信息化背景下农业院校水力学实验课程教学改革探索与实践

关键词：混合式教学；水力学实验；线上线下结合；教学模式

0 引言

互联网和信息技术的快速发展，使得线上线下混合式教学模式得到蓬勃式发展，并将成为未来高校教学的新常态[1]。混合式教学旨在充分利用线上教学的优势，同时结合传统教学的特点，实现两者的优势互补与相互融合，提供更加灵活和丰富的教学方式，已广泛应用于专业理论课堂的教学上，并取得了较好的教学效果[2-7]。目前混合式教学模式也开始在实践课程中进行应用，但相关应用研究尚不多见[8-12]。实践教学是工程教育的重要环节，是培养学生实践动手能力和创新能力，提高人才培养质量的重要途径[13-14]。水力学实验课程是具有较强实践性的课程，具有理论教学不可替代的重要作用，在当前工程专业认证和教育信息化背景下，改革传统的水力学实验课程教学，将信息技术与实验教学相结合，采用线上线下混合式多元化的水力学实验课程教学模式，是非常重要和必要的[15]。

考虑到混合式教学模式的优势，结合中国农业大学水利类专业的自身发展特点，本研究尝试改变现有的教学方法和手段，探索利用信息技术和虚拟仿真手段开展线上+线下+虚拟仿真混合式多元化水力学实验课程教学模式，旨在突破传统的单一线下实验教学方式，进一步激发学生主动学习的积极性，提高学生的综合实践能力，提升水力学实验课程教学的效果，进一步推动信息化技术与专业实践教学的深度融合。

1 教学现状与存在问题

1.1 教学现状

水力学实验课程是水利类专业重要的实践性课程，旨在使学生加深对水力学中基本概念和基本理论的认识，了解解决水力学问题的基本方法，并掌握专业领域相关的工程实验原理及方法；使学生具备一定的专业实验技能，针对复杂工程问题能够进行科学的试验设计；培养学生分析、解决工程实际应用中有关水力学问题的能力。

结合农业水利工程和水利水电工程专业的自身发展特点，中国农业大学将水力学实验课程从理论课中分离出来，开设独立的水力学实验课程，安排16学时，共17个实验项目（其中演示实验2个），记0.5学分。实验指导教材主要为自编教材。课程集中安排在夏季学期进行，实行全天候的开放式实验，采用单一线下教学模式。

1.2 存在问题

当前水力学实验课程主要存在3方面问题。①学生课前缺乏预习，导致课中难以入手，线下实操时还在查看实验指导教材，导致实验效率不高。②实验多为验证性实验，实验指导教材中操作步骤过于详尽，导致学生形成一种惰性心理，即只需要按部就班地进行实验操作，制约了学生自主思考的积极性及创新能力。③实验教学缺乏信息化技术的应用，难以适应教育信息化背景下实验教学发展的需求。

2 教学模式改革

结合多年的水力学实验课程教学经验，在分析传统水力学实验课程教学中存在问题的基础上，从3个方面构建了线上+线下+虚拟仿真混合式多元化水力学实验课程教学模式，技术路线如图1所示。

2.1 整合优化实验教学资源

（1）优化实验指导教材。在原有实验教材基础上，对教材结构进行了重新编排和优化。增加了探索性实验和设计性实验项目内容，如在动量定律实验中，增加了测定实验装置灵敏度的拓展性实验；在沿程水头损失实验中，增加了利用沿程损失实验仪器对实验管段平均当量粗糙度的测定进行设计的设计性实验内容。针对实验步骤太过详尽的问题，修订的教材对实验步骤进行了适当的精简，避免学生形成只需按照步骤完成实验的惰性心理，给学生留下足够的思考和发挥空w/NCwzpMGFUKtl9x5r/E3w==间。此外，改进了课后分析思考题，旨在提高学生的综合训练能力。

（2）整合实验教学资源。利用互联网资源，实现水力学实验课程教学资源的整合。收集了线上的相关实验操作、实验原理讲解、生活中的水力学实验现象和水力现象模拟等视频资源，以及实验室的实验录像视频，结合自编的电子实验指导教材，整合优化形成水力学实验的数字课程资源库，为学生提供直观生动、声画并茂的在线教学资源，如图2所示。学生可以随时随地反复观看学习。如水跃实验，整合了包括水跃实验原理讲解、水跃实验录像、一些生活中的水跃现象、水跃现象CFD模拟视频和水跃实验指导文件；消能池实验整合了包括白鹤滩大坝是如何做到泄洪消能的、水库对冲消能、消能池CFD模拟、消能池实验原理讲解及消能池实验录像等视频资源；文丘里实验整合了包括文丘里管关于伯努利原理阐述、差压流量计文丘里管的测量原理、文丘里流量计内流动情况演示、文丘里实验原理讲解及文丘里实验录像等视频资源。

生动丰富的在线教学资源，突破了空间上和时间上的限制，为学生提供了更加弹性灵活的学习环境，增强了学生主动学习的积极性。

2.2 线上+线下+虚拟仿真混合式多元化实验教学方法

（1）课前环节：线上预习、资源学习、开展线上虚拟仿真实验。基于水力学实验数字课程资源库及浙江大学开发的虚拟仿真实验平台，引导学生进行自主学习，了解实验原理、实验目的，熟悉实验操作流程，及时发现问题，并通过微信群等平台进行互动。同时可对相关的水力实验现象进行拓展学习。如流体静力学实验，通过蛟龙号深潜的案例视频引出静水压强等问题，让学生了解水静力学的水力现象及基本规律。

在线上资源学习的基础上，进行虚拟仿真实验。平台提供了流体静力学、文丘里、能量方程、动量方程、雷诺、沿程水头损失、局部水头损失、毕托管测速与修正系数标定、孔口与管嘴出流、堰流、水跃、消能池和水面曲线共13个虚拟仿真实验。学生可以在任何时间任何地点进行线上学习与仿真实验，突破时空限制。线上虚拟仿真实验具有开放共享性、可重复性、可拓展性等优势，生动的仿真实验使得学生实验的兴趣增强了，主动性和积极性提高了。此外，通过虚拟仿真实验，使学生全面了解实验的操作过程、相关的规律、实验中可能遇到的问题和可能产生的结果等，从而对实验过程有更深的认识，为下一步线下实验的顺利实施奠定了良好的基础。

（2）课中环节：结合线上资源开展线下实操实验。线下实验是整个实验教学过程的主体，可以锻炼学生的实践动手能力，提高小组成员的团队协作能力，师生之间的沟通交流也更直接高效。

在课前的学习和虚拟仿真实验操作的基础上，学生进入实验室开展集中的线下实验。实行开放自助、目标管理、弹性教学的线下全天候开放式实验教学方式，即实验时间、仪器设备、实验项目全开放，为学生提供相对主动自由的实验环境。在夏季学期内，学生可以任意选择实验时间、任意挑选实验项目及仪器设备来做实验，学生以2～3人为一组，既各司其职又团结协作完成17个实验。17个实验中有2个为演示性实验、15个为实操性实验，15个实验可分为水静力学实验、水动力学实验和明渠实验3大类。

实验过程中，学生可以随时随地通过移动设备查看电子资源和虚拟仿真实验，提高实验成功率。教师实时巡查，掌握学生的实验动态，及时解决学生实际操作中遇到的问题，与学生进行充分的互动交流。开放式的实验不仅提高了实验仪器的利用率，而且提高了学生实验的积极性和参与度，同时给学生提供足够的时间和空间进行思考，从而有效地培养学生的动手实践和独立思考的能力[15]。

明渠实验案例：堰流实验主要有以下3个步骤。①学生在线学习堰流实验指导材料、堰流实验原理讲解、实验录像和堰流水力现象等视频资料，如图3所示。依托由浙江大学开发的虚拟仿真实验平台，进行堰流虚拟仿真实验，如图4所示。线上堰流实验可以选择圆角宽顶堰、直角宽顶堰、WES型堰和克奥型堰4种不同的堰型，测量不同堰型下自由出流的流量系数。如果操作不当，页面会弹出错误提示以便改正。虚拟仿真实验可使学生对堰流实验操作流程和可能出现的问题有全面的了解。②经过课前的学习和虚拟仿真实验演练之后，学生进入实验室亲自动手开展堰流实验。由于设备的限制，线下实验只能进行圆角宽顶堰和WES型堰的测量，虚拟实验弥补了不同堰型选择的不足。当学生在实验过程中遇到问题，引导学生分析问题产生的原因，如何去寻找解决问题的方法。教师实时巡查，适时沟通交流，引导学生思考测量淹没系数都有vF3eSCUbT+wtPwp4w7PvF41CKJJgE0eh58ckV7oo3lg=哪些方法，测量时产生误差的可能原因，分析在实验中应该采取哪些措施能够尽可能减小误差，分析不同堰型下游变化对堰过流能力有什么影响等。③完成实验后，学生根据所测数据，计算流量、流速、堰顶水头等过程参数，确定不同堰型下自由出流的流量系数和宽顶堰下淹没出流的淹没系数等，并回答课后思考题，完成实验报告。

（3）课后环节：进行综合评估。完成实验后，学生结合虚拟仿真与实操实验，对所获得的数据进行整理、分析，对实验中发现的问题进行反思，回答课后思考题，撰写实验总结报告并提交。

线上+线下+虚拟仿真混合式多元化实验教学模式注重过程考核和学生学习能力的评价，所以课程考核采用线上参与过程+线下实验过程+实验报告+综合答辩的方式来综合评定学生的实验课程成绩。线上参与过程主要考核学生线上学习和虚拟仿真实验的参与情况，针对虚拟仿真实验可在后台系统对学生的线上实验过程进行查询统计，包括学生的实验时长、实验完成度、实验数据结果等。线下实验过程主要根据学生实验操作、实验参与程度、小组同学团结协作情况等方面来进行评估。实验报告主要根据学生实验报告中数据处理、绘图分析及回答问题情况评定。综合答辩设置一对一答辩环节考核学生的学习能力及实验参与度等，每位学生都要进行答辩，根据学生回答问题的情况评定答辩成绩。通过4个环节综合考察学生的学习能力、实验动手能力和发现问题解决实际问题的能力。

2.3 实验教学改革效果

2023年，针对2021级农业水利工程和水利水电工程专业，实施线上+线下+虚拟仿真混合式多元化水力学实验教学改革，为了了解学生在教学改革后的收获及其评价，通过无记名问卷调查和学生发表感想的形式对教学效果进行反馈。无记名问卷调查结果如表1所示，学生对本实验教学模式满意度100%，其中非常满意达60.7%；对课程考核方式认可度100%，其中54.1%学生表示非常认可；对于实验课程参与度，97.0%的学生完全参与，3.0%的学生基本参与；对于虚拟实验是否对线下实操有帮助，100%学生认为有帮助，其中65.6%学生认为非常有帮助；对于实验教学改革效果评价结果，72.1%学生认为效果好建议继续使用，26.2%学生可以接受，1.7%学生无所谓。除了无记名问卷调查，每个小组学生对本实验课程改革各自发表了自己的看法和感想。总体上，学生对混合式多元化水力学实验教学模式非常认可，认为线上线下相结合的水力学实验课程教学模式可以为学生提供更全面、更灵活和互动的学习体验，能帮助学生更好地理解和应用水力学知识，更有效地满足学生的学习需求，增强学生的学习效果和综合实践能力。

线上虚拟仿真实验可以弥补线下实操实验做不了或者完成不了的一些实验过程，线上可以改变实验的条件，可以设计不同的工况，并可自主设计实验等，而线下实验由于其实验环境真实、可亲自动手实践操作，具有虚拟实验无可替代的优势。线上学习、虚拟仿真与线下实验以虚促实、虚实结合、相辅相成及优势互补，突显了实验教学的灵活性，不受时空的限制，实现了从被动接受到主动学习的教学模式转变，充分调动学生实验的积极性，进一步激发学生学习的兴趣，培养学生独立思考解决问题的能力和探索创新的精神，有效地促进了教学质量的提升。

3 结束语

中国农业大学水利类专业成功实施了线上+线下+虚拟仿真混合式多元化水力学实验课程教学改革，并取得了显著的成效。生动丰富的在线教学资源为学生提供了更灵活的学习空间，虚拟实验和实操实验结合，更好地激发了学生的创造力和想象力，显著提升了学生的参与度和实验能力，有效改善了教学效果。未来实验教学中，将进一步完善在线教学资源，修订优化实验指导教材，探索创新的教学方法和手段，不断改进水力学实验教学模式，提高学生的学习效果和综合实践能力，不断提升实验教学质量。