新冠病毒感染疫情反復下實驗教學挑戰與改革

李祥　袁硯　吳建華　潘楊

摘? 要：在新冠病毒感染疫情反復的情況下，傳統的課堂教學面臨前所未有的壓力。在“停課不停學”的教學口號下，現有教學模式必須進行多樣化、與時俱進的改革，才能達到等值等效的教學效果，尤其是高等學校的工科實驗教學。在特殊時期，探索實驗教學新模式，突破傳統課堂實驗教學的瓶頸，成為各大高校迫切需求解決的問題。該文從環境工程專業背景出發，以典型的水污染控制工程的實驗課程為例，依據教學目標、內容和所要達到的教學質量，分析從傳統課堂教學向互聯網教學轉換過程存在的觸知、認知、感知等方面的局限性，構建及探討遠程互聯網教學與傳統課堂教學有機結合的新教學模式和評價體系，并探討其未來的發展方向。

關鍵詞：環境工程；水污染控制工程；實驗教學；教學模式；評價體系

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）17-0131-04

Abstract： In the face of epidemic repeated outbreaks， traditional classroom teaching is under unprecedented pressure. Under the teaching slogan of "stop classes without stop teaching "， the existing teaching modes must be diversified and reformed with the times in order to achieve the equivalent teaching effect， especially the engineering experiment teaching in colleges and universities. In the special period， to explore the new model of experimental teaching and break through the bottleneck of traditional classroom experimental teaching has become an urgent problem for universities to solve. This paper embarks from the environmental engineering specialty， in a typical "Water Pollution Control Project" experiment course as an example， analyzes the limitations of touch， cognition and perception in the process of transforming from traditional classroom teaching to internet teaching according to the teaching objectives， contents and teaching quality to be achieved， and constructs and discusses the new teaching mode and evaluation system of the combination of internet teaching and traditional classroom teaching， and discusses its future development direction.

Keywords： environmental engineering; water pollution control project; experimental teaching; teaching mode; evaluation system; reform

實驗教學是環境工程專業本科教學體系的一個非常重要的組成部分，不僅有助于學生對專業理論知識的理解，同時還增強學生動手能力，提升學生綜合素質，是培養學生科研興趣的重要環節[1]。同時，實驗教學的開展也讓學生在實驗教學過程中認識并學會使用諸多儀器，為學生畢業后進入專業崗位進行相關工作奠定重要基礎，使學生應對相關專業問題時能做到夠胸有成竹、得心應手，為社會培養實踐性和綜合性人才具有重要意義[2-3]。

然而近幾十年來，各種疫情不斷爆發，如非典、埃博拉、新冠病毒等，尤其是2019年冬季的新冠病毒感染疫情，不僅對我國經濟發展造成嚴重的影響，對學校的教學活動也提出嚴峻的考驗。慶幸的是網絡通信的快速發展，可視化多媒體的開發為這次疫情下網絡化的理論教學提供了重要的保障。據此，在緊閉校門的狀態下，學校也可貫徹執行教育主管部門提倡的“停課不停教、停課不停學”的教學導向。以傳統線下課堂教育為主的工作者們也順應時勢變化，日以繼夜地學習和編制新的多媒體教學課件，以教學內容不減，教學效果不減的標準進行教學。然而對于高校而言，尤其是以工科為主的專業教學，除了基礎理論教學，實驗教學也占有舉足輕重的位置。這些專業性實驗教學需要專業理論結合專業設備才能順利開展[4]。雖然諸多高校紛紛響應國家號召免費開發在線實驗教學資源，然而如何開展疫情下的實驗教學，使其達到線下課堂教學效果成為困擾學校和教師的難題[5-6]。

水污染控制工程是環境工程專業的一門重要的專業課程，具有典型理論性、專業性和實踐性強的特點[7-8]。本文以該課程中的實驗教學為例，闡述疫情下工程性實驗課程線上教學面臨的問題。探討利用現代信息技術和網絡資源構建線上教學和線下教學的新模式，已解決當前教學過程中存在的問題。

一? 疫情下傳統實驗課程面臨的挑戰

傳統的線下實驗教學一般是依據理論教學進度安排實驗教學內容，及時幫助學生將所學到的抽象理論知識進行形象化的理解與鞏固[9]。教學內容包括理論知識的講授，實物模型的展示與演示，實驗操作規范和要點的詳解，使學生能夠重現實驗現象和獲取相關實驗數據，利用理論知識對實驗結果進行分析與思考。通過上述過程評價學生對整個實驗原理的理解和實驗操作的規范。然而將實驗課程從線下轉移到線上則存在以下幾方面問題需要重視。

（一）? 專業實驗設備認知和觸知的局限

實驗教學不同于理論教學，需要特定環境下的專業實驗設備的演示，才能將抽象理論知識更加形象化地表述。這些專業設備在使用之前需要對其內部的構造進行認知，才能對實驗結果有更好地理解，對實驗原理及相關內容留下深刻的印象。同時一些實驗教學過程還隱含著一些監測設備的使用教學，如果學生不進行實際操作，就難以對監測設備的使用和保養進行了解，有可能導致學生進入工作崗位后對諸多同樣的監測設備望而生畏。同時，在線教學無法讓學生對實驗設備有很好的認知和觸知體驗。例如，充氧能力測定實驗不僅需要對曝氣設備及整個裝置結構進行相關的講解，同時還需要對不同溶解氧監測儀的使用及維護進行詳細講解，才能使學生在實驗中對溶解氧這一指標進行深刻地認知。

（二）? 實驗過程感知的局限

工程類的專業實驗不僅含有諸多專業性的設備，同時實驗過程還需要進行諸多規范化的操作步驟。實驗操作不規范，操作順序的顛倒，很容易引起實驗結果的較大誤差，乃至實驗的失敗。例如，在水質監測過程中，移液管的規范化使用極為重要，初學者手易抖，讀數視線不水平，更有甚者覺得移液管內液體流淌太慢，喜歡用洗耳球吹，加速其流淌。這些在實驗過程極易發生的不規范操作必定導致監測數據出現較大的誤差?？稍囅胍幌?，如果水樣被稀釋1 000倍，因移液管使用過程的不規范，使得監測樣本被多放入一滴或少放入一滴，1 000倍的誤差最終導致監測結果與實際數據的差異有天壤之別。而這些現象只有在操作過程中發生，才能給易犯錯的學生留下深刻印象并吸取相關經驗。要想增強學生對實驗過程的感知，線下的操作性實驗是必不可少的，這對在線實驗教學提出了新的挑戰。

（三）? 實驗結果理解的局限

雖然工程專業大多數的實驗目的是通過實驗現象重現的方式加強對專業理論知識的理解。但由于實驗操作過程及實驗設備差異，導致同一實驗出現諸多不同的實驗結果。因此實驗結果的深入分析能夠體現學生對實驗原理理解的程度及操作過程的正確性，綜合運用知識的能力，是整個實驗的重要環節。在此過程中，學生必須依據實驗原理、回顧實驗操作過程，才能夠對實驗結果進行正確的誤差分析。如果沒有經過實驗操作過程的鍛煉，很難對實驗結果出現的誤差進行正確而又深入的分析，同時在后期工作過程中也難對原理的運用做到得心應手。

（四）? 實驗評價體系的缺陷

實驗指導教師對學生實驗結果進行評價是整個實驗的最終環節[10]。指導教師一般依據實驗過程操作，實驗結果和實驗報告的書寫完整性和邏輯性評價學生實驗課程學習的好壞。教師也可通過這些過程評價其實驗教學內容難易，講解過程是否得當。然而線上教學很容易變成教師一言堂，最終只能以簡單的實驗報告作為評價依據，很難實現上述綜合的評價效果。

二? 多樣化教學的改革

新冠病毒感染疫情的背景下，傳統的實驗教學模式受到極大的限制，更多的課程內容逐步轉為線上教學。在此背景下，如何重新構建新的教學模式，避免學生在實驗過程中對實驗認知、感知、觸知和原理理解過程的缺陷，保質保量地完成實驗課程教學是當前實驗教學改革的重點。

（一）? 實驗教學的理論的改革

近年來，由于教學內容的增加，諸多實驗教學課時被大幅壓縮。在實驗課時少、實驗內容重的情況下，已有諸多基礎理論實驗以不同形式放置到校園網公共課堂，并要求學生在實驗前進行自我學習。但是這些教學資料更多地屬于單向知識的灌輸，缺少學生學習過程的思考[11]。為此，在疫情期間的實驗教學過程中對網絡課件進行大幅修改，增加大量動畫演示，提升學生對實驗設備的認知和感知，同時增加諸多檢測設備教學案例，強化學生對檢測儀器的認知。同時增加一些錯誤實驗案例的演示，以保證學生在使用實際實驗設備時能夠胸有成竹。通過該形式避免線上教學暴露出對實驗設備認知和感知的教學弊端。

另一方面，對線下實驗內容進行重新制定，以專業問題和應用為導向，將諸多獨立的小實驗編制成一個涵蓋諸多知識點和操作技能要求的創新型、設計型、綜合型的實驗。學生依據實驗目的和要求，結合個人興趣自由分組，組建團隊，通過前期線上理論知識的學習，自己動腦制訂綜合實驗方案。在方案制定過程中，通過互動軟件進行多次線上分組討論，使學生了解實驗目的和實驗原理，評價實驗設計邏輯的正確和實驗操作方法的合理性，并且明確相關的注意事項。例如水污染控制工程中涵蓋混凝實驗、生化處理實驗、過濾和反沖洗實驗和氣浮實驗等。在線下實驗教學時，這些實驗最初都是依據整個污水處理工藝的獨立處理單元而設計的獨立實驗。為此，在綜合實驗設計的過程中給出不同的污水類型及相應的處理要求，要求學生了解廢水特性，設計相應處理單獨并實現上下游串聯，明確每一個單元在整個污水處理工藝中的作用和重要性，最終形成完整的污水處理工藝流程，并且對所設計的處理單元給出相應控制參數及需要達到的處理目標（圖1）。

（二）? 實驗操作性教學的改革

在疫情的影響下，沒有足夠的時間進行線下實驗。但隨著我國“互聯網+”技術的發展和網絡教學資源的不斷壯大，諸多實驗模擬系統已經構建成熟并且運用到實際的實驗教學中[12-14]。因此對實驗設備認知、感知和觸知為基礎的實驗教學可以更多地依靠互聯網的形式完成相關教學內容，即利用現有網絡，最大程度地實現特殊環境下專業性實驗教學內容的開展。

例如水污染控制工程實驗，在制訂綜合實驗方案的基礎上，學生可以借助污水處理的虛擬仿真系統，構建污水處理工藝，進行模擬處理。在模擬系統的演示過程中要求學生通過工藝參數的改變，進一步了解不同控制參數的變化對整個系統處理污染物的影響，并通過基礎理論知識解釋實驗現象。最終學生依據自我定制的實驗方案，明確相關的控制參數。通過該平臺的訓練不僅進一步強化學生對理論知識的鞏固，同時還可以快速了解系統運行惡化時的原因，積累相關運行經驗，有利于在實際操作性實驗過程縮短實驗所需要的時間，更好地完成相關實驗。通過相關虛擬仿真平臺的鍛煉，為學生將書本理論知識運用到實際實驗操作建立了良好的紐帶（圖2）。

通過虛擬仿真鍛煉后，學生進入實驗室進行綜合實驗，可以在較短的時間內掌握整個實驗原理和實驗操作方法，同時對實驗過程遇到的實驗問題也能夠進行快速的解決。這使得學生在較短的時間內掌握更多的專業知識。

（三）? 實驗考核方式的改變

實驗教學效果需要從知識體系的理解、操作過程的完善和團隊的協作精神對學生的實驗結果進行評價[15]。由于諸多課程變成了網絡教學，因此對學生的學習效果全面考量需要進行改革，即從線上和線下綜合評價學生的實驗。在本課程的教學過程中以實際應用或問題為導向，進行綜合實驗的設計，以網絡教學過程中的理論知識為基礎，評價學生對整個實驗課程的理論知識應用能力和解決問題能力。通過實驗方案的反復討論不僅為學生進行整個知識體系梳理，同時也可為其拓展思維，考察學生的創新能力。通過虛擬仿真建立污水處理系統和綜合實驗的實際操作的實驗結果分析討論，考察學生動手能力及團隊協作能力。

三? 結束語

傳統的線下實驗教學有其不可取代的優勢，可幫助學生在專業理論之外認識、感知更多的專業設備，掌握更多的專業技能。然而在疫情下，線下實驗時間再次被大幅壓縮，線上教育的補充是其唯一出路。與完全理論課程的線上教學不同，實驗課程的線上教學不僅是實驗原理等理論知識的講解，還需拓展實驗教學案例，拓寬教學內容，使學生了解本實驗理論之外的諸多實驗設備等。同時，線上教學還需要以不同形式增強雙方的交流與討論，以增強學生對原理的理解。當前諸多高校只注重理論課程的精品課程建設，并以不同的在線教學模式呈現，而實驗教學的精品課程鳳毛麟角。因此，必須大力發展和培育線上精品實驗教學課程，才能突破傳統線下實驗教學的瓶頸。通過線上和線下課程教學的有機結合，不僅是疫情下教學改革發展的出路，同時也是未來網絡化教學發展的方向。另外，隨著數字化教學不斷發展，加大開發基于數字化的新技術，如AI技術等，強化線上實驗教學過程對實驗設備認知和觸知，使實驗過程以更多的形式呈現，使得教學過程更多地由被動教學轉變為學生的主動學習。

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