新工科背景下線上線下實驗實踐教學體系探索

摘 ?要：文章以環(huán)境工程核心課——水污染控制工程的配套實驗和實習教學為例，比較了新冠肺炎疫情期間虛擬仿真實驗和線下實驗課教學、云端實習和線下實習的教學過程及教學效果。在此基礎上，基于新工科環(huán)境類專業(yè)對學生的培養(yǎng)要求和對畢業(yè)生能力要求，從教學狀態(tài)、互動情況、成績分布、學生狀態(tài)、教師狀態(tài)等方面，對比分析了現(xiàn)有的線上和線下實驗實踐教學體系的優(yōu)點和不足之處，對虛實結(jié)合混合式教學在實驗實踐教學體系中的發(fā)展進行建議和展望，以期為開展新工科背景下的實驗實踐教學改革和提升教學效果提供有益的啟示。

關(guān)鍵詞：新工科;實驗實踐教學;水污染控制工程;混合式教學

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0068-04

Abstract： Taking the supporting experiments and internships of a professional core course of environmental engineering， Water Pollution Control Engineering， as an example， this paper compares the teaching process and teaching effect between virtual simulation experiments and offline experiments， cloud internships and offline internships since the COVID-19 epidemic. The advantages and disadvantages of the existing online and offline experiments and internships are compared and analyzed from the aspects of teaching status， interaction， score distribution， student status， teacher status， etc. Based on the training requirements and the ability requirements of new engineering for graduates in environmental majors， this paper makes suggestions and prospects for the development of the mixed teaching in the experimental practice teaching system， and it is expected to provide useful enlightenment for carrying out teaching reform and improving teaching effect under the background of new engineering.

Keywords： new engineering; experimental practice teaching system; Water Pollution Control Engineering; mixed teaching system

2020年伊始，受新冠肺炎疫情的影響，高校教育面臨新的挑戰(zhàn)。教育部印發(fā)了《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》[1]，華中科技大學也在春季學期按原定教學計劃開展了線上課堂教學，做到了“停課不停教、停課不停學”。而作為環(huán)境工程專業(yè)核心課之一的水污染控制工程，不但有理論課教學，還有與之相配套的綜合實驗、實習等教學環(huán)節(jié)。理論、實驗、實習的課程設置相輔相成，既強調(diào)理論學習的重要性，也強調(diào)學生實操能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力[2]。在無法開展線下實驗和實地參觀實習的情況下，華中科技大學環(huán)境科學與工程學院的專業(yè)教師根據(jù)本課程的特點精心挑選了虛擬實驗項目和云端實習，進行了線上的實驗和實習教學。本文比較了最近兩年來，在新形勢下開展的虛擬仿真實驗課和線下實驗課、云端實習和線下實習的教學過程和教學效果，對線上線下實驗和實踐教學環(huán)節(jié)的差異進行了分析，并在此基礎上，對線上線下實驗實踐教學的發(fā)展方向進行了探討。

一、線上虛擬實驗教學與傳統(tǒng)線下實驗教學過程的比較分析

在最近兩年的教學實踐過程中，我們對與水污染控制工程相配套的實驗教學過程和師生狀態(tài)進行了總結(jié)，并對虛擬（線上）實驗和線下實驗過程的特點進行了對比和分析，詳情見表1。

分析認為，在充分利用線上資源共享的條件下（例如2020年疫情期間），虛擬仿真的線上實驗具有成本低、安全性高、時間空間靈活的顯著優(yōu)勢。因此，在涉及到一些大型綜合性實驗（例如：時間很長，需要幾天甚至十幾天的實驗）[3]，或者危險性較高的實驗，或者由于經(jīng)費和設備有限、不具備實驗條件的實驗時，虛擬實驗是一個相當有利的選擇。當然，虛擬仿真實驗項目的研發(fā)可能需要大數(shù)據(jù)支持，需要三維建模的應用，需要結(jié)合人工智能、人機交互，需要傳感器、超級計算、云計算，需要虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化的技術(shù)手段[4]，才能提高仿真實驗教學的吸引力和教學效果。因此，單一的學院（系）專業(yè)教研組難以開發(fā)這樣的綜合性虛擬仿真實驗項目，更重要的是，難以持續(xù)地根據(jù)實際的技術(shù)發(fā)展狀況、不斷地更新完善這種綜合性虛擬仿真實驗項目，導致虛擬仿真實驗與實際工程場景脫節(jié)[5];另一方面，耗費巨大成本而開發(fā)出的仿真實驗項目，如若僅僅提供給單一的學院（系）的少數(shù)專業(yè)學生來進行教學使用，也是不經(jīng)濟的。利用高校的科研能力，結(jié)合教學需求，與專業(yè)的項目建設公司（團隊）進行合作開發(fā)，并在使用過程中合理地利用線上資源進行共享（可收費），可能是此類虛擬仿真實驗教學項目得以發(fā)展和不斷更新的重要渠道。

此外，必須注意到，與傳統(tǒng)的線下實驗相比，虛擬實驗不能培養(yǎng)學生的實際動手操作能力，不能讓學生學會使用各種儀器設備，更重要的是也很難培養(yǎng)學生的規(guī)范操作和安全意識。并且，對于一些用時較短的單項操作實驗而言，開發(fā)虛擬仿真實驗項目是不經(jīng)濟的。因此，從實驗教學的角度而言，單項小型實驗（例如：沉淀實驗）采用線下方式，綜合性大型實驗（例如：污水處理工藝設計實驗）采用虛擬仿真的線上方式，這可能成為未來工科實驗教學的發(fā)展方向。例如，由于突發(fā)疫情的原因，剛結(jié)束的第三屆全國大學生市政環(huán)境類創(chuàng)新實踐能力大賽決賽臨時改為在線虛擬仿真比賽，其比賽的主要內(nèi)容即為污水處理廠的虛擬仿真設計。

二、線上云端實習與傳統(tǒng)線下實習過程的比較分析

我們對與水污染控制工程課相配套的實習教學環(huán)節(jié)也進行了總結(jié)，并對云端（線上）實習與傳統(tǒng)的線下實習過程的特點進行了對比和分析，詳情見表2。

隨著人們環(huán)保意識的提高和污水處理工藝的發(fā)展，污水處理工藝設備日趨復雜。越來越多的污水處理廠出于氣味、安全性等方面的考慮，會采取給處理池加蓋、給設備加防護欄等措施，因此，在傳統(tǒng)的現(xiàn)場實習過程中，學生常常并不能真正看到設備的工作狀態(tài)和處理池的構(gòu)造。此外，現(xiàn)代污水處理工藝流程中對現(xiàn)場操作的要求很高，實習單位出于對生產(chǎn)安全和對學生人身安全的考慮，通常會限制學生的認知實習、生產(chǎn)實習的時間和空間范圍，這就使得學生在污水處理廠或處理站的實習過程中，大多數(shù)僅僅停留在參觀處理單元的外表和瀏覽平面圖紙的層面上，無法深入了解污水處理工藝單元及設備的運行狀態(tài)，不能直接學習水質(zhì)檢測和工藝參數(shù)控制、設備調(diào)試等方法。而線上的云端實習可由專業(yè)人員通過視頻進行詳細介紹，并且可以克服地域和經(jīng)費的限制，實習所及的范圍可以更廣泛。

但是，必須指出，云端實習并不能給學生以直觀的感官感受，例如嗅味、聲音、觸覺、空間感等，學生難以感受現(xiàn)場，可能對污水處理廠或處理站產(chǎn)生一些錯誤認知。例如，曾有學生在去實際的污水處理廠進行現(xiàn)場參觀實習之后，才發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代污水處理廠的實際空間比他想象的要大得多，而工作環(huán)境也并不像他之前想象的那么糟糕。因此，當條件允許時，盡量采取就近的線下實習，并輔以云端實習，此為最佳選擇。

三、教學效果和成績分布狀態(tài)

圖1顯示了華中科技大學近兩年所開展的、與水污染控制工程課相配套的虛擬（線上）實驗與線下實驗成績各分數(shù)段的人數(shù)占比情況。由圖可知，傳統(tǒng)的線下實驗分數(shù)段更為集中，主要分布在中高分數(shù)段;而虛擬實驗的分數(shù)段分布相對來說更為分散，低分段和高分段相對更多。

究其原因，線上虛擬實驗相對來說方便快捷，可以無成本地多次重復[6]。因此對于一些自我要求較高的學生來說，如果第一次實驗達不到想要的效果，他會尋找原因、調(diào)整參數(shù)，多次重復實驗，直至達到目標為止;并且會在這個過程中發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題，并寫進實驗報告，因此可以取得非常高的分數(shù)。而由于設備臺套數(shù)和實驗空間的限制，線下實驗多為3-4人的小組實驗，組內(nèi)學生之間需要進行團隊配合，這個過程能夠幫助學生理解團隊合作的意義，理解個人在團隊中的作用，鍛煉與團隊成員合作溝通的能力。但是，同組學生的實驗數(shù)據(jù)相同，實驗報告通常也很相似，因此成績相近，一些混水摸魚的學生也可能取得不錯的分數(shù)。而在線上的虛擬仿真實驗中，每一個學生都需要獨立完成，那么一些能力稍遜或者自我要求不高的學生，就會出現(xiàn)明顯的低分。可見，由于個體的不同，自我要求和自學能力不同的學生在虛擬實驗中的收獲大不相同，這個差異性可能遠超過傳統(tǒng)線下實驗所表現(xiàn)出來的差異性。

四、學生的反饋情況

由于線上虛擬實驗和云端實習課程剛剛開展，大部分學生感覺較為新奇，給出了較為正面的評價，但同時也指出了線上教學的不足之處，并提出了改進的建議。主要有如下幾個方面：

（1）在水控配套實驗中，通過虛擬仿真實驗可以靈活方便地研究活性污泥系統(tǒng)內(nèi)有機物降解、污泥增長、耗氧等過程與各項設計參數(shù)、運行參數(shù)以及環(huán)境因素之間的關(guān)系，這是線下實驗很難做到的。

（2）工藝流程設計中，可以靈活選擇相關(guān)的處理單元并且進行組合、進行平面布置和空間排列，可以了解到每一個處理單元的構(gòu)造，有助于反思過程的優(yōu)缺點，并激發(fā)研究新工藝新組件的動力。

（3）在每個問題出現(xiàn)的時候，軟件都會給出對應的操作指示引導學生自己操作解決問題，而每次工程問題評分系統(tǒng)得到的100分也讓學生體會到了解決問題的滿足感;但有時軟件引導不夠明顯，操作界面過于隱蔽，給學生造成誤導，浪費時間，希望有所改進。

（4）虛擬工藝設計可以通過場景中風向、地形地貌、交通、水體等基本信息，較為合理地布置總平面圖和3D效果圖，3D體驗能多方位接觸自己的布局，處理構(gòu)筑物內(nèi)部可視、具象，在幫助學生掌握其功能和作用的同時，也增加了趣味性。

（5）在實地參觀時，每一處構(gòu)筑物的停留時間由講解員決定，有時一個設施還沒來得及弄明白就要去下一個地方;而在線上的虛擬污水處理廠內(nèi)，可以隨便進行游覽，更加全面地了解整個污水處理廠的設施及其運行狀態(tài)。

（6）虛擬環(huán)節(jié)有些細節(jié)顯示不到位，希望能夠有機會自己動手操作、去實際污水廠進行參觀，線上虛擬與線下實際相結(jié)合，認識會更加清晰，理解會更為全面。

五、結(jié)束語

新工科理念是中國高校工程教育改革的指導方針，為適應未來復雜多變的世界和實現(xiàn)中華民族偉大復興，高校需要培養(yǎng)實踐與創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)創(chuàng)新型、應用型、復合型的卓越工程人才[7-8]。工程實驗實踐教學是使學生對課程基本概念、原理、工藝等加深理解的一個重要環(huán)節(jié)，以工程應用為出發(fā)點，培養(yǎng)學生提出問題、分析問題、解決問題的能力，是新工科背景下實驗實踐教學環(huán)節(jié)的重要目標。充分利用資源整合，開展線上線下相結(jié)合的混合式教學，將是新形勢下工程教育專業(yè)未來發(fā)展的方向。

線上的虛擬教學過程能夠彌補傳統(tǒng)的線下實驗實踐教育的不足，適合開展線下實驗條件不具備、實際運行困難的大型綜合性實驗項目，也可以解決線下實踐過程中的看不見構(gòu)筑物內(nèi)部構(gòu)造、無法感知單元設備工藝運行狀態(tài)等問題。利用高校的科研能力，結(jié)合教學需求，與專業(yè)的項目建設公司（團隊）進行合作開發(fā)，并在使用過程中合理地利用線上資源進行共享（可收費），可能是虛擬仿真實驗教學項目得以發(fā)展和不斷更新完善的重要渠道。單項小型實驗采用線下方式，綜合性大型實驗采用虛擬仿真方式，以就近的線下實習為主，云端實習為輔，可能成為未來工科實驗實踐教學的重要發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]教育部.教育部印發(fā)指導意見疫情防控期間做好高校在線教學組織與管理工作[EB/OL].（2020-2-5）.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/202002/t20200205_418131.html.

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[3]任山章，楊清，夏豪穎，等.虛擬實驗對本科生科學實踐能力提升的探究——以杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院本科生為例[J].高教學刊，2021（23）：169-172.

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