杜爾登，鄭 璐，彭明國，王利平

（1. 常州大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇常州213164；2. 常州大學城市建設(shè)學院，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生的正常生活和學習。為強化2020年春季國內(nèi)的防控要求，在教育部“停課不停學”的指導方針下，國內(nèi)高校暫時停止所有課程的面授教學，并將所有課程轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)平臺上。然而網(wǎng)絡(luò)教學對工程學科的實驗課程教學帶來了巨大挑戰(zhàn)。本質(zhì)上實驗課程是學生的實踐經(jīng)驗，將它們轉(zhuǎn)換為在線形式必然會改變學生在實驗過程中的行為和經(jīng)驗獲得，學生無法充分利用實驗室環(huán)境和儀器設(shè)備，很難獲得真實有效的實驗教學體驗。

1 工科實驗課程所面臨的挑戰(zhàn)

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

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

2 積極有效的應(yīng)對措施

2.1 強化在線互動和在線演示

對于普通理論課程來說，線上教學能夠基本保證講授所有教學內(nèi)容，確保教學目標和教學進度按計劃完成，做到授課內(nèi)容不減、教學標準不降、教學進度不拖。在實驗課程的線上教學中，通過攝像頭、教學軟件和網(wǎng)絡(luò)課堂，可以完成實際操作之外的實驗教學內(nèi)容。實驗理論與設(shè)計和演示性實驗不需要學生動手操作，比較適合進行線上教學；而對于需要學生動手操作的實驗，也可以通過線上教學講授實驗原理、實驗?zāi)康摹嶒炘O(shè)備介紹、實驗方法和步驟等基礎(chǔ)知識。此外，在線視頻教學軟件的出現(xiàn)極大豐富了演示性實驗的教學體驗。教師可以給學生分享實驗教學PPT、視頻和圖片，通過共享電子白板、電腦屏幕等，與學生進行實驗設(shè)計討論，而學生可以基于電腦、手機、平板等多個平臺積極參與教學和討論，并與教師進行互動。

在“實驗設(shè)計”教學模塊中，通過播放準備好的幻燈片，給學生講授“正交實驗設(shè)計”“響應(yīng)面實驗設(shè)計與分析”等理論內(nèi)容。為了給那些無法親臨實驗室的學生提供盡可能好的體驗，進行了同步、在線、實時的實驗演示。比如在“水樣采集”教學中，教學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、并和學生進行互動的教學平臺，為同學們演示如何進行水樣采集，并講授水樣采集的知識要點；在現(xiàn)場直播過程中，學生還可以就相關(guān)實驗提出問題并得到實時反饋。

2.2 建設(shè)和豐富多媒體教學資源庫

多媒體教學資源庫是網(wǎng)絡(luò)實驗教學的重要組成部分，也是實驗教學的寶庫。教學資源庫在框架上分為視頻教學影片、實驗指導書、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生檢索相關(guān)教學內(nèi)容，同時也有利于學生在課外自學，培養(yǎng)學生的自主學習能力。

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片段。學生通過反復(fù)觀看儀器教學視頻（如分光光度計、色譜儀等），了解和掌握儀器使用過程。此外還制作了詳細的實驗指導書，內(nèi)容均來自學生使用的實驗教材，同時在實驗指導書中將相關(guān)的圖片、視頻、文章等進行鏈接，方便學生學習。

2.3 使用虛擬仿真在線平臺

隨著科技飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的實驗室實驗方式正在發(fā)生改變。計算機、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展促進了虛擬實驗室和虛擬仿真軟件的產(chǎn)生［4］。虛擬仿真軟件采用與真實設(shè)備類似的工作界面，學生在電腦上進行仿真實驗操作，獲得與真實實驗相似的體驗，實現(xiàn)教學目標。 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行直觀展示。以“活性炭吸附”實驗?zāi)K為例（見圖1），學生通過網(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、吸附容量等試驗數(shù)據(jù)，就如同學生在實驗室中進行活性炭吸附實驗一樣，學生得到的模擬體驗結(jié)果與真實實驗沒有明顯差別。

教學結(jié)果表明，設(shè)計良好的虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗室活動相比，產(chǎn)生了相似的學習效果和學生參與度。學生自主操作，充分發(fā)揮主觀能動性，促進學生對典型水處理工藝原理、特點等知識點的掌握，也有助于培養(yǎng)學生的工程意識。

圖1 活性炭吸附虛擬仿真實驗

2.4 探索遠程實驗操作

在虛擬實驗室中，所有實驗都是通過軟件模擬的；而遠程實驗指的是基于互聯(lián)網(wǎng)的可控動手實驗。當前互聯(lián)網(wǎng)和儀器自動化技術(shù)的提高為遠程實驗操作提供了可能。通過在原有儀器設(shè)備上增添互聯(lián)網(wǎng)控制功能模塊，所有學生均可遠程操作實驗室中的儀器設(shè)備并獲取實驗數(shù)據(jù)。學生登錄網(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，獲得與實驗室實驗相同的教學體驗，加深對實驗教學內(nèi)容的認識和理解。

在“曝氣充氧”實驗教學中，基于網(wǎng)絡(luò)和視頻監(jiān)控，為氣泵增加了遠程控制開關(guān)，使用TeamViewer 軟件能實現(xiàn)計算機遠程操作啟動和關(guān)閉氣泵，通過視頻實時查看氣泵運行狀態(tài)、溶解氧儀上顯示的溶解氧數(shù)值等，實現(xiàn)對氣泵運行調(diào)控的實時反饋。學生根據(jù)溶解氧數(shù)值結(jié)果可獲得溶解氧曲線，并計算出氧傳質(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，也方便了教師對實驗室儀器的管理和安全保障需求。遠程實驗操作能夠提供接近實驗室活動的教學體驗，更好滿足學生在探索方面的需求。

2.5 參考往屆學生的實驗數(shù)據(jù)撰寫實驗報告

盡管通過網(wǎng)絡(luò)教學、虛擬仿真、遠程實驗操作等方式滿足了大部分實驗教學內(nèi)容，但是依然有部分實驗很難進行網(wǎng)絡(luò)教學，無法獲得實驗結(jié)果。一個解決方法是在教學資源庫中向?qū)W生提供往屆學生的實驗數(shù)據(jù)，這樣學生就可以分析這些數(shù)據(jù)并撰寫實驗報告［1］。學生在網(wǎng)絡(luò)課堂上學習實驗指導書、實驗講義，掌握實驗原理和實驗過程，下載往屆學生前一年實驗收集的數(shù)據(jù)文件，隨后對數(shù)據(jù)進行處理，制作圖表，并寫入實驗報告。通過檢查實驗報告來判斷學生是否掌握實驗知識點和數(shù)據(jù)處理方法，一定程度上滿足了實驗教學需求。但是如果往屆學生的實驗數(shù)據(jù)不好，將直接影響當前學生的數(shù)據(jù)分析和實驗報告，最后可能影響學生最終成績。

3 教學體會

網(wǎng)絡(luò)教學課程結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)學習成果和學生參與度超過原有預(yù)期。學生能夠積極參與實驗網(wǎng)絡(luò)教學，課程總體滿意度達到了92.3%。然而由于網(wǎng)絡(luò)教學的內(nèi)在局限性，依然存在一些不足。

（1）盡管設(shè)計良好的虛擬仿真平臺能夠促進學生參與和學習，達到傳統(tǒng)實驗室教學相似的教學效果，但是由于仍然無法直觀感受實驗過程，因此無法滿足學生充分探索的需求；此外，盡管老師在傳統(tǒng)實驗室環(huán)境下有豐富的教學經(jīng)驗，然而對使用虛擬仿真平臺進行實驗教學的經(jīng)驗不足，無法設(shè)計完全滿足教學目標的虛擬仿真過程。

（2）學生反復(fù)觀看教學視頻掌握儀器和設(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”實驗中，學生要把色譜圖寫入實驗報告。但是由于學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)和正確解釋實驗結(jié)果。

（3）實驗室課堂教學中，現(xiàn)場實驗報告、考勤等是最終評定成績的組成部分。學生需要在實驗記錄本中撰寫實驗流程、化學試劑、儀器設(shè)備、實驗結(jié)果等內(nèi)容，但是由于學生在網(wǎng)絡(luò)教學中缺乏具體的實驗體驗，將很難充分理解實驗過程。

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)，尤其對那些講授實驗課程的大學工科教師來說是一個特別的挑戰(zhàn)。在工科教學體系中，實驗室教學是理解和應(yīng)用專業(yè)內(nèi)容的關(guān)鍵。在“水質(zhì)工程實驗技術(shù)”網(wǎng)絡(luò)教學中，通過強化在線互動和在線演示、建設(shè)和豐富多媒體教學資源庫、使用虛擬仿真在線平臺、探索遠程實驗操作等方式，滿足了防控期間學生的實驗教學需求，多樣化的實驗教學方式充分保障了實驗教學內(nèi)容和質(zhì)量。

防控最終會過去，但是對實驗教學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、多媒體教學資源庫等是對實驗教學的有效探索和補充。但是實驗室活動依然是實驗教學的必要環(huán)境，防控結(jié)束后需要鼓勵學生補充實驗室活動環(huán)節(jié)。此外如何對學生的網(wǎng)絡(luò)教學效果進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：需要進一步加強課程信息化建設(shè)，實現(xiàn)更大范圍內(nèi)課程資源的融合；如何通過實驗網(wǎng)絡(luò)教學將大城市的優(yōu)質(zhì)教學資源進行共享，從而普惠邊遠和貧困地區(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)出更多的教學類型、教學模式，這都是未來需要思考和探索的方向。