工科实验课程实施线上教学的应对和展望

杜尔登，郑 璐，彭明国，王利平

（1. 常州大学环境与安全工程学院，江苏常州213164；2. 常州大学城市建设学院，江苏常州213164）

0 引言

极端天气、地质灾害、疾病传播等不可控因素往往会影响高校学生的正常生活和学习。为强化2020年春季国内的防控要求，在教育部“停课不停学”的指导方针下，国内高校暂时停止所有课程的面授教学，并将所有课程转移到网络平台上。然而网络教学对工程学科的实验课程教学带来了巨大挑战。本质上实验课程是学生的实践经验，将它们转换为在线形式必然会改变学生在实验过程中的行为和经验获得，学生无法充分利用实验室环境和仪器设备，很难获得真实有效的实验教学体验。

1 工科实验课程所面临的挑战

Newman 提出，真实有效的教学体验包含3 个标准：学生能够构建知识体系；学生通过探索构建知识体系；学生能进行超越当前知识体系的探索［1］。在正常教学条件下，学生在实验室中完成预定实验，具体的实验过程可以帮助学生探索和构建新的知识体系，实现既定培养目标。然而在防控背景下无法进行面对面实验室教学，当教学转移到网络平台时，很难为学生提供真实有效的教学体验。因此如何在网络平台进行有效的实验课程教学具有相当的难度。

“水质工程实验技术”是给排水科学与工程、环境工程等专业的一门重要核心实验课程，是培养学生进行水处理研究和动手能力的重要手段，教学内容通常包括实验设计、水样采集、水质分析实验基础、水处理实验方法等模块［2-3］。在课程设计中学生在实验室中完成具体实验内容。然而在防控背景下，如何有效实施网上实验教学？根据“水质工程实验技术”课程特点，结合实际，采取了强化在线互动和在线演示、建设和丰富多媒体教学资源库、使用虚拟仿真在线平台、探索远程实验操作等一系列应对措施和方法，教学效果较明显，顺利完成了“水质工程实验技术”网上教学。

2 积极有效的应对措施

2.1 强化在线互动和在线演示

对于普通理论课程来说，线上教学能够基本保证讲授所有教学内容，确保教学目标和教学进度按计划完成，做到授课内容不减、教学标准不降、教学进度不拖。在实验课程的线上教学中，通过摄像头、教学软件和网络课堂，可以完成实际操作之外的实验教学内容。实验理论与设计和演示性实验不需要学生动手操作，比较适合进行线上教学；而对于需要学生动手操作的实验，也可以通过线上教学讲授实验原理、实验目的、实验设备介绍、实验方法和步骤等基础知识。此外，在线视频教学软件的出现极大丰富了演示性实验的教学体验。教师可以给学生分享实验教学PPT、视频和图片，通过共享电子白板、电脑屏幕等，与学生进行实验设计讨论，而学生可以基于电脑、手机、平板等多个平台积极参与教学和讨论，并与教师进行互动。

在“实验设计”教学模块中，通过播放准备好的幻灯片，给学生讲授“正交实验设计”“响应面实验设计与分析”等理论内容。为了给那些无法亲临实验室的学生提供尽可能好的体验，进行了同步、在线、实时的实验演示。比如在“水样采集”教学中，教学老师在湖边使用摄像头、自拍杆等创造了一个能够实时演示、并和学生进行互动的教学平台，为同学们演示如何进行水样采集，并讲授水样采集的知识要点；在现场直播过程中，学生还可以就相关实验提出问题并得到实时反馈。

2.2 建设和丰富多媒体教学资源库

多媒体教学资源库是网络实验教学的重要组成部分，也是实验教学的宝库。教学资源库在框架上分为视频教学影片、实验指导书、资源下载等，形成视频、动画、文字、课件等图文并茂的多媒体网络资源。网络资源库方便老师和学生检索相关教学内容，同时也有利于学生在课外自学，培养学生的自主学习能力。

多媒体资源库的核心是水处理设备和水分析仪器的教学演示视频，包括吸附、反渗透、电絮凝、过滤器、消毒反应器等。针对仪器和水处理设备的相关内容，制作并上传了如何使用仪器的多媒体教学片段。学生通过反复观看仪器教学视频（如分光光度计、色谱仪等），了解和掌握仪器使用过程。此外还制作了详细的实验指导书，内容均来自学生使用的实验教材，同时在实验指导书中将相关的图片、视频、文章等进行链接，方便学生学习。

2.3 使用虚拟仿真在线平台

随着科技飞速发展，传统的实验室实验方式正在发生改变。计算机、互联网技术的发展促进了虚拟实验室和虚拟仿真软件的产生［4］。虚拟仿真软件采用与真实设备类似的工作界面，学生在电脑上进行仿真实验操作，获得与真实实验相似的体验，实现教学目标。 目前已建设了“ 水处理虚拟仿真在线系统（WEEFZ）”，将活性炭吸附、生物滤池、活性污泥法等典型水处理工艺进行直观展示。以“活性炭吸附”实验模块为例（见图1），学生通过网络登录在线系统后，能够直接输入活性炭投加量、污染物浓度、吸附时间等初始反应条件，单击模拟后，可直接获得剩余污染物浓度、吸附容量等试验数据，就如同学生在实验室中进行活性炭吸附实验一样，学生得到的模拟体验结果与真实实验没有明显差别。

教学结果表明，设计良好的虚拟仿真实验与传统实验室活动相比，产生了相似的学习效果和学生参与度。学生自主操作，充分发挥主观能动性，促进学生对典型水处理工艺原理、特点等知识点的掌握，也有助于培养学生的工程意识。

图1 活性炭吸附虚拟仿真实验

2.4 探索远程实验操作

在虚拟实验室中，所有实验都是通过软件模拟的；而远程实验指的是基于互联网的可控动手实验。当前互联网和仪器自动化技术的提高为远程实验操作提供了可能。通过在原有仪器设备上增添互联网控制功能模块，所有学生均可远程操作实验室中的仪器设备并获取实验数据。学生登录网络服务器，输入不同的测试条件并观察测试结果的变化，获得与实验室实验相同的教学体验，加深对实验教学内容的认识和理解。

在“曝气充氧”实验教学中，基于网络和视频监控，为气泵增加了远程控制开关，使用TeamViewer 软件能实现计算机远程操作启动和关闭气泵，通过视频实时查看气泵运行状态、溶解氧仪上显示的溶解氧数值等，实现对气泵运行调控的实时反馈。学生根据溶解氧数值结果可获得溶解氧曲线，并计算出氧传质系数。此外，通过视频还可以观察仪器周边情况、开启或关闭室内电源或照明等操作，也方便了教师对实验室仪器的管理和安全保障需求。远程实验操作能够提供接近实验室活动的教学体验，更好满足学生在探索方面的需求。

2.5 参考往届学生的实验数据撰写实验报告

尽管通过网络教学、虚拟仿真、远程实验操作等方式满足了大部分实验教学内容，但是依然有部分实验很难进行网络教学，无法获得实验结果。一个解决方法是在教学资源库中向学生提供往届学生的实验数据，这样学生就可以分析这些数据并撰写实验报告［1］。学生在网络课堂上学习实验指导书、实验讲义，掌握实验原理和实验过程，下载往届学生前一年实验收集的数据文件，随后对数据进行处理，制作图表，并写入实验报告。通过检查实验报告来判断学生是否掌握实验知识点和数据处理方法，一定程度上满足了实验教学需求。但是如果往届学生的实验数据不好，将直接影响当前学生的数据分析和实验报告，最后可能影响学生最终成绩。

3 教学体会

网络教学课程结束后，发现学习成果和学生参与度超过原有预期。学生能够积极参与实验网络教学，课程总体满意度达到了92.3%。然而由于网络教学的内在局限性，依然存在一些不足。

（1）尽管设计良好的虚拟仿真平台能够促进学生参与和学习，达到传统实验室教学相似的教学效果，但是由于仍然无法直观感受实验过程，因此无法满足学生充分探索的需求；此外，尽管老师在传统实验室环境下有丰富的教学经验，然而对使用虚拟仿真平台进行实验教学的经验不足，无法设计完全满足教学目标的虚拟仿真过程。

（2）学生反复观看教学视频掌握仪器和设备使用过程，但是可能依然无法正确理解数据。比如“使用液相色谱测定污染物”实验中，学生要把色谱图写入实验报告。但是由于学生并没有真正收集数据，所以他们不知道这些色谱图意味着什么，从而很难处理数据和正确解释实验结果。

（3）实验室课堂教学中，现场实验报告、考勤等是最终评定成绩的组成部分。学生需要在实验记录本中撰写实验流程、化学试剂、仪器设备、实验结果等内容，但是由于学生在网络教学中缺乏具体的实验体验，将很难充分理解实验过程。

4 结论与展望

国内2020年春季的防控要求给各级教育系统带来了许多挑战，尤其对那些讲授实验课程的大学工科教师来说是一个特别的挑战。在工科教学体系中，实验室教学是理解和应用专业内容的关键。在“水质工程实验技术”网络教学中，通过强化在线互动和在线演示、建设和丰富多媒体教学资源库、使用虚拟仿真在线平台、探索远程实验操作等方式，满足了防控期间学生的实验教学需求，多样化的实验教学方式充分保障了实验教学内容和质量。

防控最终会过去，但是对实验教学模式的探索却无法停歇。在防控状态下采用的虚拟仿真在线平台、多媒体教学资源库等是对实验教学的有效探索和补充。但是实验室活动依然是实验教学的必要环境，防控结束后需要鼓励学生补充实验室活动环节。此外如何对学生的网络教学效果进行评价将是另外一个迫切需要讨论的问题。

此次防控措施将使我们思考：需要进一步加强课程信息化建设，实现更大范围内课程资源的融合；如何通过实验网络教学将大城市的优质教学资源进行共享，从而普惠边远和贫困地区。未来随着AI 人工智能、5G、大数据技术等应用的发展，将会涌现出更多的教学类型、教学模式，这都是未来需要思考和探索的方向。