臺時，很難為學(xué)生提供真實(shí)有效的教學(xué)體驗(yàn)。因此如何在網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)具有相當(dāng)?shù)碾y度。

“水質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)”是給排水科學(xué)與工程、環(huán)境工程等專業(yè)的一門重要核心實(shí)驗(yàn)課程，是培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行水處理研究和動手能力的重要手段，教學(xué)內(nèi)容通常包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、水樣采集、水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、水處理實(shí)驗(yàn)方法等模塊［2-3］。在課程設(shè)計(jì)中學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中完成具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。然而在防控背景下，如何有效實(shí)施網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)？根據(jù)“水質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)”課程特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際，采取了強(qiáng)化在線互動和在線演示、建設(shè)和豐富多媒體教學(xué)資源庫、使用虛擬仿真在線平臺、探索遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作等一系列應(yīng)對措施和方法，教學(xué)效果較明顯，順利完成了“水質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)”網(wǎng)上教學(xué)。

2 積極有效的應(yīng)對措施

2.1 強(qiáng)化在線互動和在線演示

對于普通理論課程來說，線上教學(xué)能夠基本保證講授所有教學(xué)內(nèi)容，確保教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)進(jìn)度按計(jì)劃完成，做到授課內(nèi)容不減、教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)不降、教學(xué)進(jìn)度不拖。在實(shí)驗(yàn)課程的線上教學(xué)中，通過攝像頭、教學(xué)軟件和網(wǎng)絡(luò)課堂，可以完成實(shí)際操作之外的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)理論與設(shè)計(jì)和演示性實(shí)驗(yàn)不需要學(xué)生動手操作，比較適合進(jìn)行線上教學(xué)；而對于需要學(xué)生動手操作的實(shí)驗(yàn)，也可以通過線上教學(xué)講授實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)設(shè)備介紹、實(shí)驗(yàn)方法和步驟等基礎(chǔ)知識。此外，在線視頻教學(xué)軟件的出現(xiàn)極大豐富了演示性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)體驗(yàn)。教師可以給學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)教學(xué)PPT、視頻和圖片，通過共享電子白板、電腦屏幕等，與學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)討論，而學(xué)生可以基于電腦、手機(jī)、平板等多個平臺積極參與教學(xué)和討論，并與教師進(jìn)行互動。

在“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”教學(xué)模塊中，通過播放準(zhǔn)備好的幻燈片，給學(xué)生講授“正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”“響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析”等理論內(nèi)容。為了給那些無法親臨實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生提供盡可能好的體驗(yàn)，進(jìn)行了同步、在線、實(shí)時的實(shí)驗(yàn)演示。比如在“水樣采集”教學(xué)中，教學(xué)老師在湖邊使用攝像頭、自拍桿等創(chuàng)造了一個能夠?qū)崟r演示、并和學(xué)生進(jìn)行互動的教學(xué)平臺，為同學(xué)們演示如何進(jìn)行水樣采集，并講授水樣采集的知識要點(diǎn)；在現(xiàn)場直播過程中，學(xué)生還可以就相關(guān)實(shí)驗(yàn)提出問題并得到實(shí)時反饋。

2.2 建設(shè)和豐富多媒體教學(xué)資源庫

多媒體教學(xué)資源庫是網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的寶庫。教學(xué)資源庫在框架上分為視頻教學(xué)影片、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、資源下載等，形成視頻、動畫、文字、課件等圖文并茂的多媒體網(wǎng)絡(luò)資源。網(wǎng)絡(luò)資源庫方便老師和學(xué)生檢索相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，同時也有利于學(xué)生在課外自學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

多媒體資源庫的核心是水處理設(shè)備和水分析儀器的教學(xué)演示視頻，包括吸附、反滲透、電絮凝、過濾器、消毒反應(yīng)器等。針對儀器和水處理設(shè)備的相關(guān)內(nèi)容，制作并上傳了如何使用儀器的多媒體教學(xué)片段。學(xué)生通過反復(fù)觀看儀器教學(xué)視頻（如分光光度計(jì)、色譜儀等），了解和掌握儀器使用過程。此外還制作了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，內(nèi)容均來自學(xué)生使用的實(shí)驗(yàn)教材，同時在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中將相關(guān)的圖片、視頻、文章等進(jìn)行鏈接，方便學(xué)生學(xué)習(xí)。

2.3 使用虛擬仿真在線平臺

隨著科技飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方式正在發(fā)生改變。計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了虛擬實(shí)驗(yàn)室和虛擬仿真軟件的產(chǎn)生［4］。虛擬仿真軟件采用與真實(shí)設(shè)備類似的工作界面，學(xué)生在電腦上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。 目前已建設(shè)了“ 水處理虛擬仿真在線系統(tǒng)（WEEFZ）”，將活性炭吸附、生物濾池、活性污泥法等典型水處理工藝進(jìn)行直觀展示。以“活性炭吸附”實(shí)驗(yàn)?zāi)K為例（見圖1），學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)登錄在線系統(tǒng)后，能夠直接輸入活性炭投加量、污染物濃度、吸附時間等初始反應(yīng)條件，單擊模擬后，可直接獲得剩余污染物濃度、吸附容量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就如同學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行活性炭吸附實(shí)驗(yàn)一樣，學(xué)生得到的模擬體驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)沒有明顯差別。

教學(xué)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)良好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室活動相比，產(chǎn)生了相似的學(xué)習(xí)效果和學(xué)生參與度。學(xué)生自主操作，充分發(fā)揮主觀能動性，促進(jìn)學(xué)生對典型水處理工藝原理、特點(diǎn)等知識點(diǎn)的掌握，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。

圖1 活性炭吸附虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.4 探索遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，所有實(shí)驗(yàn)都是通過軟件模擬的；而遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)指的是基于互聯(lián)網(wǎng)的可控動手實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)和儀器自動化技術(shù)的提高為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作提供了可能。通過在原有儀器設(shè)備上增添互聯(lián)網(wǎng)控制功能模塊，所有學(xué)生均可遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)室中的儀器設(shè)備并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生登錄網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，輸入不同的測試條件并觀察測試結(jié)果的變化，獲得與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)相同的教學(xué)體驗(yàn)，加深對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識和理解。

在“曝氣充氧”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基于網(wǎng)絡(luò)和視頻監(jiān)控，為氣泵增加了遠(yuǎn)程控制開關(guān)，使用TeamViewer 軟件能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作啟動和關(guān)閉氣泵，通過視頻實(shí)時查看氣泵運(yùn)行狀態(tài)、溶解氧儀上顯示的溶解氧數(shù)值等，實(shí)現(xiàn)對氣泵運(yùn)行調(diào)控的實(shí)時反饋。學(xué)生根據(jù)溶解氧數(shù)值結(jié)果可獲得溶解氧曲線，并計(jì)算出氧傳質(zhì)系數(shù)。此外，通過視頻還可以觀察儀器周邊情況、開啟或關(guān)閉室內(nèi)電源或照明等操作，也方便了教師對實(shí)驗(yàn)室儀器的管理和安全保障需求。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作能夠提供接近實(shí)驗(yàn)室活動的教學(xué)體驗(yàn)，更好滿足學(xué)生在探索方面的需求。

2.5 參考往屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)撰寫實(shí)驗(yàn)報告

盡管通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、虛擬仿真、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作等方式滿足了大部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，但是依然有部分實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，無法獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一個解決方法是在教學(xué)資源庫中向?qū)W生提供往屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣學(xué)生就可以分析這些數(shù)據(jù)并撰寫實(shí)驗(yàn)報告［1］。學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)課堂上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)講義，掌握實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程，下載往屆學(xué)生前一年實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)文件，隨后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，制作圖表，并寫入實(shí)驗(yàn)報告。通過檢查實(shí)驗(yàn)報告來判斷學(xué)生是否掌握實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理方法，一定程度上滿足了實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。但是如果往屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不好，將直接影響當(dāng)前學(xué)生的數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)報告，最后可能影響學(xué)生最終成績。

3 教學(xué)體會

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)成果和學(xué)生參與度超過原有預(yù)期。學(xué)生能夠積極參與實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，課程總體滿意度達(dá)到了92.3%。然而由于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的內(nèi)在局限性，依然存在一些不足。

（1）盡管設(shè)計(jì)良好的虛擬仿真平臺能夠促進(jìn)學(xué)生參與和學(xué)習(xí)，達(dá)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)相似的教學(xué)效果，但是由于仍然無法直觀感受實(shí)驗(yàn)過程，因此無法滿足學(xué)生充分探索的需求；此外，盡管老師在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，然而對使用虛擬仿真平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)不足，無法設(shè)計(jì)完全滿足教學(xué)目標(biāo)的虛擬仿真過程。

（2）學(xué)生反復(fù)觀看教學(xué)視頻掌握儀器和設(shè)備使用過程，但是可能依然無法正確理解數(shù)據(jù)。比如“使用液相色譜測定污染物”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生要把色譜圖寫入實(shí)驗(yàn)報告。但是由于學(xué)生并沒有真正收集數(shù)據(jù)，所以他們不知道這些色譜圖意味著什么，從而很難處理數(shù)據(jù)和正確解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3）實(shí)驗(yàn)室課堂教學(xué)中，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)報告、考勤等是最終評定成績的組成部分。學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)記錄本中撰寫實(shí)驗(yàn)流程、化學(xué)試劑、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容，但是由于學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中缺乏具體的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，將很難充分理解實(shí)驗(yàn)過程。

4 結(jié)論與展望

國內(nèi)2020年春季的防控要求給各級教育系統(tǒng)帶來了許多挑戰(zhàn)，尤其對那些講授實(shí)驗(yàn)課程的大學(xué)工科教師來說是一個特別的挑戰(zhàn)。在工科教學(xué)體系中，實(shí)驗(yàn)室教學(xué)是理解和應(yīng)用專業(yè)內(nèi)容的關(guān)鍵。在“水質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，通過強(qiáng)化在線互動和在線演示、建設(shè)和豐富多媒體教學(xué)資源庫、使用虛擬仿真在線平臺、探索遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作等方式，滿足了防控期間學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式充分保障了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和質(zhì)量。

防控最終會過去，但是對實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索卻無法停歇。在防控狀態(tài)下采用的虛擬仿真在線平臺、多媒體教學(xué)資源庫等是對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效探索和補(bǔ)充。但是實(shí)驗(yàn)室活動依然是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要環(huán)境，防控結(jié)束后需要鼓勵學(xué)生補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)室活動環(huán)節(jié)。此外如何對學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)效果進(jìn)行評價將是另外一個迫切需要討論的問題。

此次防控措施將使我們思考：需要進(jìn)一步加強(qiáng)課程信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)課程資源的融合；如何通過實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)將大城市的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源進(jìn)行共享，從而普惠邊遠(yuǎn)和貧困地區(qū)。未來隨著AI 人工智能、5G、大數(shù)據(jù)技術(shù)等應(yīng)用的發(fā)展，將會涌現(xiàn)出更多的教學(xué)類型、教學(xué)模式，這都是未來需要思考和探索的方向。