新工科背景下水利水電實驗課程融合式教學模式探索

摘" 要：新時代對新工科人才培養(yǎng)提出以“立德樹人”為根本的高素質(zhì)專業(yè)型人才目標要求，天津大學水利水電教研室對專業(yè)實驗課程展開教學改革，歷經(jīng)常規(guī)線下教學、疫情封校期遠程線上教學、復(fù)課后線上線下組合式教學和新工科課程思政融合式教學四個典型階段的實驗教學改革及總結(jié)，探討新時代新工科背景下專業(yè)實驗類課程改革的最佳方案。近幾年，水利水電專業(yè)實驗課程教學改革取得良好的效果，充分發(fā)揮前期在線學習的預(yù)習作用、中期虛仿平臺操作的問題前置作用及后期現(xiàn)場實操的再次強化作用，同時將思政元素融入到實驗教學課堂中起到很好的“德育為先”的教育作用。新工科課程思政融合式實驗教學積極引導(dǎo)學生建立起 “建設(shè)祖國永遠向前進，家國情懷一生來踐行”的人生追求，實現(xiàn)以學生為主題+問題導(dǎo)向的實驗課程授課方式，達到為祖國培養(yǎng)新時代新工科卓越人才的培養(yǎng)目標。

關(guān)鍵詞：新時代；新工科；水利水電；實驗課程；課程思政；教學改革

中圖分類號：G642" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）13-0121-04

Abstract： The new era puts forward the goal of high-quality professional talents based on \"building up people by virtue\" as the foundation for the training of new engineering talents. The Water Conservancy and Hydropower Teaching and Research Section of Tianjin University has launched a teaching reform for professional experimental courses. After going through four typical stages of experimental teaching reform and summary， conventional offline teaching， remote online teaching during the epidemic closure period， online and offline combined teaching after class resumption， and ideological and political integration teaching of new engineering courses. Discussed the best plan of professional experimental curriculum reform under the background of new era and new engineering. In recent years， the teaching reform of the experimental course of water conservancy and hydropower has achieved good results， giving full play to the pre-learning role of early-stage video learning， the pre-problem role of the mid-term virtual simulation platform， and the re-enhancement role of the later on-site practical operations. At the same time， the ideological and political elements Integrating into the experimental teaching classroom has played a very good role in \"moral education first\" education. The ideological and political fusion experimental teaching of new engineering courses actively guides students to establish the life pursuit of \"building the motherland forever， and the feelings of family and country to practice for a lifetime\"， and realizes the student-oriented + problem-oriented experimental course teaching method. The goal of cultivating outstanding talents in the new era and new engineering for the motherland.

Keywords： new era; new engineering; water conservancy and hydropower; experimental courses; curriculum ideology and politics; teaching reform

水利是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，水電作為可再生能源，是我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的最佳能源之一。同時，水電有著優(yōu)良的動態(tài)性能，在新時代能源結(jié)構(gòu)逐漸向清潔低碳轉(zhuǎn)型的道路中，其功能定位也將由原來的“電量為主”向“容量支撐”轉(zhuǎn)變。隨著白鶴灘水電站、烏東德水電站和兩河口水電站等大型水電站及大批量抽水蓄能電站的投產(chǎn)發(fā)電，我國水利水電工程建設(shè)水平已躋身世界領(lǐng)先水平，進而也在對水利水電行業(yè)人才需求及培養(yǎng)標準不斷地提出新的要求，尤其體現(xiàn)在學生實踐及動手能力上[1]。

新工科對水利水電行業(yè)高水準人才的需求，以及新時代課程思政對人才“德育為先”的要求，急切需要對水利水電專業(yè)課程，尤其是以動手能力為主的實驗課程進行改革。為了給祖國培養(yǎng)“具有家國情懷、全球視野、創(chuàng)新精神、實踐能力的新工科卓越人才”，需要在本科課堂及實驗教學上與時俱進，引入最為前沿的專業(yè)知識和先進的教學手段，通過實驗課程內(nèi)容及教學方式的不斷創(chuàng)新，傳授新知識、探索新理念、研發(fā)新技術(shù)和培養(yǎng)新工科人才[2]。同時，新時代課程思政的建設(shè)要求，明確了高校應(yīng)以“課程”為載體，以“立德樹人”為根本，教學方式應(yīng)從傳統(tǒng)單一的專業(yè)課教學向全方位的課程思政方式轉(zhuǎn)變。

本文以天津大學水利水電教研室的實驗教學改革為例，從專業(yè)實驗課程的常規(guī)線下教學、疫情封校期線上教學、復(fù)課后線上+線下組合式教學和新工科課程思政融合式教學四個典型階段的教學改革及效果進行介紹，探討新時代新工科背景下專業(yè)實驗類課程改革的最佳方式。

一" 水利水電實驗課程培養(yǎng)目標分析

水利水電實驗課程內(nèi)容主要有調(diào)壓井實驗、有壓輸水管道水擊實驗、水輪機能量性能實驗和大壩泄流及消能實驗等[3-4]，服務(wù)的主要專業(yè)課程為水電站、水工建筑物及水利工程實驗技能等，此專業(yè)課以實驗課程教學目標為指導(dǎo)，學生掌握實驗基本原理、方法、工具及手段，將理論知識轉(zhuǎn)化為感性認識，培養(yǎng)學生動手實踐及創(chuàng)新能力[5-6]。

實際工程中每個水電站都是一個獨一無二的巨型復(fù)雜工程，僅僅依靠課堂上的理論講解很難讓學生完全深入掌握全部知識，進而極有可能導(dǎo)致學生在理論和實踐上脫節(jié)。已有的教學實踐表明，適當方式和課時的現(xiàn)場參觀、實踐及實驗教學，可有效提升專業(yè)課的教學質(zhì)量及效果。而如何與時俱進地不斷改進及創(chuàng)新專業(yè)實驗課程教學內(nèi)容和方式，也是新時代新工科背景下實驗課程思政教師們在努力追求的目標。

二" 疫情期實驗課程教學改革

（一）" 實驗課程常規(guī)線下教學方式

水利水電實驗課程常規(guī)授課方式為線下教學，具體流程為：教師準備實驗—講解實驗流程—示范實驗—學生分組操作—教師指導(dǎo)—學生撰寫實驗報告—教師批改實驗報告。對于通用性較強的知識點及實驗，此授課方式可基本滿足實驗教學的目標。對于稍微復(fù)雜及技術(shù)更新較快的課程內(nèi)容，此種實驗教學方式將面臨實驗?zāi)Ｐ完惻f、測量內(nèi)容單一、測量設(shè)備落后及精度不足等，以及授課內(nèi)容與現(xiàn)實中已應(yīng)用的最新技術(shù)嚴重脫節(jié)等問題，使得實驗教學“學以致用”的目標無法實現(xiàn)。同時，對于基于過于陳舊實驗?zāi)Ｐ秃头椒ǖ膶嶒灲虒W，也無法引起“00后”本科生足夠的學習興趣，更無法在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)他們的實踐創(chuàng)新能力。

（二）" 疫情封校期實驗課程線上教學改革

2020年初，面對突發(fā)的全球新型冠狀病毒感染疫情，封校使得高校授課方式不得不從“面授”改為“線上”授課，線上授課方式可滿足大部分理論課程的教學要求[7-8]，但是給以動手操作為基礎(chǔ)的實驗教學課程帶來了極大的挑戰(zhàn)。

天津大學水利水電教研室老師們集思廣益，共同努力創(chuàng)新疫情期間實驗課程教學方法，率先提出了“教師示范實驗及知識點講解錄像”+“學生線上訪問錄像及教師答疑”+“教師建立實驗虛擬仿真平臺”+“學生基于虛仿平臺操作完成實驗”+“學生操作過程中教師全程答疑”+“學生實驗數(shù)據(jù)處理并完成實驗報告”+“教師根據(jù)學生虛仿平臺操作熟練程度及實驗報告進行考核”的實驗教學及考察方式。為了不影響正常教學安排，用2個月的時間快速構(gòu)建完成了水利水電相關(guān)專業(yè)課程的實驗線上教學及操作平臺（圖1），實現(xiàn)了全校幾百名學生線上完成實驗課程，按時、按量和保質(zhì)地完成了本科及研究生實驗課程的教學任務(wù)。

（三）" 復(fù)課后線上線下組合式實驗教學實踐

疫情得到有效控制后，高校開始有序地組織學生返校復(fù)課。為了彌補疫情封校期學生未進行動手實驗操作的遺憾，水利水電實驗室在開學后對學生開放了一個月的預(yù)約實驗，并在學生群體中對虛擬仿真平臺實驗與現(xiàn)場實操實驗的效果進行了調(diào)研和評估，調(diào)研結(jié)果顯示“前期在線學習+中期虛仿平臺操作+后期現(xiàn)場實操”的組合式實驗教學方式在學生受歡迎程度、學生理解及認知程度、學生知識點強化效果、教學效果、學生動手及實踐能力等方面要明顯優(yōu)于“單一直接的現(xiàn)場動手實驗”教學方式。

線上線下組合式實驗教學方式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）前期在線學習的預(yù)習作用。教師對實驗操作全程錄像的視頻，對學生做實驗之前對關(guān)鍵知識點及操作重點的掌握起到了很好的預(yù)習作用，學生可通過在平臺上多次往復(fù)地觀看，提前掌握操作難點和重點，并和課本知識進行很好的結(jié)合。

2）中期虛仿平臺操作的問題前置作用。在通過課本理論知識和教師示范視頻學習后，通過虛仿平臺的線上操作，讓學生在沒有實驗時間和次數(shù)限制及壓力影響下，自由暢快地進行實驗操作。同時，虛仿操作可暴露和前置學生未理解到位的知識及問題，避免在實際操作過程中再次出現(xiàn)類似的問題。調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，對于創(chuàng)新性較強的部分學生，借助虛仿平臺開展多參數(shù)變化的敏感性正交實驗研究，得到了一些很有意義的結(jié)論和工程優(yōu)化設(shè)計建議，并找教師進行了進一步的討論和研究，同時表達了期望通過繼續(xù)讀研究生來進行進一步的深造和研究。

3）后期現(xiàn)場實操的再次強化作用。在視頻學習和虛仿平臺操作給學生奠定的良好基礎(chǔ)之上，學生在進入實驗室進行真正的動手實操時，可以快速地上手和操作，將腦海中多次出現(xiàn)過的理論知識點和操作重點直接落實到實驗操作上，并通過實踐操作對相關(guān)知識進行再次的強化（圖2（a））。部分學生在實驗操作中體會到了實驗的樂趣，后續(xù)積極參加了全國大學生水利創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國挑戰(zhàn)杯競賽和國際Renewable Transformation Challenge等比賽（圖2（b）），并取得了不錯的成績。

綜上，線上線下組合式實驗教學方式取得了良好的教學效果，因此在學生返校復(fù)課開放實操實驗時，依舊保留了虛擬仿真平臺，并結(jié)合學生反饋的意見進行了進一步的功能擴展，以期達到更為有效的教學效果。

三" 新時代新工科背景下實驗課課程思政改革

新時代對專業(yè)課程確立了以“立德樹人”為根本的課程思政教學理念，明確了教育應(yīng)當努力培養(yǎng)擔當民族復(fù)興大任的時代新人，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人[9]。新工科建設(shè)理念也對高校提出了新時代工科型人才的具體培養(yǎng)標準為培養(yǎng)“具有家國情懷、全球視野、創(chuàng)新精神、實踐能力的新工科卓越人才”。結(jié)合天津大學水利水電工程專業(yè)的特點，展開了相應(yīng)的實驗課課程思政教學改革，教學體系（圖3）及具體措施如下。

1）歷史文化傳承。1933年10月1日，國立北洋工學院（北洋大學）與華北水利委員會等多所研究機構(gòu)，在天津創(chuàng)立了“中國第一水工試驗所”（圖4（a）），此機構(gòu)是中國第一個現(xiàn)代水利科研機構(gòu)、中國第一個國家級實驗室。北洋大學（天津大學前身）校長李書田先生（圖4（b））是此實驗室的奠基者、創(chuàng)建者和復(fù)建者之一，天津大學至今依舊保留有水利水電實驗室。水工試驗所創(chuàng)立后，開展了大量的水工試驗和研究，短時期內(nèi)取得了大量的科研成果，直接指導(dǎo)了祖國多項水利工程的建設(shè)。

知名校友李賦都、鄭兆珍、王華棠、張漢英、張國藩、杜鎮(zhèn)福和崔廣濤等都為祖國水利水電事業(yè)的發(fā)展作出了杰出的貢獻。水利水電行業(yè)有著無數(shù)的榜樣，在專業(yè)課程教育中，要時刻與學生們一起傳承歷史文化，從榜樣中汲取奮斗的力量。

2）使命擔當責任教育。授課過程中要時刻讓本科生和研究生們認識到，青年是祖國事業(yè)未來的繼承者和建設(shè)者，要勇于肩負起時代責任和歷史使命。在傳統(tǒng)專業(yè)知識講授中自然融入思政教育元素，從家國情懷教育、科學精神引領(lǐng)和工匠精神引導(dǎo)等方面，多角度、多形式地對課程內(nèi)容、課堂教學進行系統(tǒng)的思政建設(shè)，“潤物無聲”地將理想信念、價值追求和責任使命等思政要素融入育人過程中，注重弘揚社會主義核心價值觀，培養(yǎng)和塑造學生愛國、勵志、求真和力行的品質(zhì)，引導(dǎo)學生積極建立“建設(shè)祖國永遠向前進，家國情懷一生來踐行”的人生追求（圖5）。

3）教學方式及內(nèi)容不斷更新。在前期實驗課程教改基礎(chǔ)上，結(jié)合學生和用人單位反饋的意見，深入分析后進一步調(diào)整和完善教學模式，并將思政元素和專業(yè)實驗課程有機結(jié)合。水利水電實驗課程以“面向行業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)水利工程復(fù)合型人才”為核心驅(qū)動，著力運用線上線下組合式教學手段，提高實驗課堂的表現(xiàn)力和吸引力，更直觀、形象地解釋和展示原理；著力建立以學生為主體+問題導(dǎo)向的實驗授課模式，通過“前期在線學習+中期虛仿平臺操作+后期現(xiàn)場實操及反饋”及全程融入思政元素的授課方法，啟發(fā)學生思維，培養(yǎng)學生實踐及創(chuàng)新能力；著力搭建“虛仿+實踐+思政”并行的教學模式，構(gòu)建基于數(shù)字化手段、室內(nèi)實驗和現(xiàn)場觀摩等多方式教與學互動特點的工程教學環(huán)境，提升實踐能力（圖6）。

四" 結(jié)束語

新時代對新工科人才培養(yǎng)提出了以“立德樹人”為根本的高素質(zhì)專業(yè)型人才目標要求，進而需要在專業(yè)課授課方式和內(nèi)容上進行創(chuàng)新。以水利水電實驗課程為例，在對常規(guī)線下授課、遠程線上授課、線上及線下組合式授課和新時代課程思政融合式授課四種實驗教學方式進行調(diào)研和分析后可以看出，線上線下組合式實驗教學方式具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在前期在線學習的預(yù)習作用、中期虛仿平臺操作的問題前置作用及后期現(xiàn)場實操的再次強化作用，教學效果及學生反饋結(jié)果均極為理想。同時，在此基礎(chǔ)上進一步進行課程思政融合后，讓學生們主動提出了“為誰學？學什么？怎么學？”的問題，并在專業(yè)思政課程的學習中找到了這樣的答案：“為祖國復(fù)興和自己發(fā)展而學，德育為先的德智體美勞全面發(fā)展，歷史文化的傳承及不斷開拓創(chuàng)新”，從而真正地實現(xiàn)了以學生為主體+問題導(dǎo)向的實驗課程授課方式，達到了為祖國培養(yǎng)新時代新工科卓越人才的目標。

參考文獻：

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基金項目：天津大學本科教材建設(shè)項目“水利水電工程實驗與實踐”（2022-32-36）

第一作者簡介：郭耀華（１９８６－），男，漢族，河南安陽人，博士，工程師。研究方向為水電及新能源課程實驗教學與管理。

*通信作者：姚燁（１９８７－），女，漢族，黑龍江齊齊哈爾人，博士，高級工程師。研究方向為水利工程實驗新方法及教學。