薛招騰，徐 浩

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201418；2.海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院感染科，上海 200433）

化工原理實驗是化工原理課程體系的重要組成部分，對學(xué)生理解化工原理各單元操作的原理、認識典型化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)及操作等有著重要的作用。2022 年受新型冠狀病毒感染疫情的影響，線下教學(xué)難以進行，這對教學(xué)的正常開展，尤其是實驗課程的開展提出了極大的挑戰(zhàn)。為了最大限度地減少疫情對教育教學(xué)的影響，奉行“停課不停教、停課不停學(xué)”的理念，將實驗課的教學(xué)轉(zhuǎn)移到線上，并結(jié)合實驗課的實際，在“北京歐倍爾”實驗平臺遠程開展了化工原理在線虛擬仿真實驗。針對理工科類學(xué)生疾病預(yù)防知識單薄，感控理念及經(jīng)驗欠缺，在當(dāng)前疫情突發(fā)的背景下，將傳染病防治有關(guān)知識引入課堂，消除學(xué)生對疫情的焦慮，增強學(xué)生防護意識，同時拓展學(xué)生的知識面。

一 教學(xué)過程

（一）學(xué)情分析

授課班級共36 名學(xué)生，男女比例適中。在作者的講授下，本班同學(xué)于上學(xué)期完成了化工原理理論課程的學(xué)習(xí)及化工原理課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，同學(xué)與老師之間可開展良好的互動；學(xué)生對化工原理基本原理、單元設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作原理等內(nèi)容均掌握良好。連續(xù)五天實驗課五個實驗項目，分別是流體機械能轉(zhuǎn)換、離心泵特性曲線測定、傳熱實驗、精餾實驗和雷諾實驗，實驗進度快、實驗多，報告撰寫及計算量大。受疫情影響，學(xué)生均居家學(xué)習(xí)，無法到校進行線下實驗；教師同樣無法到校進行演示實驗，故而將線下實驗調(diào)整為遠程在線虛擬仿真實驗。因疫情期間，學(xué)生普遍存在焦慮心理，有必要將傳染病防治知識引入課堂。

（二）課前準備

開課前兩周，通過學(xué)習(xí)通發(fā)布課程安排和具體要求，并上傳了學(xué)習(xí)資料，以保證所有學(xué)生均備好在線實驗的電腦軟/硬件條件，并提前進行預(yù)習(xí)和熟悉仿真實驗平臺。

開課前三天，通過騰訊會議進行預(yù)備課，對課程安排、實驗預(yù)習(xí)、報告提交方式、仿真操作及評分標準等進行詳細說明。選擇流體機械能轉(zhuǎn)換實驗為例，進行了仿真實驗演示，讓學(xué)生進一步了解模擬實驗平臺的操作過程及評分標準，并安排學(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)資料和虛擬仿真相關(guān)材料開展預(yù)習(xí)，撰寫實驗預(yù)習(xí)報告。學(xué)生結(jié)合上述資料且結(jié)合虛擬仿真實驗平臺的三維操作界面，可更加清晰地認識實驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作步驟、實驗原理，大大提高預(yù)習(xí)效果[1]。結(jié)合上海疫情的實際情況，在專業(yè)醫(yī)生的指導(dǎo)下，引入疫情防控常態(tài)化下有關(guān)的傳染病防治知識，鼓勵學(xué)生克服焦慮，正確認識傳染病，做好安全防護，充分利用在家的時間，努力學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識。

（三）課堂教學(xué)

課前，教師批閱學(xué)生提交的預(yù)習(xí)報告，了解學(xué)生對實驗?zāi)康摹嶒炘砑安僮鞑襟E等的認識程度，便于在理論講解時，有針對性地提問和講解。課上，教師通過在線直播，結(jié)合預(yù)習(xí)報告中存在的問題，用PPT 演示的方式講解當(dāng)日項目的實驗?zāi)康?，幫助學(xué)生回顧基本原理、實驗操作等內(nèi)容，然后結(jié)合仿真平臺，講解關(guān)鍵的操作步驟及注意事項。由于學(xué)生在家上課，學(xué)習(xí)氣氛不濃，且在線教學(xué)老師難以關(guān)注到每一位同學(xué)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，因此增加師生互動頻次十分必要。利用學(xué)習(xí)通平臺的選人功能隨機挑選學(xué)生互動，了解學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度和預(yù)習(xí)的效果，加深學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解和認識。如在實驗原理講解過程中，請學(xué)生回顧重要計算公式；在關(guān)鍵的操作步驟及注意事項講解過程中，請學(xué)生“上臺”講解。學(xué)生在實驗平臺進行模擬仿真實驗時，仿真平臺根據(jù)學(xué)生的操作給出評分。教師通過實時查看仿真平臺后臺數(shù)據(jù)及與學(xué)生共享屏幕等方式，實時了解學(xué)生實驗的進展及實驗中的問題，并及時進行答疑和講解。仿真實驗允許學(xué)生多次進行實驗。相比于線下分組實驗，線上仿真實驗克服了由于線下實驗設(shè)備不足及實驗時間的限制，學(xué)生可在實驗完畢后再次進入仿真平臺進行重復(fù)實驗。這樣可加深學(xué)生對實驗的認識，且當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)有誤時，可重復(fù)實驗進行改正。

（四）實驗報告批閱與反饋

實驗報告反映了學(xué)生對實驗理論及實驗操作的認識。不同于以往學(xué)生在所有實驗結(jié)束后提交一整本實驗報告，課程要求學(xué)生當(dāng)日實驗結(jié)束后通過學(xué)習(xí)通提交實驗報告。一方面促進學(xué)生形成“當(dāng)日事當(dāng)日畢”的習(xí)慣，另一方面可便于教師盡早批改實驗報告，及時發(fā)現(xiàn)共性的問題，在次日進行講解。其次，教師在批改的過程中，在學(xué)習(xí)通的批語欄中可指出實驗報告存在的問題，并要求學(xué)生進行修改，促進學(xué)生形成精益求精的學(xué)習(xí)態(tài)度。

二 課后調(diào)查問卷

（一）在線虛擬仿真實驗對線下實驗的替代

實驗項目結(jié)束后，通過問卷調(diào)查的形式了解學(xué)生對在線仿真實驗及在線教學(xué)的看法，便于教師進一步改善教學(xué)方法、提高教學(xué)質(zhì)量。

在線虛擬仿真實驗，可以克服線下實驗課程時間安排和分組實驗等限制[2]，學(xué)生可不受時間、地點的限制，多次重復(fù)進行實驗，從而加深對實驗的認識，且3D 的實驗界面，有助于吸引學(xué)生的注意力。由表1 可知，36 名同學(xué)中，91.7%認為在線仿真實驗不受時空限制、不受實驗條件限制，80.6%認為在線仿真實驗可多次重復(fù)實驗，33.3%認為在線仿真實驗的3D 畫面有吸引力。相對于線下實驗或線下仿真實驗，在線仿真實驗不受時空限制，不受實驗條件限制，彌補了傳統(tǒng)實驗不能實現(xiàn)的教學(xué)功能，為當(dāng)下實驗教學(xué)質(zhì)量的提高提供了一個有效的問題解決方案[3-4]，這是在線虛擬仿真實驗最大的優(yōu)勢。

表1 在線仿真實驗的優(yōu)缺點

由于在線仿真實驗為遠程操作，可遠程訪問實驗平臺的服務(wù)器，將實驗數(shù)據(jù)存儲在該服務(wù)器中，且疫情期間，多個高校、多個班級同時進行在線仿真實驗，可能會出現(xiàn)服務(wù)器繁忙導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)卡頓或連接不流暢。由表1 可知，69.4%的同學(xué)認為在線仿真實驗存在畫面不流暢、網(wǎng)絡(luò)卡頓的問題。該問題在非緊急情況下基本可克服，基本不會出現(xiàn)服務(wù)器同時被多個高校，多個班級同時訪問的情況。另有61.1%的同學(xué)認為在線仿真實驗沒有身臨其境的感覺。相比線下實驗，線上實驗裝置的操作，均由鍵盤/鼠標進行。如線下實驗中，需要手動扳動閥門，而線上實驗僅需要鼠標點擊即可實現(xiàn)。線下實驗可從多角度、多方位觀察實驗裝置，熟悉管路情況，了解物料流向；線上仿真實驗盡管可以實現(xiàn)操作者在裝置的前后左右移動，甚至可以實現(xiàn)操作者蹲下、站立，實現(xiàn)從不同角度、不同高度觀察設(shè)備，但是依然難以達到線下實驗身臨其境的效果，這是在線仿真實驗最大的缺點。

圖1 為在線仿真實驗對線下實驗的替代度。從圖1 中可以看出，25%的同學(xué)認為在線仿真實驗完全可以替代線下實驗，尤其是針對驗證性教學(xué)實驗；86.1%的同學(xué)認可在線仿真實驗對線下實驗的替代（A+B+C）；只有13.9%的同學(xué)對替代持否定態(tài)度（D+E）。

圖1 在線仿真實驗對線下實驗的替代度

學(xué)生對在線仿真實驗的滿意度如圖2 所示，可看出所有同學(xué)對在線仿真實驗是滿意的（A+B+C），無不滿意的同學(xué)，且41.7%的同學(xué)持非常滿意的態(tài)度。

圖2 學(xué)生對在線仿真實驗的滿意度

從問卷中反饋的關(guān)于在線虛擬仿真實驗的優(yōu)缺點可看出：在線仿真實驗可作為線下實驗的有效補充，但不能完全替代線下實驗[5]。對于一些學(xué)校無法建立的大型實驗，可利用在線仿真實驗作為有效的補充。同時，將在線仿真實驗加入到理論教學(xué)過程中，更有助于學(xué)生理解理論知識，88.9%的同學(xué)期待在理論教學(xué)的過程中加入在線仿真實驗，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)生對理論知識的理解程度。

另外，本次在線仿真實驗只能在電腦端操作，58.3%的同學(xué)對開發(fā)手機端的仿真實驗有期待。手機端仿真實驗，將進一步打破時空等實驗條件的限制。不論是集中實驗階段，還是理論學(xué)習(xí)階段，均可隨時隨地進行仿真操作。將理論上的分析、設(shè)計、計算進行可視化演示或操作，降低學(xué)生認識理解上的難度，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情[6-7]，加深其對理論知識的理解和認識。

（二）在線教學(xué)分析

本次實驗課授課班級為2019 級學(xué)生，其大一經(jīng)歷了2020 年上半年的疫情，又經(jīng)歷了2022 年的疫情，兩次疫情導(dǎo)致兩個學(xué)期大部分教學(xué)均轉(zhuǎn)移到線上。由表2 可知，學(xué)生主要用到過的在線教學(xué)方式為教師直播、線上交流，師生聊天區(qū)互動、學(xué)生觀看老師錄制的視頻然后和老師互動。教師直播是最簡單、最直接的方式，借助騰訊會議、釘釘直播等平臺，共享教學(xué)資料，即可將線下教學(xué)轉(zhuǎn)移到線上；線上交流，師生聊天區(qū)互動，該方式對于一些以學(xué)生為主的實踐課比較適用，教師用于回答學(xué)生的問題及針對性地對一些共性問題進行講解；教師提前錄制好教學(xué)視頻，學(xué)生先觀看視頻，然后師生互動，該方式可以高效利用教學(xué)時間，學(xué)生提前觀看教學(xué)視頻，將更多的時間留在課堂互動。

表2 學(xué)生用到的在線教學(xué)主要方式

本次實驗課程屬于實踐課。采取了上述三種在線教學(xué)方式相結(jié)合的模式。理論部分的講解，由教師進行直播，便于師生互動；學(xué)生實驗前，首先觀看教師或仿真實驗平臺錄制的視頻，然后教師講解實驗注意事項，師生進行相應(yīng)的互動；學(xué)生實驗過程中，教師在線隨時回答學(xué)生問題，并對一些共性問題進行集中講解。

圖3 為學(xué)生對本次在線實驗教學(xué)課的滿意度。由圖3可以看出，69.4%的同學(xué)對課程非常滿意，25%的同學(xué)對課程較滿意，5.6%的同學(xué)對課程基本滿意?？梢?4.4%的同學(xué)對課程持較滿意以上的態(tài)度。

圖3 學(xué)生對在線實驗教學(xué)課的滿意度

（三）教學(xué)反思

從調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)，半數(shù)學(xué)生認為在線實驗不方便、軟件卡頓不夠靈活。本次使用在線仿真實驗平臺遠程進行實驗，是突發(fā)疫情下的應(yīng)急教學(xué)措施。常態(tài)下將在線仿真實驗作為教學(xué)輔助，遠程仿真平臺服務(wù)器不會出現(xiàn)瞬間網(wǎng)絡(luò)擁堵等問題。問卷中指出的其他問題，如課堂氣氛不活躍、師生交流方式單一等，在今后的教學(xué)中也應(yīng)當(dāng)克服。尤其是在線教學(xué)，應(yīng)當(dāng)多增加互動頻次以活躍課堂氣氛，加強師生交流。

另外，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，94.4%的同學(xué)期待今后實驗教學(xué)改為在線仿真和線下實驗相結(jié)合模式。在線虛擬仿真實驗，可加深學(xué)生在預(yù)習(xí)階段對實驗的認識，有助于學(xué)生對實驗過程的理解，避免在線下實驗過程中存在不敢動手、害怕錯誤等問題；實驗后還可進行實驗數(shù)據(jù)的驗證，便于學(xué)生對實驗結(jié)論的理解。今后的化工原理理論課及實驗課的教學(xué)中，將在線虛擬仿真引入其中，將有利于教學(xué)目標的實現(xiàn)。

三 結(jié)束語

通過在線教學(xué)+遠程在線虛擬仿真實驗，完成了化工原理實驗課的教學(xué)。其中，在線教學(xué)通過騰訊會議和學(xué)習(xí)通平臺實現(xiàn)，遠程在線虛擬仿真實驗通過北京歐倍爾仿真平臺實現(xiàn)。通過教師在線講解、線上指導(dǎo)及虛擬仿真實驗，學(xué)生順利完成了各項學(xué)習(xí)任務(wù)，達到了教學(xué)目標，且教學(xué)效果良好。在疫情防控常態(tài)化的背景下，在高校各非醫(yī)學(xué)類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的過程中，引入疾病防控相關(guān)課程，或在專業(yè)課程中引入部分疾病防控相關(guān)知識，有助于學(xué)生降低焦慮，并對正確認識傳染性疾病有一定的效果，為今后全民普及傳染病防治、疫情防控有著重要的意義。今后將在線虛擬仿真實驗引入理論課學(xué)習(xí)階段及線下實驗課程中，對教學(xué)目標的實現(xiàn)有促進作用。開發(fā)手機端的仿真實驗，將進一步打破實驗條件的限制，學(xué)生可隨時隨地進行仿真操作，進一步加深對單元操作設(shè)備及原理的認識，降低學(xué)生認識理解上的難度，激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情，利于加深對理論知識的理解和認識。對于一些學(xué)校無法建設(shè)的大型實驗，亦可通過引入虛擬仿真實現(xiàn)。此次實驗課的在線教學(xué)+在線虛擬仿真，使得特殊期間教育教學(xué)能夠順利開展，并積累了相關(guān)經(jīng)驗，也為今后將虛擬仿真引入到理論課及實驗課教學(xué)中奠定了一定的基礎(chǔ)。