常態(tài)化疫情防控下水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

程娜，奚斌，唐雙成

（揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校教學(xué)環(huán)節(jié)中必不可缺的部分，它是學(xué)生對(duì)理論教學(xué)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和鞏固的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與理論教學(xué)相輔相成、缺一不可。在現(xiàn)今的工程教育標(biāo)準(zhǔn)中，在對(duì)學(xué)生畢業(yè)時(shí)具備的素質(zhì)中明確提出了“以學(xué)生為中心，全過程培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力”的高要求[1]。眾所周知，解決復(fù)雜工程問題的能力需要輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程實(shí)踐和社會(huì)實(shí)踐培養(yǎng)三個(gè)方面，排在第一位的就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可見實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性。國(guó)務(wù)院及時(shí)啟動(dòng)了高校教學(xué)應(yīng)急預(yù)案，2020年春季學(xué)期均延遲開學(xué)，但要求停課不停學(xué)，隨即線上教學(xué)全面展開[2]。在疫情常態(tài)化防控下，學(xué)生不能像以前一樣正常進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，實(shí)踐性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)該如何有序高效地開展呢？

本文以水力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)為例，該課程屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及水利工程、港口與航道工程、農(nóng)業(yè)水利工程、水文與水資源工程、給排水工程、環(huán)境工程、土木工程、能源動(dòng)力工程等多個(gè)學(xué)科多個(gè)專業(yè)。本文針對(duì)此類專業(yè)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)要求等特征，剖析常態(tài)化疫情防控背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困局，探索專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何分類逐步由線下轉(zhuǎn)到線上進(jìn)行線上開展教學(xué)改革方案。

一、常態(tài)化疫情防控下專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困局

（一）專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)是一個(gè)有機(jī)整體，不可分割，實(shí)驗(yàn)課程可以輔助學(xué)生對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行再次理解和鞏固[3]。水力學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課程和基礎(chǔ)課程到專業(yè)課程的過渡課程，其內(nèi)容較為抽象也比較重要，它是專業(yè)課程的基礎(chǔ)，如果理解掌握不清楚將會(huì)直接影響到學(xué)生后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)。所以，學(xué)生必須及時(shí)輔助實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行相關(guān)概念公式的理解和掌握，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)操作提高動(dòng)手能力，以達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際解決實(shí)際問題的能力要求[4]。另外，專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課涵蓋的專業(yè)、班級(jí)多，但是一般為了資源的有效利用，通常專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)室只設(shè)置在一個(gè)二級(jí)學(xué)院，用于承擔(dān)全校相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)，所以相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的教學(xué)學(xué)時(shí)多，教學(xué)任務(wù)重。

（二）常態(tài)化疫情防控下專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困局

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是以直觀、明了、生動(dòng)的教學(xué)方式激發(fā)學(xué)生的興趣以及加深學(xué)生對(duì)有關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的記憶，是理論課程的延續(xù)和輔助，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生主動(dòng)參與到課程的學(xué)習(xí)過程中去。但是在常態(tài)化疫情防控下，水力學(xué)課程的理論教學(xué)部分也在線上開展，但其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)卻無法緊跟教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)課沒有完成，進(jìn)校后需要補(bǔ)做，由于實(shí)驗(yàn)室有限，只能先補(bǔ)做，這樣又影響了秋季學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課程按計(jì)劃開展。即使各高校能正常教學(xué)，但是由于實(shí)驗(yàn)室面積設(shè)備等有限，為滿足防疫要求，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)生不可聚集，所以實(shí)驗(yàn)過程中要盡可能將小組人數(shù)減少，然而實(shí)驗(yàn)人數(shù)減少學(xué)時(shí)就會(huì)增加，同時(shí)滿足多個(gè)班級(jí)同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)就變得更困難。

二、常態(tài)化疫情防控下專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐

在常態(tài)化疫情防控背景下，專業(yè)實(shí)驗(yàn)課必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)的目的、實(shí)驗(yàn)的要求，利用教學(xué)資源和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際將實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐步轉(zhuǎn)到線上，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的目的。

水力學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按照內(nèi)容分為演示類實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)。其中，演示類實(shí)驗(yàn)的目的主要是演示學(xué)生不容易理解的概念，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)的主要目的是在結(jié)論明確的前提下，學(xué)生通過觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集計(jì)算，驗(yàn)證某個(gè)理論公式、促進(jìn)知識(shí)理解和鞏固、培養(yǎng)操作技能和數(shù)據(jù)處理方法；綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)較為集中，是在實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理的學(xué)習(xí)，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)裝置，使學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康目芍?，前兩類?shí)驗(yàn)時(shí)效性要求高，需要緊隨理論課程進(jìn)度進(jìn)行，演示實(shí)驗(yàn)可完全采用線上教學(xué)，驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)可與線上線下相結(jié)合的教學(xué)方法及時(shí)開展；綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)需要在完成全部理論課程內(nèi)容后集中線下開展。所以，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?，水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行如下改革，如圖1。

圖1 水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

（一）演示類實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)線上教學(xué)

演示類實(shí)驗(yàn)包括：靜壓傳遞揚(yáng)水演示實(shí)驗(yàn)、流線演示實(shí)驗(yàn)、水擊現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)、水流流動(dòng)形態(tài)及繞流現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)、水面線演示實(shí)驗(yàn)、虹吸原理演示實(shí)驗(yàn)等。對(duì)于這一部分的實(shí)驗(yàn)可以完全采用視頻方式線上開展教學(xué)，及時(shí)地演示給學(xué)生，以便調(diào)動(dòng)起學(xué)生的興趣。為了給學(xué)生展現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，所以采用實(shí)景錄制，實(shí)景錄制相較虛擬仿真或動(dòng)畫，對(duì)于學(xué)生來講更加真實(shí)直觀、更容易理解。同時(shí)要在演示實(shí)驗(yàn)的展示過程中有整體、有局部、有細(xì)節(jié)的錄制講解，以水擊現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)為例，如圖2，圖a為實(shí)驗(yàn)裝置的整體畫面，學(xué)生可以了解實(shí)驗(yàn)裝置；圖b是局部細(xì)節(jié)變化，放大細(xì)節(jié)觀察；圖c是細(xì)節(jié)操作，改變實(shí)驗(yàn)工況；圖d是工況改變后的細(xì)節(jié)變化。將這一部分演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)到線上教學(xué)，不僅能及時(shí)為學(xué)生展示并解答理論知識(shí)中較為抽象的水擊現(xiàn)象，而且整個(gè)錄制過程細(xì)節(jié)展示到位，站在靠后的學(xué)生看不清楚和聽不清楚的問題也解決了。

圖2 水擊現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)

（二）驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)線上線下相結(jié)合

根據(jù)驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)的目的，一方面驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)需要根據(jù)理論課程進(jìn)度及時(shí)開展，另一方面該類實(shí)驗(yàn)是學(xué)生初次接觸的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，該類實(shí)驗(yàn)是本門課程的一個(gè)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)思維模式，能幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)操作技能和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，屬于操作類實(shí)驗(yàn)。操作類實(shí)驗(yàn)最終要落腳在“操作”上，所以此類實(shí)驗(yàn)建議以線上線下相結(jié)合的方式進(jìn)行。

為展現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，教師需要提前進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室實(shí)景錄制實(shí)驗(yàn)視頻。在線上授課前，教師要提前通知學(xué)生預(yù)習(xí)了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，在課堂上結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)景錄制的視頻邊播放邊講解。在這個(gè)過程中，教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器，講解實(shí)驗(yàn)原理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理讓學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)步驟，以及每步操作的目的和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，讓學(xué)生充分理解并掌握實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等內(nèi)容。以伯努利方程實(shí)驗(yàn)為例，如圖3，圖a展示了伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置的整體情況，圖b、c展示了實(shí)驗(yàn)裝置的細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該注意到的事項(xiàng)，圖d是具體實(shí)驗(yàn)操作。教師要在實(shí)驗(yàn)視頻中，把完整的操作步驟、注意的細(xì)節(jié)以及注意事項(xiàng)精確地展示給學(xué)生，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一部分展示給學(xué)生，以便暫時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理的理解和數(shù)據(jù)的處理。

線下實(shí)踐動(dòng)手操作部分，由于學(xué)生們已經(jīng)反復(fù)觀看視頻，有了前期的學(xué)習(xí)，學(xué)生可就不同工況典型獲取少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可，例如靜水總壓力試驗(yàn)、靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)、流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)等，這樣可以解決實(shí)驗(yàn)室容納不足導(dǎo)致時(shí)間安排困難的問題。以筆者所在院校的情況來看，減少了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一大部分時(shí)間，便可以安排學(xué)生有序分組進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

線上線下結(jié)合教學(xué)能夠保證學(xué)生在相關(guān)理論知識(shí)完成后，第一時(shí)間通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加深對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)后期的實(shí)際操作會(huì)再次加深學(xué)生的直觀理解，體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)的操作性質(zhì)。

（三）綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)集中線下教學(xué)

綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)一般在課程或者章節(jié)的末尾，相關(guān)所有演示和驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)已全部完成，由于前兩類實(shí)驗(yàn)已在線上完成了大部分，留有更多的學(xué)時(shí)給學(xué)生在線下進(jìn)行該部分實(shí)驗(yàn)。該類實(shí)驗(yàn)一般以小組為單位進(jìn)行，在進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之前，教師提前完成分組工作，線上布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，小組接到任務(wù)后搜索資料、查閱文獻(xiàn)、提交實(shí)驗(yàn)初步方案，在老師審核把關(guān)沒有問題后方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。為更好地配合防疫工作，保證學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后不出現(xiàn)扎堆等現(xiàn)象，要將實(shí)驗(yàn)室的開放時(shí)間增加，甚至完全開放實(shí)驗(yàn)。學(xué)生們以小組為單位，提前預(yù)約進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既滿足疫情防控要求，又保證了實(shí)驗(yàn)的完成。

三、線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的選擇

線上教學(xué)的優(yōu)勢(shì)對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程很明顯，一方面，教師能及時(shí)根據(jù)理論課進(jìn)度開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以演示實(shí)驗(yàn)為例，可在理論課中間穿插進(jìn)行，另外學(xué)生也可以隨時(shí)回看再學(xué)習(xí)；另一方面，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程要么單純?cè)诮淌抑v解實(shí)驗(yàn)原理，沒有實(shí)驗(yàn)儀器的講解學(xué)生聽起來特別抽象，難以理解，要么進(jìn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)照儀器講解，但是在講解過程中，實(shí)驗(yàn)原理中的一些公式或者推導(dǎo)又沒辦法展開講解，學(xué)生聽著也是一頭霧水。如今采用在線教學(xué)完美地解決了以上兩種弊端。教學(xué)平臺(tái)的選擇必須充分體現(xiàn)在線教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，所以在充分展現(xiàn)線上教學(xué)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，要補(bǔ)充線下教學(xué)的有利之處，線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能達(dá)到事半功倍的效果。

為了達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果，線上教學(xué)平臺(tái)可提前發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容，例如要求學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)的相關(guān)理論知識(shí)，以及了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，學(xué)生可以帶著問題進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在線上實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生不僅應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，完成思考題等，而且應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，采取多方案的考核評(píng)價(jià)方式。線上教學(xué)平臺(tái)必須選擇具有回看、在線面對(duì)面交流、在線傳輸文件資料以及在線點(diǎn)名等互動(dòng)功能的平臺(tái)，軟件也必須使用方便且兼容性強(qiáng)，可同時(shí)容納多人在線學(xué)習(xí)的軟件。

四、結(jié)束語

筆者所在的院校在2020年和2021年上半年均采用了線上線下相結(jié)合的方式開展水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好。同時(shí)，由于視頻可反復(fù)觀看，加之講解細(xì)致、細(xì)節(jié)突出，學(xué)生普遍對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握理解較往屆深刻，實(shí)驗(yàn)操作的熱情更高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果更佳。線上線下相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，滿足了防疫的目的，更加便利靈活，多樣性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式極大地提高了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和積極性，此舉措得到學(xué)生和任課教師的一致認(rèn)可。本文以水力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)為例，基于實(shí)驗(yàn)特征分類提出的線上線下相結(jié)合的方法，也可在后續(xù)教學(xué)中延續(xù)推廣使用，為綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)保留足夠的時(shí)間。