应用型本科环境工程学实验混合式教学模式改革

罗薇楠 杨国靖 沙昊雷 白春节

[摘 要] 以“工程化”理念为基础，在原有“环境工程学实验”教学改革的基础上，针对教学中现存问题，采用“线上+线下”“实际操作+虚拟仿真”“固定+开放”几种混合式教学模式，进行了工程化实验教学的全过程改革探索。通过优化整合实验室资源，规范开放实验室管理制度为实验教学提供支持与保障。采用“线上+线下”全过程评价方式，完善了教学过程管理与考核评价体系，调动了学生的学习积极性和自主学习能力，提升了应用型人才培养的实践环节教学质量。

[关键词] 应用型人才;环境工程实验;在线课程;混合式教学

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章編号] 1674-9324（2022）10-0079-04 [收稿日期] 2021-09-02

近年来，随着高等教育大众化步伐的不断迈进，传统的精英化研究型培养模式已不适用于很多高校。大批应用型本科高校迅速找准了自身定位，积极开启应用型人才培养模式与学科建设的探索、改革与实践[1-3]，而应用型高等教育人才也正是当前各地方经济发展所亟须的建设力量。浙江万里学院位于经济发达的长三角地区宁波市，在新时期生态环境建设的背景下，环境工程专业的培养重点需要结合区域经济与生态环境发展特点，培养学生适应当前行业实际需求，成为能够将工程思维与生态理念相结合的高素质应用型人才。“环境工程学实验”是环境工程专业一门重要的实践课程，重点培养学生的动手能力、逻辑思维、工程素养和理论联系实际的综合分析设计能力，对于本专业人才培养具有重要意义。我系已针对应用型人才的创新能力与素质培养进行了多年研究与实践，并取得了一定成效[4]，但随着工程化模式的进一步推进和工程教育专业认证的需要，尚有一些必须改革的问题。因此在前期教改的基础上，利用“互联网+”技术平台、虚拟仿真“VR技术”等，进一步丰富教学资源，整合开放性实验，突出“应用型”和“工程设计”的特色，进行多方位混合式教学模式的探索与实践。

一、目前教学中存在的问题

（一）实验内容与生产实际关联度不强

目前“环境工程学实验”课程设置中虽然存在一定的开放性、设计性实验，但要么已沿用多年，内容陈旧，要么偏向于教师的科研理论研究，与地方经济发展和需求结合力不强，没有充分发挥地区经济优势。有些开放性实验可以在研究生学长指导下进行一些数据的重复监测，出几幅数据图就算完成任务，达不到工程训练的培养目标，也使学生养成了被动依赖而不是主动探索的习惯。我系在应用型人才培养探索过程中积极加强校企合作，优化人才培养体系，建立了大量的校外企业实习实践基地，在工程化教育背景下，要将这些优势资源应用到日常教学中来，充分发挥地区经济优势，培养真正适合于行业需求的高素质应用型人才。

（二）复杂的工程类实验无法体验

工程化应用型教学应该使学生最大限度地接近工程实际，但是由于工程本身的特点，一些大规模的、复杂的、存在一定危险性和不可控因素的模型和场景无法在实验课上体现，学生能够亲身实践操作的都是拆分成单元的单一工程环节，这样体验到的工程思维是分散的、割裂的。近年来，随着计算机和互联网技术的发展，虚拟现实技术（VR技术）日益进入人们的工作和生活中[5]。利用VR技术建立的虚拟仿真实验可以非常好地弥补传统实验教学的不足，将需要的场景从抽象的平面图纸转化为生动、立体的真实环境，是一种全新的教学方法改革与探索[6]。环境工程的专业特点也非常适用于VR技术展示，近年来也得到了广泛的技术研究并证明了其可行性[7，8]。

（三）过程化评价体系不完善，学生积极性不足

目前的课程评价方式为平时成绩（70%）+期末笔试考核（30%），平时成绩包括课堂出勤、提问、讨论、操作和数据的准确性、实验报告等，看似比较全面，实际执行过程中却发现很多环节难以真实反映出学生的学习过程。因为工程类实验不可能做到人手一套装置，必然是分组进行的，实验报告也是学生课后提交，期末考试的题目也是偏理论型，因此出现一些普遍的奇怪现象，如“一人操作多人看”“实验报告抄得好”“考前重点背一背”等，使得最终的评价结果难以体现出学生的整个学习过程，也影响了学生的学习积极性和自主能力。

二、混合式教学模式实践过程

（一）“线上+线下”混合式过程学习

依托本校网络教学平台建设线上课程，采用“微课+翻转课堂+讨论区+试题库”等手段，结合传统的课堂教学，形成“线上+线下”混合式教学模式，加强过程学习管理。线上线下的具体内容和评价方式如表1所示。每次实验课前，学生必须在网络平台上学习微课视频，在实验报告册上完成实验目的、原理、主要操作过程和关键点等实验预报告。课上由分组学生根据预习情况进行讲解，其他组可以提问和讨论，教师只起引导作用，实质上是“翻转课堂”的模式。实验过程中在线开放讨论区，学生可随时上传实验过程图片，发现并讨论问题。实验结束提交数据时顺便提交各组互评结果，由教师统筹给分，并在实验结束后马上进行在线测验。整个过程充分调动了学生的学习积极性，同时锻炼了沟通协作、逻辑分析和语言表达能力，培养了学生的综合素质，而不是被动接受教师传授的知识。

线上课程平台可以有效加强师生互动和学生之间的讨论学习，同时起到了清晰记录实验过程的作用，可对学生的整个学习过程进行全方位督促，学生必须亲自完成任务，而且对于任务的完成情况一目了然。通过“线上+线下”混合式教学过程，改变了以往平时成绩界定不清，部分学生蒙混过关的情形，学生的学习主动性和行为管理能力都得到了极大的提高。

（二）“实际操作+虚拟仿真”混合式项目设置

传统的环境工程学实验因场地、安全等条件所限，一般只限于单个反应单元的装置搭建、过程运行，或几个反应单元的简单串联，而实际的环境污染治理工艺技术要远比这些复杂，尤其是涉及区域生态环境控制的连锁型项目。为了获得更好的工程化体验，课程项目设置上应用了近年来高速发展的虚拟仿真（VR）技术，增加了“区域化城市污水处理全工艺流程（A2O与SBR法）”“板式静电除尘与填料塔吸收处理工艺气体”“生活垃圾填埋场全过程运行”等虚拟实验，使学生亲身体验工程现场感与完整的工艺流程，得到全方位的工程训练，并初步具有区域整体生态环境思想。但虚拟实验毕竟只是上机操作，只能作为实际操作实验的感性认识补充，传统的环境工程实验方法如“沉淀、中和、过滤、混凝、吸附、生化处理、固体发酵”等依然是常规实验项目，学生动手操作的实践能力培养依然位于首位。

采用虚拟仿真与实际操作相结合的方式，可以进行相关实验内容的整合，形成模块化实验，有利于学生整体工程思维模式的培养。例如：在理论课相关内容学习之后，先进行“区域化城市污水处理全工艺流程（A2O与SBR法）”虚拟仿真实验，使学生对规模化城市污水的处理流程有一个整体的认识，熟悉常用的工艺流程和具体的操作单元;接下来针对具体工艺分别进行实际操作演练，依次进行“颗粒自由沉淀实验”“混凝沉淀实验”“曝气充氧实验”“污泥生化指标测定实验”“SBR工艺运行实验”“污泥脱水及其指标测定实验”等，形成一套完整的针对城市污水的水处理模块实验。在全部操作内容完成后，再回过头重新体验一遍虚拟实验，使得原来模棱两可的概念一一在头脑中落实。这样一个“理论—实践—理论”的过程，可以巩固加深学生的印象，使理论知识充分转化为能够实际应用的能力素质。

（三）“固定+开放”混合式管理方式

固定实验即课程中的必修实验，包括基本操作和VR实验;开放实验即自主设计或自选课题实验。必修实验采用传统的固定课表、小班上课模式，而开放实验没有固定时间，由学生自行组织选题、调研、设计出执行方案后找相关教师预约实验场地与时间，在遵守实验室规章制度的前提下自主完成。

本课程中要求每位学生必须参与1～2项自主设计实验，每组人数不超过5人。根据近几年课程开放实验运行效果，要求学生选择的开放式自主设计实验必须是实际应用的工程类实验，要结合企业生产实际，不能只是实验理论研究和数据的重复监测。进一步深化整体工程思维模式的培养，使自主设计的范围更广，深度更深。实验题目只给一个主要方向，如“工业污水的综合分析与治理”实验，学生可根据当地经济生产情况自主调研，在校外实习基地或者与我校建立就业联络的企业中选择需要处理的不同类型污水，例如水产加工、水果罐头生产、印染厂、造纸厂等，从项目调研、水质分析、工艺选择、污泥培养、工艺运行等过程进行全方位设计，并得出初步结果。工程类开放实验工作量较大，这部分内容可与环境工程课程设计、素质拓展项目以及学生创新创业项目相结合，共同打造环境工程化实践课程体系。

（四）实验教学资源优化与制度保障

1.实验室资源优化整合。依托全院实验教学示范中心分析测试平台，结合环境工程实验室原有大型仪器设备，丰富了专业分析测试仪器的种类和数量，学生可以此为依托开展高级别的开放型实验。大型分析仪器的使用采用预约制，根据仪器操作使用的难易程度和精密级别，依次实行本科生独立操作、研究生指导下操作、专职教师指导操作等方式，操作使用过程记录全部联网，也可作为教师评价实验过程的参考。VR实验需要独立机房、专业软件，我们整合了学院原有的AutoCAD教室，改造成“环境工程规划与设计实验室”，供本课程使用的同时还可进行环境工程水、气、固废处理工艺等课程设计，使资源共享充分利用。此外，课程教学还依托了本院水处理工程实训基地，与原有环境工程实验室共同作为实验场所，为学生充分打造一个宽敞完备的实验平台。

2.规范开放实验室管理制度。开放性实验会给实验室管理带来挑战，既要给学生充分的自由空间，又要保证实验室的安全和良好运行。本实验课程开始之初就对学生明确要求了实验室的各项规章制度，明确了开放实验室的功能、房間号和预约时段，严格执行线上预约与审批制度，采用门禁授权通行，关键实验过程中指导老师必须在场，其余过程指导老师必须在实验楼内并知晓学生实验进行情况。实验过程中采取组长负责制，每组控制在各自实验台范围内活动，实验结束后清理全部实验用具。

三、建立全过程课程考评体系

通过线上线下全过程实验学习记录，完善了实验考评体系，如表2所示。平时成绩结合线上和线下的过程统计，不再是实验报告和教师印象的简单叠加，而是在每个实验中都有详细过程记录，而且线上统一导出成绩非常方便快捷。期末考试尝试采用线上线下相结合的模式，其中线上机考全部为多项选择题，从平台的课程题库中随机抽考，系统自动评分;线下笔试为主观题，出题方式全部采用综合性设计、分析、计算题，不再采用传统的简答、问答、名词解释等题型，考核内容紧密结合课程内容，可允许学生携带本人实验报告册进行考试，避免了考前的死记硬背，也使得学生对于平时的实验操作过程和实验报告书写更加重视。

由于课程考核评价方式在开课初就已对学生讲明，评价过程公开透明，因此学生的重视程度较高。线上的任务人人积极完成，实验报告也不只是填模板、走过场，因为知道了这是开卷考试的唯一参考资料，因此对于数据的准确性和分析讨论的详尽合理性都有了更高要求。在考前线上发布随机模拟测验时，平均每个学生都自愿练习了十几次，这就达到了我们想要学生真正学习知识而不是背题目的目的。

这种“线上+线下”综合考评模式体现了“过程为主、态度优先、能力主导”的评价思想，极大地激励了学生的学习积极性和严谨认真的态度，使课程的教学质量获得了很大提升，加强了以综合能力培养为核心的应用型工程人才的实践环节教育过程。

结语

以工程化应用型人才培养为目标，改进了环境工程学实验课程的教学过程和评价体系。采用“线上+线下”全过程评价方式，通过在线课程平台建设、引入VR实验、改进自主开放实验的工程应用性等混合式教学手段，提升了学生学习的自主性和创新能力，体现了我系一直以来以“知识—能力—素质”为核心的应用型人才培养理念，致力于培养出适应国家生态环境建设和区域经济发展需要，富有创新精神和社会责任感的高级应用型工程技术人才。

参考文献

[1]宗恩敏，蒋胜韬，江锦花，等.面向工程教育专业认证的《环境工程实验》教学改革初探[J].教育教学论坛，2020（12）：170-171.

[2]刘云庆，王兴磊，张艺，等.环境工程实验教学的改革与实践[J].实验室研究与探索，2019，38（3）：203-205.

[3]孫凯，司友斌，汤婕.基于科研创新和应用人才培养的环境工程学实验课程改革探究[J].黄山学院学报，2019，21（3）：121-126.

[4]沙昊雷，杨国靖，罗薇楠，等.环境工程实验“工程化”教学体系的改革与实践[J].教育教学论坛，2015（16）：265-266.

[5]虚拟现实产业发展白皮书[R].北京：中国电子技术标准化研究院，2016.

[6]高东锋，王森.虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响与应对策略[J].中国高教研究，2016（10）：56-59.

[7]周作明，吕碧洪，荆国华.仿真教学及“自我解释”在环境工程实验教学中的应用[J].实验室科学，2016，19（3）：97-99.

[8]高春梅，邢云青，冀世锋，等.环境工程实验中引入VR技术的必要性分析[J].教育教学论坛，2021（21）：25-28.

Reform on Mixed Teaching Mode of Environmental Engineering Experiment

for Applied Undergraduates

LUO Wei-nan， YANG Guo-jing， SHA Hao-lei， BAI Chun-jie

（Department of Environmental Engineering， College of Biological and Environmental Sciences， Zhejiang Wanli University， Ningbo， Zhejiang 315100， China）

Abstract： Based on the concept of engineering， aiming at the existing problems in teaching， this paper adopts several mixed teaching modes of “online + offline”， “practical operation + virtual simulation” and “fixed + open” to explore the whole process reform of engineering experimental teaching. By optimizing and integrating laboratory resources and standardizing the open laboratory management system， we can provide support and guarantee for experimental teaching. The whole process evaluation method of “online + offline” has been adopted to improve the teaching process management and evaluation system， mobilize students learning enthusiasm and independent learning ability， and improve the teaching quality of practical links of applied talent training.

Key words： applied talent; environmental engineering experiment; online course; mixed teaching