關(guān)鍵詞：混合式教學(xué)；水力學(xué)實(shí)驗(yàn)；線上線下結(jié)合；教學(xué)模式

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得線上線下混合式教學(xué)模式得到蓬勃式發(fā)展，并將成為未來高校教學(xué)的新常態(tài)[1]。混合式教學(xué)旨在充分利用線上教學(xué)的優(yōu)勢，同時(shí)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)與相互融合，提供更加靈活和豐富的教學(xué)方式，已廣泛應(yīng)用于專業(yè)理論課堂的教學(xué)上，并取得了較好的教學(xué)效果[2-7]。目前混合式教學(xué)模式也開始在實(shí)踐課程中進(jìn)行應(yīng)用，但相關(guān)應(yīng)用研究尚不多見[8-12]。實(shí)踐教學(xué)是工程教育的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑[13-14]。水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是具有較強(qiáng)實(shí)踐性的課程，具有理論教學(xué)不可替代的重要作用，在當(dāng)前工程專業(yè)認(rèn)證和教育信息化背景下，改革傳統(tǒng)的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，將信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，采用線上線下混合式多元化的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式，是非常重要和必要的[15]。

考慮到混合式教學(xué)模式的優(yōu)勢，結(jié)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利類專業(yè)的自身發(fā)展特點(diǎn)，本研究嘗試改變現(xiàn)有的教學(xué)方法和手段，探索利用信息技術(shù)和虛擬仿真手段開展線上+線下+虛擬仿真混合式多元化水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式，旨在突破傳統(tǒng)的單一線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，提升水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的效果，進(jìn)一步推動(dòng)信息化技術(shù)與專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的深度融合。

1 教學(xué)現(xiàn)狀與存在問題

1.1 教學(xué)現(xiàn)狀

水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是水利類專業(yè)重要的實(shí)踐性課程，旨在使學(xué)生加深對水力學(xué)中基本概念和基本理論的認(rèn)識(shí)，了解解決水力學(xué)問題的基本方法，并掌握專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的工程實(shí)驗(yàn)原理及方法；使學(xué)生具備一定的專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能，針對復(fù)雜工程問題能夠進(jìn)行科學(xué)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)；培養(yǎng)學(xué)生分析、解決工程實(shí)際應(yīng)用中有關(guān)水力學(xué)問題的能力。

結(jié)合農(nóng)業(yè)水利工程和水利水電工程專業(yè)的自身發(fā)展特點(diǎn)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)將水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程從理論課中分離出來，開設(shè)獨(dú)立的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，安排16學(xué)時(shí)，共17個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（其中演示實(shí)驗(yàn)2個(gè)），記0.5學(xué)分。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材主要為自編教材。課程集中安排在夏季學(xué)期進(jìn)行，實(shí)行全天候的開放式實(shí)驗(yàn)，采用單一線下教學(xué)模式。

1.2 存在問題

當(dāng)前水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程主要存在3方面問題。①學(xué)生課前缺乏預(yù)習(xí)，導(dǎo)致課中難以入手，線下實(shí)操時(shí)還在查看實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率不高。②實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材中操作步驟過于詳盡，導(dǎo)致學(xué)生形成一種惰性心理，即只需要按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，制約了學(xué)生自主思考的積極性及創(chuàng)新能力。③實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏信息化技術(shù)的應(yīng)用，難以適應(yīng)教育信息化背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的需求。

2 教學(xué)模式改革

結(jié)合多年的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在分析傳統(tǒng)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在問題的基礎(chǔ)上，從3個(gè)方面構(gòu)建了線上+線下+虛擬仿真混合式多元化水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式，技術(shù)路線如圖1所示。

2.1 整合優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

（1）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材。在原有實(shí)驗(yàn)教材基礎(chǔ)上，對教材結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新編排和優(yōu)化。增加了探索性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容，如在動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)中，增加了測定實(shí)驗(yàn)裝置靈敏度的拓展性實(shí)驗(yàn)；在沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)中，增加了利用沿程損失實(shí)驗(yàn)儀器對實(shí)驗(yàn)管段平均當(dāng)量粗糙度的測定進(jìn)行設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。針對實(shí)驗(yàn)步驟太過詳盡的問題，修訂的教材對實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木?，避免學(xué)生形成只需按照步驟完成實(shí)驗(yàn)的惰性心理，給學(xué)生留下足夠的思考和發(fā)揮空w/NCwzpMGFUKtl9x5r/E3w==間。此外，改進(jìn)了課后分析思考題，旨在提高學(xué)生的綜合訓(xùn)練能力。

（2）整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。利用互聯(lián)網(wǎng)資源，實(shí)現(xiàn)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)資源的整合。收集了線上的相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)原理講解、生活中的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和水力現(xiàn)象模擬等視頻資源，以及實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)錄像視頻，結(jié)合自編的電子實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材，整合優(yōu)化形成水力學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字課程資源庫，為學(xué)生提供直觀生動(dòng)、聲畫并茂的在線教學(xué)資源，如圖2所示。學(xué)生可以隨時(shí)隨地反復(fù)觀看學(xué)習(xí)。如水躍實(shí)驗(yàn)，整合了包括水躍實(shí)驗(yàn)原理講解、水躍實(shí)驗(yàn)錄像、一些生活中的水躍現(xiàn)象、水躍現(xiàn)象CFD模擬視頻和水躍實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)文件；消能池實(shí)驗(yàn)整合了包括白鶴灘大壩是如何做到泄洪消能的、水庫對沖消能、消能池CFD模擬、消能池實(shí)驗(yàn)原理講解及消能池實(shí)驗(yàn)錄像等視頻資源；文丘里實(shí)驗(yàn)整合了包括文丘里管關(guān)于伯努利原理闡述、差壓流量計(jì)文丘里管的測量原理、文丘里流量計(jì)內(nèi)流動(dòng)情況演示、文丘里實(shí)驗(yàn)原理講解及文丘里實(shí)驗(yàn)錄像等視頻資源。

生動(dòng)豐富的在線教學(xué)資源，突破了空間上和時(shí)間上的限制，為學(xué)生提供了更加彈性靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境，增強(qiáng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

2.2 線上+線下+虛擬仿真混合式多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

（1）課前環(huán)節(jié)：線上預(yù)習(xí)、資源學(xué)習(xí)、開展線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?；谒W(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)字課程資源庫及浙江大學(xué)開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，熟悉?shí)驗(yàn)操作流程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并通過微信群等平臺(tái)進(jìn)行互動(dòng)。同時(shí)可對相關(guān)的水力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)。如流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過蛟龍?zhí)柹顫摰陌咐曨l引出靜水壓強(qiáng)等問題，讓學(xué)生了解水靜力學(xué)的水力現(xiàn)象及基本規(guī)律。

在線上資源學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)提供了流體靜力學(xué)、文丘里、能量方程、動(dòng)量方程、雷諾、沿程水頭損失、局部水頭損失、畢托管測速與修正系數(shù)標(biāo)定、孔口與管嘴出流、堰流、水躍、消能池和水面曲線共13個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)進(jìn)行線上學(xué)習(xí)與仿真實(shí)驗(yàn)，突破時(shí)空限制。線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有開放共享性、可重復(fù)性、可拓展性等優(yōu)勢，生動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)使得學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣增強(qiáng)了，主動(dòng)性和積極性提高了。此外，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生全面了解實(shí)驗(yàn)的操作過程、相關(guān)的規(guī)律、實(shí)驗(yàn)中可能遇到的問題和可能產(chǎn)生的結(jié)果等，從而對實(shí)驗(yàn)過程有更深的認(rèn)識(shí)，為下一步線下實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施奠定了良好的基礎(chǔ)。

（2）課中環(huán)節(jié)：結(jié)合線上資源開展線下實(shí)操實(shí)驗(yàn)。線下實(shí)驗(yàn)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的主體，可以鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，提高小組成員的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，師生之間的溝通交流也更直接高效。

在課前的學(xué)習(xí)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展集中的線下實(shí)驗(yàn)。實(shí)行開放自助、目標(biāo)管理、彈性教學(xué)的線下全天候開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，即實(shí)驗(yàn)時(shí)間、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全開放，為學(xué)生提供相對主動(dòng)自由的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在夏季學(xué)期內(nèi)，學(xué)生可以任意選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間、任意挑選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及儀器設(shè)備來做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生以2～3人為一組，既各司其職又團(tuán)結(jié)協(xié)作完成17個(gè)實(shí)驗(yàn)。17個(gè)實(shí)驗(yàn)中有2個(gè)為演示性實(shí)驗(yàn)、15個(gè)為實(shí)操性實(shí)驗(yàn)，15個(gè)實(shí)驗(yàn)可分為水靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和明渠實(shí)驗(yàn)3大類。

實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以隨時(shí)隨地通過移動(dòng)設(shè)備查看電子資源和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)成功率。教師實(shí)時(shí)巡查，掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)，及時(shí)解決學(xué)生實(shí)際操作中遇到的問題，與學(xué)生進(jìn)行充分的互動(dòng)交流。開放式的實(shí)驗(yàn)不僅提高了實(shí)驗(yàn)儀器的利用率，而且提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和參與度，同時(shí)給學(xué)生提供足夠的時(shí)間和空間進(jìn)行思考，從而有效地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和獨(dú)立思考的能力[15]。

明渠實(shí)驗(yàn)案例：堰流實(shí)驗(yàn)主要有以下3個(gè)步驟。①學(xué)生在線學(xué)習(xí)堰流實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料、堰流實(shí)驗(yàn)原理講解、實(shí)驗(yàn)錄像和堰流水力現(xiàn)象等視頻資料，如圖3所示。依托由浙江大學(xué)開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行堰流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。線上堰流實(shí)驗(yàn)可以選擇圓角寬頂堰、直角寬頂堰、WES型堰和克奧型堰4種不同的堰型，測量不同堰型下自由出流的流量系數(shù)。如果操作不當(dāng)，頁面會(huì)彈出錯(cuò)誤提示以便改正。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生對堰流實(shí)驗(yàn)操作流程和可能出現(xiàn)的問題有全面的了解。②經(jīng)過課前的學(xué)習(xí)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)演練之后，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室親自動(dòng)手開展堰流實(shí)驗(yàn)。由于設(shè)備的限制，線下實(shí)驗(yàn)只能進(jìn)行圓角寬頂堰和WES型堰的測量，虛擬實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了不同堰型選擇的不足。當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題，引導(dǎo)學(xué)生分析問題產(chǎn)生的原因，如何去尋找解決問題的方法。教師實(shí)時(shí)巡查，適時(shí)溝通交流，引導(dǎo)學(xué)生思考測量淹沒系數(shù)都有vF3eSCUbT+wtPwp4w7PvF41CKJJgE0eh58ckV7oo3lg=哪些方法，測量時(shí)產(chǎn)生誤差的可能原因，分析在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該采取哪些措施能夠盡可能減小誤差，分析不同堰型下游變化對堰過流能力有什么影響等。③完成實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生根據(jù)所測數(shù)據(jù)，計(jì)算流量、流速、堰頂水頭等過程參數(shù)，確定不同堰型下自由出流的流量系數(shù)和寬頂堰下淹沒出流的淹沒系數(shù)等，并回答課后思考題，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（3）課后環(huán)節(jié)：進(jìn)行綜合評估。完成實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生結(jié)合虛擬仿真與實(shí)操實(shí)驗(yàn)，對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，對實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行反思，回答課后思考題，撰寫實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告并提交。

線上+線下+虛擬仿真混合式多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式注重過程考核和學(xué)生學(xué)習(xí)能力的評價(jià)，所以課程考核采用線上參與過程+線下實(shí)驗(yàn)過程+實(shí)驗(yàn)報(bào)告+綜合答辯的方式來綜合評定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程成績。線上參與過程主要考核學(xué)生線上學(xué)習(xí)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的參與情況，針對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可在后臺(tái)系統(tǒng)對學(xué)生的線上實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)，包括學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)長、實(shí)驗(yàn)完成度、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果等。線下實(shí)驗(yàn)過程主要根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)參與程度、小組同學(xué)團(tuán)結(jié)協(xié)作情況等方面來進(jìn)行評估。實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中數(shù)據(jù)處理、繪圖分析及回答問題情況評定。綜合答辯設(shè)置一對一答辯環(huán)節(jié)考核學(xué)生的學(xué)習(xí)能力及實(shí)驗(yàn)參與度等，每位學(xué)生都要進(jìn)行答辯，根據(jù)學(xué)生回答問題的情況評定答辯成績。通過4個(gè)環(huán)節(jié)綜合考察學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和發(fā)現(xiàn)問題解決實(shí)際問題的能力。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果

2023年，針對2021級農(nóng)業(yè)水利工程和水利水電工程專業(yè)，實(shí)施線上+線下+虛擬仿真混合式多元化水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，為了了解學(xué)生在教學(xué)改革后的收獲及其評價(jià)，通過無記名問卷調(diào)查和學(xué)生發(fā)表感想的形式對教學(xué)效果進(jìn)行反饋。無記名問卷調(diào)查結(jié)果如表1所示，學(xué)生對本實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式滿意度100%，其中非常滿意達(dá)60.7%；對課程考核方式認(rèn)可度100%，其中54.1%學(xué)生表示非常認(rèn)可；對于實(shí)驗(yàn)課程參與度，97.0%的學(xué)生完全參與，3.0%的學(xué)生基本參與；對于虛擬實(shí)驗(yàn)是否對線下實(shí)操有幫助，100%學(xué)生認(rèn)為有幫助，其中65.6%學(xué)生認(rèn)為非常有幫助；對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果評價(jià)結(jié)果，72.1%學(xué)生認(rèn)為效果好建議繼續(xù)使用，26.2%學(xué)生可以接受，1.7%學(xué)生無所謂。除了無記名問卷調(diào)查，每個(gè)小組學(xué)生對本實(shí)驗(yàn)課程改革各自發(fā)表了自己的看法和感想?？傮w上，學(xué)生對混合式多元化水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式非常認(rèn)可，認(rèn)為線上線下相結(jié)合的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式可以為學(xué)生提供更全面、更靈活和互動(dòng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，能幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用水力學(xué)知識(shí)，更有效地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和綜合實(shí)踐能力。

線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)線下實(shí)操實(shí)驗(yàn)做不了或者完成不了的一些實(shí)驗(yàn)過程，線上可以改變實(shí)驗(yàn)的條件，可以設(shè)計(jì)不同的工況，并可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等，而線下實(shí)驗(yàn)由于其實(shí)驗(yàn)環(huán)境真實(shí)、可親自動(dòng)手實(shí)踐操作，具有虛擬實(shí)驗(yàn)無可替代的優(yōu)勢。線上學(xué)習(xí)、虛擬仿真與線下實(shí)驗(yàn)以虛促實(shí)、虛實(shí)結(jié)合、相輔相成及優(yōu)勢互補(bǔ)，突顯了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性，不受時(shí)空的限制，實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)接受到主動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考解決問題的能力和探索創(chuàng)新的精神，有效地促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提升。

3 結(jié)束語

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利類專業(yè)成功實(shí)施了線上+線下+虛擬仿真混合式多元化水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革，并取得了顯著的成效。生動(dòng)豐富的在線教學(xué)資源為學(xué)生提供了更靈活的學(xué)習(xí)空間，虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)操實(shí)驗(yàn)結(jié)合，更好地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力，顯著提升了學(xué)生的參與度和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，有效改善了教學(xué)效果。未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將進(jìn)一步完善在線教學(xué)資源，修訂優(yōu)化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材，探索創(chuàng)新的教學(xué)方法和手段，不斷改進(jìn)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和綜合實(shí)踐能力，不斷提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。