常态化疫情防控下水力学实验课程教学改革

程娜，奚斌，唐双成

（扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225009）

实验教学是高等院校教学环节中必不可缺的部分，它是学生对理论教学进一步认识和巩固的关键环节，与理论教学相辅相成、缺一不可。在现今的工程教育标准中，在对学生毕业时具备的素质中明确提出了“以学生为中心，全过程培养学生解决复杂工程问题的能力”的高要求[1]。众所周知，解决复杂工程问题的能力需要辅助实验教学、工程实践和社会实践培养三个方面，排在第一位的就是实验教学，可见实验教学的重要性。国务院及时启动了高校教学应急预案，2020年春季学期均延迟开学，但要求停课不停学，随即线上教学全面展开[2]。在疫情常态化防控下，学生不能像以前一样正常进入实验室，实践性较强的实验教学环节该如何有序高效地开展呢？

本文以水力学课程实验为例，该课程属于专业基础课程，涉及水利工程、港口与航道工程、农业水利工程、水文与水资源工程、给排水工程、环境工程、土木工程、能源动力工程等多个学科多个专业。本文针对此类专业基础课程的实验特点、实验内容、实验方法、实验要求等特征，剖析常态化疫情防控背景下实验教学的困局，探索专业基础实验教学如何分类逐步由线下转到线上进行线上开展教学改革方案。

一、常态化疫情防控下专业实验教学的困局

（一）专业基础实验的特点

实验教学和理论教学是一个有机整体，不可分割，实验课程可以辅助学生对理论知识进行再次理解和巩固[3]。水力学作为专业基础课程和基础课程到专业课程的过渡课程，其内容较为抽象也比较重要，它是专业课程的基础，如果理解掌握不清楚将会直接影响到学生后续的专业课程学习。所以，学生必须及时辅助实验课程进行相关概念公式的理解和掌握，同时通过实验操作提高动手能力，以达到理论联系实际解决实际问题的能力要求[4]。另外，专业基础实验课涵盖的专业、班级多，但是一般为了资源的有效利用，通常专业基础实验课的实验室只设置在一个二级学院，用于承担全校相关专业实验的教学任务，所以相关专业实验室承担的教学学时多，教学任务重。

（二）常态化疫情防控下专业基础实验教学的困局

实验教学的目的是以直观、明了、生动的教学方式激发学生的兴趣以及加深学生对有关学习内容的理解，加强学生对相关知识的记忆，是理论课程的延续和辅助，可以充分调动学生的学习积极性，使学生主动参与到课程的学习过程中去。但是在常态化疫情防控下，水力学课程的理论教学部分也在线上开展，但其对应的实验教学环节却无法紧跟教学计划进行。实验课没有完成，进校后需要补做，由于实验室有限，只能先补做，这样又影响了秋季学期的实验课程按计划开展。即使各高校能正常教学，但是由于实验室面积设备等有限，为满足防疫要求，进入实验室学生不可聚集，所以实验过程中要尽可能将小组人数减少，然而实验人数减少学时就会增加，同时满足多个班级同一时间节点准时完成一项实验就变得更困难。

二、常态化疫情防控下专业课程实验教学的改革与实践

在常态化疫情防控背景下，专业实验课必须根据实验课程的内容、实验的目的、实验的要求，利用教学资源和网络技术，结合当前实际将实验教学逐步转到线上，以达到实验课程设置的目的。

水力学课程的实验项目按照内容分为演示类实验、验证类实验、综合设计类实验。其中，演示类实验的目的主要是演示学生不容易理解的概念，调动学生的学习兴趣；验证类实验的主要目的是在结论明确的前提下，学生通过观察和实验数据的采集计算，验证某个理论公式、促进知识理解和巩固、培养操作技能和数据处理方法；综合设计类实验知识点较为集中，是在实验目的明确的基础上进行实验原理的学习，然后设计实验方案和实验装置，使学生发挥主观能动性，提高学生的创新能力。根据实验目的可知，前两类实验时效性要求高，需要紧随理论课程进度进行，演示实验可完全采用线上教学，验证类实验可与线上线下相结合的教学方法及时开展；综合设计类实验需要在完成全部理论课程内容后集中线下开展。所以，根据实验内容和实验目的要求，水力学实验教学进行如下改革，如图1。

图1 水力学实验教学改革方案

（一）演示类实验实时线上教学

演示类实验包括：静压传递扬水演示实验、流线演示实验、水击现象演示实验、水流流动形态及绕流现象演示实验、水面线演示实验、虹吸原理演示实验等。对于这一部分的实验可以完全采用视频方式线上开展教学，及时地演示给学生，以便调动起学生的兴趣。为了给学生展现真实的实验状态，所以采用实景录制，实景录制相较虚拟仿真或动画，对于学生来讲更加真实直观、更容易理解。同时要在演示实验的展示过程中有整体、有局部、有细节的录制讲解，以水击现象演示实验为例，如图2，图a为实验装置的整体画面，学生可以了解实验装置；图b是局部细节变化，放大细节观察；图c是细节操作，改变实验工况；图d是工况改变后的细节变化。将这一部分演示实验转到线上教学，不仅能及时为学生展示并解答理论知识中较为抽象的水击现象，而且整个录制过程细节展示到位，站在靠后的学生看不清楚和听不清楚的问题也解决了。

图2 水击现象演示实验

（二）验证类实验线上线下相结合

根据验证类实验的目的，一方面验证类实验需要根据理论课程进度及时开展，另一方面该类实验是学生初次接触的专业实验，该类实验是本门课程的一个科学的实验思维模式，能帮助学生掌握实验操作技能和实验数据处理方法，属于操作类实验。操作类实验最终要落脚在“操作”上，所以此类实验建议以线上线下相结合的方式进行。

为展现真实实验现象和实验场景，教师需要提前进到实验室实景录制实验视频。在线上授课前，教师要提前通知学生预习了解实验目的，在课堂上结合实验实景录制的视频边播放边讲解。在这个过程中，教师结合实验仪器，讲解实验原理，根据实验原理让学生思考实验步骤，以及每步操作的目的和实验注意事项，让学生充分理解并掌握实验原理、实验操作步骤、实验注意事项等内容。以伯努利方程实验为例，如图3，图a展示了伯努利方程实验装置的整体情况，图b、c展示了实验装置的细节和实验过程中应该注意到的事项，图d是具体实验操作。教师要在实验视频中，把完整的操作步骤、注意的细节以及注意事项精确地展示给学生，同时将实验现象和实验数据的一部分展示给学生，以便暂时进行实验原理的理解和数据的处理。

线下实践动手操作部分，由于学生们已经反复观看视频，有了前期的学习，学生可就不同工况典型获取少量实验数据即可，例如静水总压力试验、静水压强实验、流量测量实验等，这样可以解决实验室容纳不足导致时间安排困难的问题。以笔者所在院校的情况来看，减少了实验教学的一大部分时间，便可以安排学生有序分组进入实验室进行实验操作。

线上线下结合教学能够保证学生在相关理论知识完成后，第一时间通过实验现象和实验数据加深对理论知识的理解，同时后期的实际操作会再次加深学生的直观理解，体现出实验的操作性质。

（三）综合设计类实验集中线下教学

综合设计类实验一般在课程或者章节的末尾，相关所有演示和验证类实验已全部完成，由于前两类实验已在线上完成了大部分，留有更多的学时给学生在线下进行该部分实验。该类实验一般以小组为单位进行，在进实验室之前，教师提前完成分组工作，线上布置实验任务，小组接到任务后搜索资料、查阅文献、提交实验初步方案，在老师审核把关没有问题后方可进入实验室。为更好地配合防疫工作，保证学生进入实验室后不出现扎堆等现象，要将实验室的开放时间增加，甚至完全开放实验。学生们以小组为单位，提前预约进入实验室进行实验，既满足疫情防控要求，又保证了实验的完成。

三、线上实验教学平台的选择

线上教学的优势对于实验课程很明显，一方面，教师能及时根据理论课进度开展相关实验教学，以演示实验为例，可在理论课中间穿插进行，另外学生也可以随时回看再学习；另一方面，传统的实验教学过程要么单纯在教室讲解实验原理，没有实验仪器的讲解学生听起来特别抽象，难以理解，要么进实验室对照仪器讲解，但是在讲解过程中，实验原理中的一些公式或者推导又没办法展开讲解，学生听着也是一头雾水。如今采用在线教学完美地解决了以上两种弊端。教学平台的选择必须充分体现在线教学的优势，所以在充分展现线上教学优势的同时，要补充线下教学的有利之处，线上实验教学才能达到事半功倍的效果。

为了达到预期教学效果，线上教学平台可提前发布预习内容，例如要求学生回顾实验的相关理论知识，以及了解实验目的，学生可以带着问题进行线上实验，同时在线上实验结束后，学生不仅应进行实验数据处理，完成思考题等，而且应充分利用网络优势，采取多方案的考核评价方式。线上教学平台必须选择具有回看、在线面对面交流、在线传输文件资料以及在线点名等互动功能的平台，软件也必须使用方便且兼容性强，可同时容纳多人在线学习的软件。

四、结束语

笔者所在的院校在2020年和2021年上半年均采用了线上线下相结合的方式开展水力学实验教学，实验教学效果良好。同时，由于视频可反复观看，加之讲解细致、细节突出，学生普遍对知识点的掌握理解较往届深刻，实验操作的热情更高，实验教学效果更佳。线上线下相结合的实验教学方法，满足了防疫的目的，更加便利灵活，多样性的实验教学方式极大地提高了学生的主观能动性和积极性，此举措得到学生和任课教师的一致认可。本文以水力学课程实验为例，基于实验特征分类提出的线上线下相结合的方法，也可在后续教学中延续推广使用，为综合设计类实验保留足够的时间。