基于雨课堂的全过程本科实验教学与考核模式——以水电站混流式水轮机模型能量实验为例

赵 迪 张建梅

(重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心 重庆 400074)

引 言

在大数据和“互联网+”的信息技术背景下，学堂在线与清华大学在2016年4月联合研发推出了一款名为“雨课堂”的网络智慧教学工具[1]。其以插件形式嵌入PPT，通过微信平台登录共享，能够将课前预习、课堂互动学习、课后总结复习三者紧密联系起来[2]。它让教师可以使用雨课堂进行实时提问、发布试卷及资料、随机点名等；让学生可以直接看到放映PPT并回翻、弹幕想法、提出不懂的问题及质疑等。这一系列的先进教学方法提高了师生互动及学生的学习乐趣。它由于具有简单易操作、互动性强、个性化鲜明等优点[3]而推广应用至高校课堂教学，因而受到了学生及教师的青睐。

普通高等院校四年制本科专业普遍要求实践类课程学分不少于总学分的25%，专业实验课因注重培养学生的创新意识和实践操作能力而占比较高[4]。传统的实验教学多以实验原理、操作步骤及数据处理的讲解为主。智慧教学工具的引入可以改变老式传统的这种实验教学模式为“主体参与”模式[5]，让学生能够主动思考、学会学习、发挥创造力。查阅研究文献发现，目前已有学校在实验教学中使用雨课堂形成协作式教学设计方案的，但如何在复杂实验全过程中进行教学考核，形成特色鲜明的经验较少。本文从针对传统实验教学方法及存在的问题出发，以水电站混流式水轮机模型能量实验为例，提出基于雨课堂的全过程本科实验教学与考核模式，以期提高复杂实验教学的质量。

一、混流式水轮机模型能量实验教学特点

(一)授课对象

为了提高水利水电工程及水利水电工程(卓越工程师)专业知识与专业技能，我校开设了《水力机械》作为专业基础课。水轮机是水力发电中最核心的机械设备，模型特性曲线是水轮机设计选型及运行的重要依据，是《水力机械》课程的教学重点和必须掌握的知识点。混流式水轮机模型能量实验主要确定模型水轮机在各种工况下的运行效率，是绘制特性曲线的基础。我校是重庆乃至中国西南地区较早开设该课程的高校之一，该方法的主要授课对象为水利水电工程及水利水电工程(卓越工程师)专业本科生。

(二)授课教学内容

水轮机的模型可以做较小尺寸，用以进行试验具有制作方便快捷、费用成本低、试验工况方便操作、试验测量精度高等优点，而被广泛采用。它通过能量试验、飞逸特性试验、气蚀试验、轴向水推力特性试验等测出模型水轮机在各种工况下的工作参数，经相似公式换算为原型水轮机在各相似工况下的综合特性参数，从而为水轮机的设计、选型、运行提供参考依据。其中最常用的就是反击式水轮机的能量试验。

本校已购混流式水轮机模型能量实验台进行教学实验，帮助学生理解混流式水轮机的工作原理。我们通过调节模型参数模拟多种试验工况，测量水轮机在不同导叶开度、不同试验水头下的各工作参数，从而计算模型水轮机的效率、单位转速、单位流量等内容，绘制模型特性曲线。

从教学内容上看，混流式水轮机模型能量实验授课主要具有以下两个方面的特点：

1.涉及知识面广：混流式水轮机模型能量实验涉及模型试验相似原理、水轮机基本方程、仪器设备、数据处理等方面的教学内容；涉及水力学、流体力学、水工模型试验、水工建筑物等专业知识，涉及知识面较广。它要求学生具有一定的水利水电工程专业基础，并能熟练使用Excel或CAD办公绘图软件等。

2.工程实践性强：进行水轮机模型能量实验最终形成水轮机模型特性曲线，而水轮机模型特性曲线与原型水轮机之间满足相似条件，才可进行相互换算。这是水电站水轮发电机组选型设计的重要依据。教学内容要与水电站工程设计密切联系。学习的最终是服务于水利工程设计，具有较强的工程实践性。

二、实验教学模式存在的问题

混流式水轮机模型能量实验是对理论教学的补充。但是，目前的实验教学模式存在一些问题：

一是学生学习基础不牢靠。混流式水轮机模型能量实验教学内容涉及知识面广，在实验前需要学生熟悉水轮机的相似原理。绘制模型特性综合曲线的基本组成参数与相互关系，这部分内容涉及到多门专业课知识，学生想要“消化”其中的相关知识点有一定的难度。目前，学生仅靠书面教材学习，没有将学习水轮机特性及选型的条理及逻辑理清楚。在实验过程中发现目前的问题之一是：大部分同学掌握情况不好，学习基础不牢靠。

二是“灌输式”授课。在参加实验时，传统的授课方式为教师讲述实验目的、原理、仪器、步骤、注意事项等，让学生通过讲述进行实验操作获得并记录实验数据，课下完成实验报告并提交。这是一种“灌输式”的授课方式，不能足够激发学生主动思考、设计实验的热情。在实验过后，学生会对水轮机模型能量实验有一定的理解，但是并不能将其与水轮机的选型设计等知识点紧密联系在一起构建成完整的知识体系。这也是存在的问题之一。

三是实验效果不理想。在实验过程中，需要测得模型水轮机在不同导叶开度下作用不同高度水头时水轮机的流量、转速和制动力矩等参数，再换算为单位流量和单位转速，计算工作效率。所测数据量越多，越能准确绘制水轮机的模型特性曲线。经调研发现，学生对基本的计算办公软件不熟悉，还是用计算器每一步骤进行计算，并且计算出结果后，在绘制模型特性曲线尤其是应用计算机绘制时无从下手。这导致班级内实验成果为个别代表性版本，实验效果不理想。

三、基于雨课堂的全实验过程教学与考核模式

针对以上分析的实验教学模式存在的问题，从实验课前、课中及课后三阶段提出教学与考核新模式督促学生进行学习。

(一)实验课前预习及考核方法

实验课前需要学生对实验内容有一定的熟悉，掌握模型综合特性曲线形成的原理及要素。这样，学生才能进一步理解实验原理、过程并处理实验数据形成结果。因此，课前预习是十分必要的。但是，在课堂学习完后，学生对理论知识有一定的了解，若口头布置预习作业，无法保证及检测预习的效果。因此，除了布置作业外，针对预习内容进行课前考核，能让更多的同学积极、主动地进行预习。具体的做法为：

1.建立雨课堂交流平台。首先创建班级雨课堂交流平台，用以完成之后的所有操作。教师在微信中关注并注册雨课堂账号后，进入我的→课程，点击下方我要开课创建开课名称及班级，进入所创建班级，通过成员管理→管理→邀请学生将班级二维码及邀请码分享给学生，让学生通过微信加入班级，创建雨课堂交流平台。

2.布置预习任务要求。微信进入创建的雨课堂班级，点击发布→发布公告，布置实验课前的预习任务、上传相关资料(WEB或电脑端)并提出要求。

3.创建预习试卷。在微信雨课堂公众号中我的→试卷库中管理新建本实验课的试卷库，在电脑端安装雨课堂后打开PPT登录雨课堂，并新建试卷，试卷根据实验内容及要求设置，完成试卷的创作后命名上传至创建试卷库。

4.进行预习测试。在微信雨课堂公众号中打开创建班级，并发布所创建的预习试卷，可根据自身的要求设置发布时间、截止时间、考试时长、公布答案等，要求学生在规定时间内完成预习测试。

学生在完成预习测试或预习测试成绩达到规定值后方可进行仪器操作完成实验。

(二)课堂中实验教学及考核

实验课中要想吸引学生的注意力，使其独立思考，理解实验内容、实验方法是十分关键的。教师可在雨课堂讲述过程中，通过边讲边考的方式提高学生注意力。具体做法为：针对实验课堂中需要学生理解记忆的重难点制作PPT教学课件，穿插雨课堂单选、多选、投票、填空等题型。本校水利水电实验室内配备了多媒体教学设备，教师可使用PPT进行登录，开启雨课堂授课。学生可使用手机微信扫描二维码或输入课堂暗号进入课堂。没有配备多媒体教学设备的实验室可通过教师事先在某计算机形成课堂暗号或二维码后，让教师与学生共享进入课堂。在移步仪器设备前进行讲述时，教师使用手机端进行课件的翻页，题目的收发，实现边讲边考核的课中教学模式。

(三)课后复习提交实验成果

课后对实验成果的处理过程也是实验的难点之一。学生对各种办公软件的熟悉程度不一，大部分同学掌握得不够熟练。在课后，学生可登录课堂发布公告及教师上传的相应数据进行学习。对于实验后重要知识需学生复习掌握，或需考核学生掌握程度时，教师均可通过发布试卷的形式检验。

四、结 论

实验教学在高等院校本科教学中所占比重较大，其教学模式影响学生对重要知识点的掌握程度。本文结合水利水电工程(含卓越工程师)专业中混流式水轮机模型能量实验涉及知识面广、工程实践性强的特点，总结了传统实验教学模式中存在的学生学习基础不牢靠、“灌输式”授课方式学生兴趣度不高、实验成果不理想等问题，基于大数据及互联网背景下推出的“雨课堂”智慧教学工具，从实验课前的预习、课中学习及课后复习三阶段提出了全实验过程教学及考核的新模式。这对调动学生的主动性和积极性，激发学习兴趣，加深对实验知识点的理解等取得了较好的教学效果，为学生的进一步学习打下基础。