程娜，奚斌，唐雙成

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

實驗教學(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)生對理論教學(xué)進(jìn)一步認(rèn)識和鞏固的關(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，在對學(xué)生畢業(yè)時具備的素質(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驗教學(xué)、工程實踐和社會實踐培養(yǎng)三個方面，排在第一位的就是實驗教學(xué)，可見實驗教學(xué)的重要性。國務(wù)院及時啟動了高校教學(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)入實驗室，實踐性較強的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)該如何有序高效地開展呢？

本文以水力學(xué)課程實驗為例，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、能源動力工程等多個學(xué)科多個專業(yè)。本文針對此類專業(yè)基礎(chǔ)課程的實驗特點、實驗內(nèi)容、實驗方法、實驗要求等特征，剖析常態(tài)化疫情防控背景下實驗教學(xué)的困局，探索專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(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)實驗教學(xué)的困局

（一）專業(yè)基礎(chǔ)實驗的特點

實驗教學(xué)和理論教學(xué)是一個有機整體，不可分割，實驗課程可以輔助學(xué)生對理論知識進(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)生必須及時輔助實驗課程進(jìn)行相關(guān)概念公式的理解和掌握，同時通過實驗操作提高動手能力，以達(dá)到理論聯(lián)系實際解決實際問題的能力要求[4]。另外，專業(yè)基礎(chǔ)實驗課涵蓋的專業(yè)、班級多，但是一般為了資源的有效利用，通常專業(yè)基礎(chǔ)實驗課的實驗室只設(shè)置在一個二級學(xué)院，用于承擔(dān)全校相關(guān)專業(yè)實驗的教學(xué)任務(wù)，所以相關(guān)專業(yè)實驗室承擔(dān)的教學(xué)學(xué)時多，教學(xué)任務(wù)重。

（二）常態(tài)化疫情防控下專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)的困局

實驗教學(xué)的目的是以直觀、明了、生動的教學(xué)方式激發(fā)學(xué)生的興趣以及加深學(xué)生對有關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，加強學(xué)生對相關(guān)知識的記憶，是理論課程的延續(xù)和輔助，可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生主動參與到課程的學(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，但其對應(yīng)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)卻無法緊跟教學(xué)計劃進(jìn)行。實驗課沒有完成，進(jìn)校后需要補做，由于實驗室有限，只能先補做，這樣又影響了秋季學(xué)期的實驗課程按計劃開展。即使各高校能正常教學(xué)，但是由于實驗室面積設(shè)備等有限，為滿足防疫要求，進(jìn)入實驗室學(xué)生不可聚集，所以實驗過程中要盡可能將小組人數(shù)減少，然而實驗人數(shù)減少學(xué)時就會增加，同時滿足多個班級同一時間節(jié)點準(zhǔn)時完成一項實驗就變得更困難。

二、常態(tài)化疫情防控下專業(yè)課程實驗教學(xué)的改革與實踐

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

水力學(xué)課程的實驗項目按照內(nèi)容分為演示類實驗、驗證類實驗、綜合設(shè)計類實驗。其中，演示類實驗的目的主要是演示學(xué)生不容易理解的概念，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；驗證類實驗的主要目的是在結(jié)論明確的前提下，學(xué)生通過觀察和實驗數(shù)據(jù)的采集計算，驗證某個理論公式、促進(jìn)知識理解和鞏固、培養(yǎng)操作技能和數(shù)據(jù)處理方法；綜合設(shè)計類實驗知識點較為集中，是在實驗?zāi)康拿鞔_的基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗原理的學(xué)習(xí)，然后設(shè)計實驗方案和實驗裝置，使學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。根據(jù)實驗?zāi)康目芍皟深悓嶒灂r效性要求高，需要緊隨理論課程進(jìn)度進(jìn)行，演示實驗可完全采用線上教學(xué)，驗證類實驗可與線上線下相結(jié)合的教學(xué)方法及時開展；綜合設(shè)計類實驗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)實驗內(nèi)容和實驗?zāi)康囊?，水力學(xué)實驗教學(xué)進(jìn)行如下改革，如圖1。

圖1 水力學(xué)實驗教學(xué)改革方案

（一）演示類實驗實時線上教學(xué)

演示類實驗包括：靜壓傳遞揚水演示實驗、流線演示實驗、水擊現(xiàn)象演示實驗、水流流動形態(tài)及繞流現(xiàn)象演示實驗、水面線演示實驗、虹吸原理演示實驗等。對于這一部分的實驗可以完全采用視頻方式線上開展教學(xué)，及時地演示給學(xué)生，以便調(diào)動起學(xué)生的興趣。為了給學(xué)生展現(xiàn)真實的實驗狀態(tài)，所以采用實景錄制，實景錄制相較虛擬仿真或動畫，對于學(xué)生來講更加真實直觀、更容易理解。同時要在演示實驗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)象演示實驗為例，如圖2，圖a為實驗裝置的整體畫面，學(xué)生可以了解實驗裝置；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，改變實驗工況；圖d是工況改變后的細(xì)節(jié)變化。將這一部分演示實驗轉(zhuǎn)到線上教學(xué)，不僅能及時為學(xué)生展示并解答理論知識中較為抽象的水擊現(xiàn)象，而且整個錄制過程細(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)象演示實驗

（二）驗證類實驗線上線下相結(jié)合

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

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

線下實踐動手操作部分，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驗數(shù)據(jù)即可，例如靜水總壓力試驗、靜水壓強實驗、流量測量實驗等，這樣可以解決實驗室容納不足導(dǎo)致時間安排困難的問題。以筆者所在院校的情況來看，減少了實驗教學(xué)的一大部分時間，便可以安排學(xué)生有序分組進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗操作。

線上線下結(jié)合教學(xué)能夠保證學(xué)生在相關(guān)理論知識完成后，第一時間通過實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)加深對理論知識的理解，同時后期的實際操作會再次加深學(xué)生的直觀理解，體現(xiàn)出實驗的操作性質(zhì)。

（三）綜合設(shè)計類實驗集中線下教學(xué)

綜合設(shè)計類實驗一般在課程或者章節(jié)的末尾，相關(guān)所有演示和驗證類實驗已全部完成，由于前兩類實驗已在線上完成了大部分，留有更多的學(xué)時給學(xué)生在線下進(jìn)行該部分實驗。該類實驗一般以小組為單位進(jìn)行，在進(jìn)實驗室之前，教師提前完成分組工作，線上布置實驗任務(wù)，小組接到任務(wù)后搜索資料、查閱文獻(xiàn)、提交實驗初步方案，在老師審核把關(guān)沒有問題后方可進(jìn)入實驗室。為更好地配合防疫工作，保證學(xué)生進(jìn)入實驗室后不出現(xiàn)扎堆等現(xiàn)象，要將實驗室的開放時間增加，甚至完全開放實驗。學(xué)生們以小組為單位，提前預(yù)約進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗，既滿足疫情防控要求，又保證了實驗的完成。

三、線上實驗教學(xué)平臺的選擇

線上教學(xué)的優(yōu)勢對于實驗課程很明顯，一方面，教師能及時根據(jù)理論課進(jìn)度開展相關(guān)實驗教學(xué)，以演示實驗為例，可在理論課中間穿插進(jìn)行，另外學(xué)生也可以隨時回看再學(xué)習(xí)；另一方面，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程要么單純在教室講解實驗原理，沒有實驗儀器的講解學(xué)生聽起來特別抽象，難以理解，要么進(jìn)實驗室對照儀器講解，但是在講解過程中，實驗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)平臺的選擇必須充分體現(xiàn)在線教學(xué)的優(yōu)勢，所以在充分展現(xiàn)線上教學(xué)優(yōu)勢的同時，要補充線下教學(xué)的有利之處，線上實驗教學(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)平臺可提前發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容，例如要求學(xué)生回顧實驗的相關(guān)理論知識，以及了解實驗?zāi)康?，學(xué)生可以帶著問題進(jìn)行線上實驗，同時在線上實驗結(jié)束后，學(xué)生不僅應(yīng)進(jìn)行實驗數(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，采取多方案的考核評價方式。線上教學(xué)平臺必須選擇具有回看、在線面對面交流、在線傳輸文件資料以及在線點名等互動功能的平臺，軟件也必須使用方便且兼容性強，可同時容納多人在線學(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)實驗教學(xué)，實驗教學(xué)效果良好。同時，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)生普遍對知識點的掌握理解較往屆深刻，實驗操作的熱情更高，實驗教學(xué)效果更佳。線上線下相結(jié)合的實驗教學(xué)方法，滿足了防疫的目的，更加便利靈活，多樣性的實驗教學(xué)方式極大地提高了學(xué)生的主觀能動性和積極性，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)課程實驗為例，基于實驗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)計類實驗保留足夠的時間。