趙美，臧建彬，蔡健，王曉東

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是理論知識(shí)的具象化，有助于提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，更是立足于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和創(chuàng)新研究意識(shí)[1-2]，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力有非常重要的意義。管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)是針對(duì)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)[3-4]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生更直觀地了解水壓圖的變化情況，鞏固理論課所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作，掌握供暖管網(wǎng)水力工況分析方法，可用于指導(dǎo)實(shí)際工程中熱水管網(wǎng)的水力工況調(diào)整[5]。

雖然在網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)日新月異發(fā)展的推動(dòng)下，高校教育不斷地進(jìn)行改革，改變傳統(tǒng)的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[6]。2020年以來(lái)，為了響應(yīng)教育部“停課不停學(xué)”的號(hào)召，各大高校也紛紛制定相關(guān)政策，積極組織教師和學(xué)生開(kāi)展在線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和學(xué)習(xí)[7]，但高校工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍面臨著前所未有的壓力。學(xué)生不能返校，無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，無(wú)法線(xiàn)下正常開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)因需要借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備，且大部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備尚不具備遠(yuǎn)程操作的能力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)授課模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量帶來(lái)了挑戰(zhàn)。原有的管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)施老化不足，無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)。為此，依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目對(duì)管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行能力提升建設(shè)，開(kāi)發(fā)建設(shè)可遠(yuǎn)程控制和可視化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并結(jié)合教學(xué)模式和教學(xué)方法的改革，以適應(yīng)水壓圖實(shí)驗(yàn)的線(xiàn)上教學(xué)，提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

一、管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著實(shí)驗(yàn)室資源有限，教學(xué)硬件設(shè)施老化[8]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一落后等問(wèn)題，水壓圖實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在著以上的問(wèn)題。管網(wǎng)水壓圖能全面地反映熱力管網(wǎng)和用戶(hù)的壓力情況，通過(guò)水壓圖能很好地了解供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中的壓力情況。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時(shí)，水壓圖上就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，從而可以采取必要的技術(shù)措施，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行[9]。綜上，管網(wǎng)水壓圖是流體管網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況分析的重要工具，因此是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握繪制水壓圖的基本要求、步驟和方法以及利用水壓圖分析系統(tǒng)壓力狀況。現(xiàn)有的管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)臺(tái)相對(duì)老舊，影響線(xiàn)下實(shí)驗(yàn)的效果，在當(dāng)下無(wú)法開(kāi)展線(xiàn)下實(shí)驗(yàn)的情況下，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺(tái)更無(wú)法滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備設(shè)施老化

現(xiàn)有的管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)臺(tái)雖然經(jīng)典，但是設(shè)施相對(duì)老舊，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)分析。實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖見(jiàn)圖1，現(xiàn)有的管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)采用自來(lái)水作為管網(wǎng)的循環(huán)水，沒(méi)有安裝凈化設(shè)施，運(yùn)行一段時(shí)間以后，管網(wǎng)系統(tǒng)里就會(huì)存在雜質(zhì)，導(dǎo)致管網(wǎng)局部阻力件堵塞，實(shí)驗(yàn)初調(diào)節(jié)較難，引起壓力變化與理論不符的問(wèn)題。由于管道采用銅管制作，學(xué)生無(wú)法直觀地觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中管網(wǎng)中水流動(dòng)的情況，以及可能發(fā)生堵塞的部位，無(wú)法更好地對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析和解決問(wèn)題。此外，運(yùn)行一段時(shí)間后，水里的雜質(zhì)附著在測(cè)量壓力的玻璃管壁上，如圖可見(jiàn)玻璃管壁上已經(jīng)附著一層雜質(zhì)，測(cè)壓時(shí)影響學(xué)生進(jìn)行讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性難以保證。

圖1

管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為保證系統(tǒng)自用壓頭穩(wěn)定，上水箱要保證水位恒定，就要不斷地有溢流水流出。目前實(shí)驗(yàn)臺(tái)上僅安裝上水箱，沒(méi)有下水箱，水流未形成閉合回路，溢流水直接排放，造成了水資源的浪費(fèi)。

（二）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)法滿(mǎn)足線(xiàn)上教學(xué)需求

目前水壓圖實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)管網(wǎng)系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)組成如圖2所示，下部代表雙管熱水管網(wǎng)，由一些銅管件和閥門(mén)連接而成，平放在實(shí)驗(yàn)桌上。各管段的阻力由水閥調(diào)節(jié)。水由穩(wěn)壓水箱（開(kāi)口高位水箱）送入管網(wǎng)，沿供水干管及回水干管流入下水管道。自來(lái)水通過(guò)銅管向穩(wěn)壓水箱供水，過(guò)量水溢流至下水道。

圖2

在供水干管與回水干管之間有7個(gè)用戶(hù)，編號(hào)B至H。圖2的上部表示一排14根測(cè)量各點(diǎn)壓力的垂直玻璃管，上端與大氣壓相通。每對(duì)玻璃管之間裝有一根木尺以便讀出各節(jié)點(diǎn)的壓力值。例如，用戶(hù)H的進(jìn)口壓力由H1代表，出口壓力由H2代表，取木尺零點(diǎn)讀數(shù)的標(biāo)高為測(cè)量壓力的基線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度改變管網(wǎng)的水力工況，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺(tái)上閥門(mén)都是手動(dòng)調(diào)節(jié)的，必須現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上也沒(méi)有數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只能現(xiàn)場(chǎng)讀取，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和處理。面對(duì)新冠疫情帶來(lái)的挑戰(zhàn)，學(xué)生無(wú)法正常進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和教學(xué)方法進(jìn)行改造來(lái)滿(mǎn)足當(dāng)下大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求[10]。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、教學(xué)方法和手段單一[11]，往往是以教師為主、學(xué)生為輔，同時(shí)存在重理論和輕實(shí)踐的弊端[12]，不利于學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。目前管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中呈現(xiàn)的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)記錄總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，從而幫助學(xué)生更好地理解課程中的相關(guān)基本原理。但在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，老師先按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的內(nèi)容講解實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟[13]，而實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟介紹得非常詳細(xì)，學(xué)生按部就班完成實(shí)驗(yàn)即可。沒(méi)有實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)，學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的思考，也無(wú)法開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在這種傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生只是被動(dòng)地接受，綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰头治瞿芰﹄y以得到很好的提升[14]。

二、建設(shè)可遠(yuǎn)程控制和可視化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

目前的管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)裝置中模擬雙管熱水管網(wǎng)是用銅管制作的，無(wú)法從外面看到管道內(nèi)水流動(dòng)的情況，學(xué)生只能依靠實(shí)驗(yàn)教師的講解和描述理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的水流動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)效果欠佳。通過(guò)本教改項(xiàng)目的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)裝置中采用亞克力材料制作成透明的管網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生能更形象直觀地觀察到水流動(dòng)的情況，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，可以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性[15]。同時(shí)因?yàn)榭梢暬瑢W(xué)生可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和分析解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題。

將實(shí)驗(yàn)裝置中用于調(diào)節(jié)阻力的閥門(mén)改成電動(dòng)閥門(mén)，該電動(dòng)閥門(mén)手電一體，既可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，又可以通過(guò)多種接線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可反饋閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)到智能控制單元實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制流體狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)奠定基礎(chǔ)。此外，在實(shí)驗(yàn)裝置中原有測(cè)壓玻璃管測(cè)壓的基礎(chǔ)上，增加壓力傳感器采集各點(diǎn)壓力情況并進(jìn)行采集和傳輸，結(jié)合定制的軟件即可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程控制和數(shù)字化。這樣，即使學(xué)生無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，也可以通過(guò)軟件界面的按鈕遠(yuǎn)程控制閥門(mén)的開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)整實(shí)驗(yàn)工況，通過(guò)壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和總結(jié)實(shí)驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

為調(diào)高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新思維，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上一改傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以教師為主題，以課堂講授為中心的模式，借鑒“翻轉(zhuǎn)課堂”的理念，引入“云課堂”，探索管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)的混合式教學(xué)改革。云課堂作為一種在線(xiàn)教學(xué)資源，集資源共享、在線(xiàn)學(xué)習(xí)、教學(xué)管理于一體[16]，可打破時(shí)空的限制，更具有高效性和開(kāi)放性。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，那么管網(wǎng)水壓圖的課前—課中—課后的全過(guò)程教學(xué)活動(dòng)均可在線(xiàn)開(kāi)展，在及時(shí)疫情嚴(yán)重時(shí)學(xué)生無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的情況下仍然可以開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。主要包含以下教學(xué)環(huán)節(jié)：

課前：根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃，老師在云課堂網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上推送相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料（實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，相關(guān)參考書(shū)目），發(fā)布實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的任務(wù)。學(xué)生可以進(jìn)行預(yù)習(xí)并分組進(jìn)行討論，制定實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)老師也可以跟蹤學(xué)生預(yù)習(xí)的情況，解答學(xué)生提出的問(wèn)題并展開(kāi)互動(dòng)交流，確定課堂上的教學(xué)重點(diǎn)。

課中：教師通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)軟件操作平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟等進(jìn)行講解，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，可通過(guò)遠(yuǎn)程控制和實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。在實(shí)驗(yàn)中，老師可以更好地掌握每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度，隨時(shí)跟學(xué)生進(jìn)行交流互動(dòng)，以便及時(shí)解決操作中出現(xiàn)的問(wèn)題，從而取得更好的教學(xué)效果。

課后：學(xué)生及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象和問(wèn)題進(jìn)行整理和總結(jié)，也可在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上對(duì)沒(méi)有掌握的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行再次學(xué)習(xí)。老師起到督促作用，并進(jìn)行答疑解惑。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革，實(shí)驗(yàn)老師主要起到啟發(fā)和引導(dǎo)的作用，更多的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，而且通過(guò)多元化、多媒體的教學(xué)手段，實(shí)驗(yàn)過(guò)程也不再枯燥，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)“管網(wǎng)水壓圖實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)改造，讓學(xué)生能更好地、更直觀地掌握實(shí)驗(yàn)原理和過(guò)程。并結(jié)合遠(yuǎn)程控制和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，解決了疫情當(dāng)下，學(xué)生無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的難題。通過(guò)云課堂的教學(xué)模式，合理安排全過(guò)程教學(xué)活動(dòng)，借助多元化的教學(xué)手段創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和主動(dòng)性，使得線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到線(xiàn)下教學(xué)的效果。