新工科背景下线上线下实验实践教学体系探索

摘  要：文章以环境工程核心课——水污染控制工程的配套实验和实习教学为例，比较了新冠肺炎疫情期间虚拟仿真实验和线下实验课教学、云端实习和线下实习的教学过程及教学效果。在此基础上，基于新工科环境类专业对学生的培养要求和对毕业生能力要求，从教学状态、互动情况、成绩分布、学生状态、教师状态等方面，对比分析了现有的线上和线下实验实践教学体系的优点和不足之处，对虚实结合混合式教学在实验实践教学体系中的发展进行建议和展望，以期为开展新工科背景下的实验实践教学改革和提升教学效果提供有益的启示。

关键词：新工科;实验实践教学;水污染控制工程;混合式教学

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）S1-0068-04

Abstract： Taking the supporting experiments and internships of a professional core course of environmental engineering， Water Pollution Control Engineering， as an example， this paper compares the teaching process and teaching effect between virtual simulation experiments and offline experiments， cloud internships and offline internships since the COVID-19 epidemic. The advantages and disadvantages of the existing online and offline experiments and internships are compared and analyzed from the aspects of teaching status， interaction， score distribution， student status， teacher status， etc. Based on the training requirements and the ability requirements of new engineering for graduates in environmental majors， this paper makes suggestions and prospects for the development of the mixed teaching in the experimental practice teaching system， and it is expected to provide useful enlightenment for carrying out teaching reform and improving teaching effect under the background of new engineering.

Keywords： new engineering; experimental practice teaching system; Water Pollution Control Engineering; mixed teaching system

2020年伊始，受新冠肺炎疫情的影響，高校教育面临新的挑战。教育部印发了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》[1]，华中科技大学也在春季学期按原定教学计划开展了线上课堂教学，做到了“停课不停教、停课不停学”。而作为环境工程专业核心课之一的水污染控制工程，不但有理论课教学，还有与之相配套的综合实验、实习等教学环节。理论、实验、实习的课程设置相辅相成，既强调理论学习的重要性，也强调学生实操能力的培养，培养学生理论联系实际的能力[2]。在无法开展线下实验和实地参观实习的情况下，华中科技大学环境科学与工程学院的专业教师根据本课程的特点精心挑选了虚拟实验项目和云端实习，进行了线上的实验和实习教学。本文比较了最近两年来，在新形势下开展的虚拟仿真实验课和线下实验课、云端实习和线下实习的教学过程和教学效果，对线上线下实验和实践教学环节的差异进行了分析，并在此基础上，对线上线下实验实践教学的发展方向进行了探讨。

一、线上虚拟实验教学与传统线下实验教学过程的比较分析

在最近两年的教学实践过程中，我们对与水污染控制工程相配套的实验教学过程和师生状态进行了总结，并对虚拟（线上）实验和线下实验过程的特点进行了对比和分析，详情见表1。

分析认为，在充分利用线上资源共享的条件下（例如2020年疫情期间），虚拟仿真的线上实验具有成本低、安全性高、时间空间灵活的显著优势。因此，在涉及到一些大型综合性实验（例如：时间很长，需要几天甚至十几天的实验）[3]，或者危险性较高的实验，或者由于经费和设备有限、不具备实验条件的实验时，虚拟实验是一个相当有利的选择。当然，虚拟仿真实验项目的研发可能需要大数据支持，需要三维建模的应用，需要结合人工智能、人机交互，需要传感器、超级计算、云计算，需要虚拟现实、增强现实等网络化、数字化、智能化的技术手段[4]，才能提高仿真实验教学的吸引力和教学效果。因此，单一的学院（系）专业教研组难以开发这样的综合性虚拟仿真实验项目，更重要的是，难以持续地根据实际的技术发展状况、不断地更新完善这种综合性虚拟仿真实验项目，导致虚拟仿真实验与实际工程场景脱节[5];另一方面，耗费巨大成本而开发出的仿真实验项目，如若仅仅提供给单一的学院（系）的少数专业学生来进行教学使用，也是不经济的。利用高校的科研能力，结合教学需求，与专业的项目建设公司（团队）进行合作开发，并在使用过程中合理地利用线上资源进行共享（可收费），可能是此类虚拟仿真实验教学项目得以发展和不断更新的重要渠道。

此外，必须注意到，与传统的线下实验相比，虚拟实验不能培养学生的实际动手操作能力，不能让学生学会使用各种仪器设备，更重要的是也很难培养学生的规范操作和安全意识。并且，对于一些用时较短的单项操作实验而言，开发虚拟仿真实验项目是不经济的。因此，从实验教学的角度而言，单项小型实验（例如：沉淀实验）采用线下方式，综合性大型实验（例如：污水处理工艺设计实验）采用虚拟仿真的线上方式，这可能成为未来工科实验教学的发展方向。例如，由于突发疫情的原因，刚结束的第三届全国大学生市政环境类创新实践能力大赛决赛临时改为在线虚拟仿真比赛，其比赛的主要内容即为污水处理厂的虚拟仿真设计。

二、线上云端实习与传统线下实习过程的比较分析

我们对与水污染控制工程课相配套的实习教学环节也进行了总结，并对云端（线上）实习与传统的线下实习过程的特点进行了对比和分析，详情见表2。

随着人们环保意识的提高和污水处理工艺的发展，污水处理工艺设备日趋复杂。越来越多的污水处理厂出于气味、安全性等方面的考虑，会采取给处理池加盖、给设备加防护栏等措施，因此，在传统的现场实习过程中，学生常常并不能真正看到设备的工作状态和处理池的构造。此外，现代污水处理工艺流程中对现场操作的要求很高，实习单位出于对生产安全和对学生人身安全的考虑，通常会限制学生的认知实习、生产实习的时间和空间范围，这就使得学生在污水处理厂或处理站的实习过程中，大多数仅仅停留在参观处理单元的外表和浏览平面图纸的层面上，无法深入了解污水处理工艺单元及设备的运行状态，不能直接学习水质检测和工艺参数控制、设备调试等方法。而线上的云端实习可由专业人员通过视频进行详细介绍，并且可以克服地域和经费的限制，实习所及的范围可以更广泛。

但是，必须指出，云端实习并不能给学生以直观的感官感受，例如嗅味、声音、触觉、空间感等，学生难以感受现场，可能对污水处理厂或处理站产生一些错误认知。例如，曾有学生在去实际的污水处理厂进行现场参观实习之后，才发现现代污水处理厂的实际空间比他想象的要大得多，而工作环境也并不像他之前想象的那么糟糕。因此，当条件允许时，尽量采取就近的线下实习，并辅以云端实习，此为最佳选择。

三、教学效果和成绩分布状态

图1显示了华中科技大学近两年所开展的、与水污染控制工程课相配套的虚拟（线上）实验与线下实验成绩各分数段的人数占比情况。由图可知，传统的线下实验分数段更为集中，主要分布在中高分数段;而虚拟实验的分数段分布相对来说更为分散，低分段和高分段相对更多。

究其原因，线上虚拟实验相对来说方便快捷，可以无成本地多次重复[6]。因此对于一些自我要求较高的学生来说，如果第一次实验达不到想要的效果，他会寻找原因、调整参数，多次重复实验，直至达到目标为止;并且会在这个过程中发现问题，分析问题，解决问题，并写进实验报告，因此可以取得非常高的分数。而由于设备台套数和实验空间的限制，线下实验多为3-4人的小组实验，组内学生之间需要进行团队配合，这个过程能够帮助学生理解团队合作的意义，理解个人在团队中的作用，锻炼与团队成员合作沟通的能力。但是，同组学生的实验数据相同，实验报告通常也很相似，因此成绩相近，一些混水摸鱼的学生也可能取得不错的分数。而在线上的虚拟仿真实验中，每一个学生都需要独立完成，那么一些能力稍逊或者自我要求不高的学生，就会出现明显的低分。可见，由于个体的不同，自我要求和自学能力不同的学生在虚拟实验中的收获大不相同，这个差异性可能远超过传统线下实验所表现出来的差异性。

四、学生的反馈情况

由于线上虚拟实验和云端实习课程刚刚开展，大部分学生感觉较为新奇，给出了较为正面的评价，但同时也指出了线上教学的不足之处，并提出了改进的建议。主要有如下几个方面：

（1）在水控配套实验中，通过虚拟仿真实验可以灵活方便地研究活性污泥系统内有机物降解、污泥增长、耗氧等过程与各项设计参数、运行参数以及环境因素之间的关系，这是线下实验很难做到的。

（2）工艺流程设计中，可以灵活选择相关的处理单元并且进行组合、进行平面布置和空间排列，可以了解到每一个处理单元的构造，有助于反思过程的优缺点，并激发研究新工艺新组件的动力。

（3）在每个问题出现的时候，软件都会给出对应的操作指示引导学生自己操作解决问题，而每次工程问题评分系统得到的100分也让学生体会到了解决问题的满足感;但有时软件引导不够明显，操作界面过于隐蔽，给学生造成误导，浪费时间，希望有所改进。

（4）虚拟工艺设计可以通过场景中風向、地形地貌、交通、水体等基本信息，较为合理地布置总平面图和3D效果图，3D体验能多方位接触自己的布局，处理构筑物内部可视、具象，在帮助学生掌握其功能和作用的同时，也增加了趣味性。

（5）在实地参观时，每一处构筑物的停留时间由讲解员决定，有时一个设施还没来得及弄明白就要去下一个地方;而在线上的虚拟污水处理厂内，可以随便进行游览，更加全面地了解整个污水处理厂的设施及其运行状态。

（6）虚拟环节有些细节显示不到位，希望能够有机会自己动手操作、去实际污水厂进行参观，线上虚拟与线下实际相结合，认识会更加清晰，理解会更为全面。

五、结束语

新工科理念是中国高校工程教育改革的指导方针，为适应未来复杂多变的世界和实现中华民族伟大复兴，高校需要培养实践与创新能力强、具备国际竞争力的高素质创新型、应用型、复合型的卓越工程人才[7-8]。工程实验实践教学是使学生对课程基本概念、原理、工艺等加深理解的一个重要环节，以工程应用为出发点，培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，是新工科背景下实验实践教学环节的重要目标。充分利用资源整合，开展线上线下相结合的混合式教学，将是新形势下工程教育专业未来发展的方向。

线上的虚拟教学过程能够弥补传统的线下实验实践教育的不足，适合开展线下实验条件不具备、实际运行困难的大型综合性实验项目，也可以解决线下实践过程中的看不见构筑物内部构造、无法感知单元设备工艺运行状态等问题。利用高校的科研能力，结合教学需求，与专业的项目建设公司（团队）进行合作开发，并在使用过程中合理地利用线上资源进行共享（可收费），可能是虚拟仿真实验教学项目得以发展和不断更新完善的重要渠道。单项小型实验采用线下方式，综合性大型实验采用虚拟仿真方式，以就近的线下实习为主，云端实习为辅，可能成为未来工科实验实践教学的重要发展方向。

参考文献：

[1]教育部.教育部印发指导意见疫情防控期间做好高校在线教学组织与管理工作[EB/OL].（2020-2-5）.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/202002/t20200205_418131.html.

[2]秦岩丁，周璐，许静.新工科背景下的理论+实验类课程授课模式改革探索[J].计算机教育，2021（11）：27-32.

[3]任山章，杨清，夏豪颖，等.虚拟实验对本科生科学实践能力提升的探究——以杭州师范大学生命与环境科学学院本科生为例[J].高教学刊，2021（23）：169-172.

[4]黄教强.面向智慧校园的虚拟实验平台研究与实现[D].广州：广东工业大学，2018.

[5]王建华，段建东，姬军鹏，等.新工科背景下虚拟仿真实验研究与实践[J].中国教育信息化，2021（22）：33-37.

[6]秦玉梅，沈星灿.混合式教学在无机化学实验教学中的初步探索与实践[J].广东化工，2020（15）：188，203.

[7]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[8]叶民，孔寒冰，张炜.新工科：从理念到行动[J].高等工程教育研究，2018（1）：24-31.