應(yīng)用型本科環(huán)境工程學(xué)實驗混合式教學(xué)模式改革

羅薇楠 楊國靖 沙昊雷 白春節(jié)

[摘 要] 以“工程化”理念為基礎(chǔ)，在原有“環(huán)境工程學(xué)實驗”教學(xué)改革的基礎(chǔ)上，針對教學(xué)中現(xiàn)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(xué)模式，進行了工程化實驗教學(xué)的全過程改革探索。通過優(yōu)化整合實驗室資源，規(guī)范開放實驗室管理制度為實驗教學(xué)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(xué)過程管理與考核評價體系，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主學(xué)習(xí)能力，提升了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 應(yīng)用型人才;環(huán)境工程實驗;在線課程;混合式教學(xué)

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)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(tǒng)的精英化研究型培養(yǎng)模式已不適用于很多高校。大批應(yīng)用型本科高校迅速找準(zhǔn)了自身定位，積極開啟應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式與學(xué)科建設(shè)的探索、改革與實踐[1-3]，而應(yīng)用型高等教育人才也正是當(dāng)前各地方經(jīng)濟發(fā)展所亟須的建設(shè)力量。浙江萬里學(xué)院位于經(jīng)濟發(fā)達的長三角地區(qū)寧波市，在新時期生態(tài)環(huán)境建設(shè)的背景下，環(huán)境工程專業(yè)的培養(yǎng)重點需要結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境發(fā)展特點，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)實際需求，成為能夠?qū)⒐こ趟季S與生態(tài)理念相結(jié)合的高素質(zhì)應(yīng)用型人才?！碍h(huán)境工程學(xué)實驗”是環(huán)境工程專業(yè)一門重要的實踐課程，重點培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、邏輯思維、工程素養(yǎng)和理論聯(lián)系實際的綜合分析設(shè)計能力，對于本專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要意義。我系已針對應(yīng)用型人才的創(chuàng)新能力與素質(zhì)培養(yǎng)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(yè)認(rèn)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(chǔ)上，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)平臺、虛擬仿真“VR技術(shù)”等，進一步豐富教學(xué)資源，整合開放性實驗，突出“應(yīng)用型”和“工程設(shè)計”的特色，進行多方位混合式教學(xué)模式的探索與實踐。

一、目前教學(xué)中存在的問題

（一）實驗內(nèi)容與生產(chǎn)實際關(guān)聯(lián)度不強

目前“環(huán)境工程學(xué)實驗”課程設(shè)置中雖然存在一定的開放性、設(shè)計性實驗，但要么已沿用多年，內(nèi)容陳舊，要么偏向于教師的科研理論研究，與地方經(jīng)濟發(fā)展和需求結(jié)合力不強，沒有充分發(fā)揮地區(qū)經(jīng)濟優(yōu)勢。有些開放性實驗可以在研究生學(xué)長指導(dǎo)下進行一些數(shù)據(jù)的重復(fù)監(jiān)測，出幾幅數(shù)據(jù)圖就算完成任務(wù)，達不到工程訓(xùn)練的培養(yǎng)目標(biāo)，也使學(xué)生養(yǎng)成了被動依賴而不是主動探索的習(xí)慣。我系在應(yīng)用型人才培養(yǎng)探索過程中積極加強校企合作，優(yōu)化人才培養(yǎng)體系，建立了大量的校外企業(yè)實習(xí)實踐基地，在工程化教育背景下，要將這些優(yōu)勢資源應(yīng)用到日常教學(xué)中來，充分發(fā)揮地區(qū)經(jīng)濟優(yōu)勢，培養(yǎng)真正適合于行業(yè)需求的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

（二）復(fù)雜的工程類實驗無法體驗

工程化應(yīng)用型教學(xué)應(yīng)該使學(xué)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(guī)模的、復(fù)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(xiàn)，學(xué)生能夠親身實踐操作的都是拆分成單元的單一工程環(huán)節(jié)，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(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)）日益進入人們的工作和生活中[5]。利用VR技術(shù)建立的虛擬仿真實驗可以非常好地彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，將需要的場景從抽象的平面圖紙轉(zhuǎn)化為生動、立體的真實環(huán)境，是一種全新的教學(xué)方法改革與探索[6]。環(huán)境工程的專業(yè)特點也非常適用于VR技術(shù)展示，近年來也得到了廣泛的技術(shù)研究并證明了其可行性[7，8]。

（三）過程化評價體系不完善，學(xué)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實驗報告等，看似比較全面，實際執(zhí)行過程中卻發(fā)現(xiàn)很多環(huán)節(jié)難以真實反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)生課后提交，期末考試的題目也是偏理論型，因此出現(xiàn)一些普遍的奇怪現(xiàn)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(jié)果難以體現(xiàn)出學(xué)生的整個學(xué)習(xí)過程，也影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主能力。

二、混合式教學(xué)模式實踐過程

（一）“線上+線下”混合式過程學(xué)習(xí)

依托本校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)線上課程，采用“微課+翻轉(zhuǎn)課堂+討論區(qū)+試題庫”等手段，結(jié)合傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，形成“線上+線下”混合式教學(xué)模式，加強過程學(xué)習(xí)管理。線上線下的具體內(nèi)容和評價方式如表1所示。每次實驗課前，學(xué)生必須在網(wǎng)絡(luò)平臺上學(xué)習(xí)微課視頻，在實驗報告冊上完成實驗?zāi)康?、原理、主要操作過程和關(guān)鍵點等實驗預(yù)報告。課上由分組學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)情況進行講解，其他組可以提問和討論，教師只起引導(dǎo)作用，實質(zhì)上是“翻轉(zhuǎn)課堂”的模式。實驗過程中在線開放討論區(qū)，學(xué)生可隨時上傳實驗過程圖片，發(fā)現(xiàn)并討論問題。實驗結(jié)束提交數(shù)據(jù)時順便提交各組互評結(jié)果，由教師統(tǒng)籌給分，并在實驗結(jié)束后馬上進行在線測驗。整個過程充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時鍛煉了溝通協(xié)作、邏輯分析和語言表達能力，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)，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(xué)生之間的討論學(xué)習(xí)，同時起到了清晰記錄實驗過程的作用，可對學(xué)生的整個學(xué)習(xí)過程進行全方位督促，學(xué)生必須親自完成任務(wù)，而且對于任務(wù)的完成情況一目了然。通過“線上+線下”混合式教學(xué)過程，改變了以往平時成績界定不清，部分學(xué)生蒙混過關(guān)的情形，學(xué)生的學(xué)習(xí)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(shè)置

傳統(tǒng)的環(huán)境工程學(xué)實驗因場地、安全等條件所限，一般只限于單個反應(yīng)單元的裝置搭建、過程運行，或幾個反應(yīng)單元的簡單串聯(lián)，而實際的環(huán)境污染治理工藝技術(shù)要遠比這些復(fù)雜，尤其是涉及區(qū)域生態(tài)環(huán)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(shè)置上應(yīng)用了近年來高速發(fā)展的虛擬仿真（VR）技術(shù)，增加了“區(qū)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(xué)生親身體驗工程現(xiàn)場感與完整的工藝流程，得到全方位的工程訓(xùn)練，并初步具有區(qū)域整體生態(tài)環(huán)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(rèn)識補充，傳統(tǒng)的環(huán)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(fā)酵”等依然是常規(guī)實驗項目，學(xué)生動手操作的實踐能力培養(yǎng)依然位于首位。

采用虛擬仿真與實際操作相結(jié)合的方式，可以進行相關(guān)實驗內(nèi)容的整合，形成模塊化實驗，有利于學(xué)生整體工程思維模式的培養(yǎng)。例如：在理論課相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)之后，先進行“區(qū)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(xué)生對規(guī)模化城市污水的處理流程有一個整體的認(rèn)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(biāo)測定實驗”“SBR工藝運行實驗”“污泥脫水及其指標(biāo)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(nèi)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(xué)生的印象，使理論知識充分轉(zhuǎn)化為能夠?qū)嶋H應(yīng)用的能力素質(zhì)。

（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(shè)計或自選課題實驗。必修實驗采用傳統(tǒng)的固定課表、小班上課模式，而開放實驗沒有固定時間，由學(xué)生自行組織選題、調(diào)研、設(shè)計出執(zhí)行方案后找相關(guān)教師預(yù)約實驗場地與時間，在遵守實驗室規(guī)章制度的前提下自主完成。

本課程中要求每位學(xué)生必須參與1～2項自主設(shè)計實驗，每組人數(shù)不超過5人。根據(jù)近幾年課程開放實驗運行效果，要求學(xué)生選擇的開放式自主設(shè)計實驗必須是實際應(yīng)用的工程類實驗，要結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實際，不能只是實驗理論研究和數(shù)據(jù)的重復(fù)監(jiān)測。進一步深化整體工程思維模式的培養(yǎng)，使自主設(shè)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(yè)污水的綜合分析與治理”實驗，學(xué)生可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟生產(chǎn)情況自主調(diào)研，在校外實習(xí)基地或者與我校建立就業(yè)聯(lián)絡(luò)的企業(yè)中選擇需要處理的不同類型污水，例如水產(chǎn)加工、水果罐頭生產(chǎn)、印染廠、造紙廠等，從項目調(diào)研、水質(zhì)分析、工藝選擇、污泥培養(yǎng)、工藝運行等過程進行全方位設(shè)計，并得出初步結(jié)果。工程類開放實驗工作量較大，這部分內(nèi)容可與環(huán)境工程課程設(shè)計、素質(zhì)拓展項目以及學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目相結(jié)合，共同打造環(huán)境工程化實踐課程體系。

（四）實驗教學(xué)資源優(yōu)化與制度保障

1.實驗室資源優(yōu)化整合。依托全院實驗教學(xué)示范中心分析測試平臺，結(jié)合環(huán)境工程實驗室原有大型儀器設(shè)備，豐富了專業(yè)分析測試儀器的種類和數(shù)量，學(xué)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(yù)約制，根據(jù)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(dǎo)下操作、專職教師指導(dǎo)操作等方式，操作使用過程記錄全部聯(lián)網(wǎng)，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(yè)軟件，我們整合了學(xué)院原有的AutoCAD教室，改造成“環(huán)境工程規(guī)劃與設(shè)計實驗室”，供本課程使用的同時還可進行環(huán)境工程水、氣、固廢處理工藝等課程設(shè)計，使資源共享充分利用。此外，課程教學(xué)還依托了本院水處理工程實訓(xùn)基地，與原有環(huán)境工程實驗室共同作為實驗場所，為學(xué)生充分打造一個寬敞完備的實驗平臺。

2.規(guī)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(zhàn)，既要給學(xué)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(xué)生明確要求了實驗室的各項規(guī)章制度，明確了開放實驗室的功能、房間號和預(yù)約時段，嚴(yán)格執(zhí)行線上預(yù)約與審批制度，采用門禁授權(quán)通行，關(guān)鍵實驗過程中指導(dǎo)老師必須在場，其余過程指導(dǎo)老師必須在實驗樓內(nèi)并知曉學(xué)生實驗進行情況。實驗過程中采取組長負(fù)責(zé)制，每組控制在各自實驗臺范圍內(nèi)活動，實驗結(jié)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(xué)習(xí)記錄，完善了實驗考評體系，如表2所示。平時成績結(jié)合線上和線下的過程統(tǒng)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(xì)過程記錄，而且線上統(tǒng)一導(dǎo)出成績非常方便快捷。期末考試嘗試采用線上線下相結(jié)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(tǒng)自動評分;線下筆試為主觀題，出題方式全部采用綜合性設(shè)計、分析、計算題，不再采用傳統(tǒng)的簡答、問答、名詞解釋等題型，考核內(nèi)容緊密結(jié)合課程內(nèi)容，可允許學(xué)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(xué)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(xué)生講明，評價過程公開透明，因此學(xué)生的重視程度較高。線上的任務(wù)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(fā)布隨機模擬測驗時，平均每個學(xué)生都自愿練習(xí)了十幾次，這就達到了我們想要學(xué)生真正學(xué)習(xí)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(xiàn)了“過程為主、態(tài)度優(yōu)先、能力主導(dǎo)”的評價思想，極大地激勵了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度，使課程的教學(xué)質(zhì)量獲得了很大提升，加強了以綜合能力培養(yǎng)為核心的應(yīng)用型工程人才的實踐環(huán)節(jié)教育過程。

結(jié)語

以工程化應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，改進了環(huán)境工程學(xué)實驗課程的教學(xué)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(shè)、引入VR實驗、改進自主開放實驗的工程應(yīng)用性等混合式教學(xué)手段，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了我系一直以來以“知識—能力—素質(zhì)”為核心的應(yīng)用型人才培養(yǎng)理念，致力于培養(yǎng)出適應(yīng)國家生態(tài)環(huán)境建設(shè)和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展需要，富有創(chuàng)新精神和社會責(zé)任感的高級應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

參考文獻

[1]宗恩敏，蔣勝韜，江錦花，等.面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的《環(huán)境工程實驗》教學(xué)改革初探[J].教育教學(xué)論壇，2020（12）：170-171.

[2]劉云慶，王興磊，張藝，等.環(huán)境工程實驗教學(xué)的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2019，38（3）：203-205.

[3]孫凱，司友斌，湯婕.基于科研創(chuàng)新和應(yīng)用人才培養(yǎng)的環(huán)境工程學(xué)實驗課程改革探究[J].黃山學(xué)院學(xué)報，2019，21（3）：121-126.

[4]沙昊雷，楊國靖，羅薇楠，等.環(huán)境工程實驗“工程化”教學(xué)體系的改革與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2015（16）：265-266.

[5]虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書[R].北京：中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，2016.

[6]高東鋒，王森.虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展對高校實驗教學(xué)改革的影響與應(yīng)對策略[J].中國高教研究，2016（10）：56-59.

[7]周作明，呂碧洪，荊國華.仿真教學(xué)及“自我解釋”在環(huán)境工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2016，19（3）：97-99.

[8]高春梅，邢云青，冀世鋒，等.環(huán)境工程實驗中引入VR技術(shù)的必要性分析[J].教育教學(xué)論壇，2021（21）：25-28.

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