新冠病毒感染疫情反复下实验教学挑战与改革

李祥　袁砚　吴建华　潘杨

摘  要：在新冠病毒感染疫情反复的情况下，传统的课堂教学面临前所未有的压力。在“停课不停学”的教学口号下，现有教学模式必须进行多样化、与时俱进的改革，才能达到等值等效的教学效果，尤其是高等学校的工科实验教学。在特殊时期，探索实验教学新模式，突破传统课堂实验教学的瓶颈，成为各大高校迫切需求解决的问题。该文从环境工程专业背景出发，以典型的水污染控制工程的实验课程为例，依据教学目标、内容和所要达到的教学质量，分析从传统课堂教学向互联网教学转换过程存在的触知、认知、感知等方面的局限性，构建及探讨远程互联网教学与传统课堂教学有机结合的新教学模式和评价体系，并探讨其未来的发展方向。

关键词：环境工程；水污染控制工程；实验教学；教学模式；评价体系

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：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

實验教学是环境工程专业本科教学体系的一个非常重要的组成部分，不仅有助于学生对专业理论知识的理解，同时还增强学生动手能力，提升学生综合素质，是培养学生科研兴趣的重要环节[1]。同时，实验教学的开展也让学生在实验教学过程中认识并学会使用诸多仪器，为学生毕业后进入专业岗位进行相关工作奠定重要基础，使学生应对相关专业问题时能做到够胸有成竹、得心应手，为社会培养实践性和综合性人才具有重要意义[2-3]。

然而近几十年来，各种疫情不断爆发，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，不仅对我国经济发展造成严重的影响，对学校的教学活动也提出严峻的考验。庆幸的是网络通信的快速发展，可视化多媒体的开发为这次疫情下网络化的理论教学提供了重要的保障。据此，在紧闭校门的状态下，学校也可贯彻执行教育主管部门提倡的“停课不停教、停课不停学”的教学导向。以传统线下课堂教育为主的工作者们也顺应时势变化，日以继夜地学习和编制新的多媒体教学课件，以教学内容不减，教学效果不减的标准进行教学。然而对于高校而言，尤其是以工科为主的专业教学，除了基础理论教学，实验教学也占有举足轻重的位置。这些专业性实验教学需要专业理论结合专业设备才能顺利开展[4]。虽然诸多高校纷纷响应国家号召免费开发在线实验教学资源，然而如何开展疫情下的实验教学，使其达到线下课堂教学效果成为困扰学校和教师的难题[5-6]。

水污染控制工程是环境工程专业的一门重要的专业课程，具有典型理论性、专业性和实践性强的特点[7-8]。本文以该课程中的实验教学为例，阐述疫情下工程性实验课程线上教学面临的问题。探讨利用现代信息技术和网络资源构建线上教学和线下教学的新模式，已解决当前教学过程中存在的问题。

一  疫情下传统实验课程面临的挑战

传统的线下实验教学一般是依据理论教学进度安排实验教学内容，及时帮助学生将所学到的抽象理论知识进行形象化的理解与巩固[9]。教学内容包括理论知识的讲授，实物模型的展示与演示，实验操作规范和要点的详解，使学生能够重现实验现象和获取相关实验数据，利用理论知识对实验结果进行分析与思考。通过上述过程评价学生对整个实验原理的理解和实验操作的规范。然而将实验课程从线下转移到线上则存在以下几方面问题需要重视。

（一）  专业实验设备认知和触知的局限

实验教学不同于理论教学，需要特定环境下的专业实验设备的演示，才能将抽象理论知识更加形象化地表述。这些专业设备在使用之前需要对其内部的构造进行认知，才能对实验结果有更好地理解，对实验原理及相关内容留下深刻的印象。同时一些实验教学过程还隐含着一些监测设备的使用教学，如果学生不进行实际操作，就难以对监测设备的使用和保养进行了解，有可能导致学生进入工作岗位后对诸多同样的监测设备望而生畏。同时，在线教学无法让学生对实验设备有很好的认知和触知体验。例如，充氧能力测定实验不仅需要对曝气设备及整个装置结构进行相关的讲解，同时还需要对不同溶解氧监测仪的使用及维护进行详细讲解，才能使学生在实验中对溶解氧这一指标进行深刻地认知。

（二）  实验过程感知的局限

工程类的专业实验不仅含有诸多专业性的设备，同时实验过程还需要进行诸多规范化的操作步骤。实验操作不规范，操作顺序的颠倒，很容易引起实验结果的较大误差，乃至实验的失败。例如，在水质监测过程中，移液管的规范化使用极为重要，初学者手易抖，读数视线不水平，更有甚者觉得移液管内液体流淌太慢，喜欢用洗耳球吹，加速其流淌。這些在实验过程极易发生的不规范操作必定导致监测数据出现较大的误差。可试想一下，如果水样被稀释1 000倍，因移液管使用过程的不规范，使得监测样本被多放入一滴或少放入一滴，1 000倍的误差最终导致监测结果与实际数据的差异有天壤之别。而这些现象只有在操作过程中发生，才能给易犯错的学生留下深刻印象并吸取相关经验。要想增强学生对实验过程的感知，线下的操作性实验是必不可少的，这对在线实验教学提出了新的挑战。

（三）  实验结果理解的局限

虽然工程专业大多数的实验目的是通过实验现象重现的方式加强对专业理论知识的理解。但由于实验操作过程及实验设备差异，导致同一实验出现诸多不同的实验结果。因此实验结果的深入分析能够体现学生对实验原理理解的程度及操作过程的正确性，综合运用知识的能力，是整个实验的重要环节。在此过程中，学生必须依据实验原理、回顾实验操作过程，才能够对实验结果进行正确的误差分析。如果没有经过实验操作过程的锻炼，很难对实验结果出现的误差进行正确而又深入的分析，同时在后期工作过程中也难对原理的运用做到得心应手。

（四）  实验评价体系的缺陷

实验指导教师对学生实验结果进行评价是整个实验的最终环节[10]。指导教师一般依据实验过程操作，实验结果和实验报告的书写完整性和逻辑性评价学生实验课程学习的好坏。教师也可通过这些过程评价其实验教学内容难易，讲解过程是否得当。然而线上教学很容易变成教师一言堂，最终只能以简单的实验报告作为评价依据，很难实现上述综合的评价效果。

二  多样化教学的改革

新冠病毒感染疫情的背景下，传统的实验教学模式受到极大的限制，更多的课程内容逐步转为线上教学。在此背景下，如何重新构建新的教学模式，避免学生在实验过程中对实验认知、感知、触知和原理理解过程的缺陷，保质保量地完成实验课程教学是当前实验教学改革的重点。

（一）  实验教学的理论的改革

近年来，由于教学内容的增加，诸多实验教学课时被大幅压缩。在实验课时少、实验内容重的情况下，已有诸多基础理论实验以不同形式放置到校园网公共课堂，并要求学生在实验前进行自我学习。但是这些教学资料更多地属于单向知识的灌输，缺少学生学习过程的思考[11]。为此，在疫情期间的实验教学过程中对网络课件进行大幅修改，增加大量动画演示，提升学生对实验设备的认知和感知，同时增加诸多检测设备教学案例，强化学生对检测仪器的认知。同时增加一些错误实验案例的演示，以保证学生在使用实际实验设备时能够胸有成竹。通过该形式避免线上教学暴露出对实验设备认知和感知的教学弊端。

另一方面，对线下实验内容进行重新制定，以专业问题和应用为导向，将诸多独立的小实验编制成一个涵盖诸多知识点和操作技能要求的创新型、设计型、综合型的实验。学生依据实验目的和要求，结合个人兴趣自由分组，组建团队，通过前期线上理论知识的学习，自己动脑制订综合实验方案。在方案制定过程中，通过互动软件进行多次线上分组讨论，使学生了解实验目的和实验原理，评价实验设计逻辑的正确和实验操作方法的合理性，并且明确相关的注意事项。例如水污染控制工程中涵盖混凝实验、生化处理实验、过滤和反冲洗实验和气浮实验等。在线下实验教学时，这些实验最初都是依据整个污水处理工艺的独立处理单元而设计的独立实验。为此，在综合实验设计的过程中给出不同的污水类型及相应的处理要求，要求学生了解废水特性，设计相应处理单独并实现上下游串联，明确每一个单元在整个污水处理工艺中的作用和重要性，最终形成完整的污水处理工艺流程，并且对所设计的处理单元给出相应控制参数及需要达到的处理目标（图1）。

（二）  实验操作性教学的改革

在疫情的影响下，没有足够的时间进行线下实验。但随着我国“互联网+”技术的发展和网络教学资源的不断壮大，诸多实验模拟系统已经构建成熟并且运用到实际的实验教学中[12-14]。因此对实验设备认知、感知和触知为基础的实验教学可以更多地依靠互联网的形式完成相关教学内容，即利用现有网络，最大程度地实现特殊环境下专业性实验教学内容的开展。

例如水污染控制工程实验，在制订综合实验方案的基础上，学生可以借助污水处理的虚拟仿真系统，构建污水处理工艺，进行模拟处理。在模拟系统的演示过程中要求学生通过工艺参数的改变，进一步了解不同控制参数的变化对整个系统处理污染物的影响，并通过基础理论知识解释实验现象。最终学生依据自我定制的实验方案，明确相关的控制参数。通过该平台的训练不仅进一步强化学生对理论知识的巩固，同时还可以快速了解系统运行恶化时的原因，积累相关运行经验，有利于在实际操作性实验过程缩短实验所需要的时间，更好地完成相关实验。通过相关虚拟仿真平台的锻炼，为学生将书本理论知识运用到实际实验操作建立了良好的纽带（图2）。

通过虚拟仿真锻炼后，学生进入实验室进行综合实验，可以在较短的时间内掌握整个实验原理和实验操作方法，同时对实验过程遇到的实验问题也能够进行快速的解决。这使得学生在较短的时间内掌握更多的专业知识。

（三）  实验考核方式的改变

实验教学效果需要从知识体系的理解、操作过程的完善和团队的协作精神对学生的实验结果进行评价[15]。由于诸多课程变成了网络教学，因此对学生的学习效果全面考量需要进行改革，即从线上和线下综合评价学生的实验。在本课程的教学过程中以实际应用或问题为导向，进行综合实验的设计，以网络教学过程中的理论知识为基础，评价学生对整个实验课程的理论知识应用能力和解决问题能力。通过实验方案的反复讨论不仅为学生进行整个知识体系梳理，同时也可为其拓展思维，考察学生的创新能力。通过虚拟仿真建立污水处理系统和综合实验的实际操作的实验结果分析讨论，考察学生动手能力及团队协作能力。

三  结束语

传统的线下实验教学有其不可取代的优势，可帮助学生在专业理论之外认识、感知更多的专业设备，掌握更多的专业技能。然而在疫情下，线下实验时间再次被大幅压缩，线上教育的补充是其唯一出路。与完全理论课程的线上教学不同，实验课程的线上教学不仅是实验原理等理论知识的讲解，还需拓展实验教学案例，拓宽教学内容，使学生了解本实验理论之外的诸多实验设备等。同时，线上教学还需要以不同形式增强双方的交流与讨论，以增强学生对原理的理解。当前诸多高校只注重理论课程的精品课程建设，并以不同的在线教学模式呈现，而实验教学的精品课程凤毛麟角。因此，必须大力发展和培育线上精品实验教学课程，才能突破传统线下实验教学的瓶颈。通过线上和线下课程教学的有机结合，不仅是疫情下教学改革发展的出路，同时也是未来网络化教学发展的方向。另外，随着数字化教学不断发展，加大开发基于数字化的新技术，如AI技术等，强化线上实验教学过程对实验设备认知和触知，使实验过程以更多的形式呈现，使得教学过程更多地由被动教学转变为学生的主动学习。

参考文献：

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