新工科背景下水利水电实验课程融合式教学模式探索

摘  要：新时代对新工科人才培养提出以“立德树人”为根本的高素质专业型人才目标要求，天津大学水利水电教研室对专业实验课程展开教学改革，历经常规线下教学、疫情封校期远程线上教学、复课后线上线下组合式教学和新工科课程思政融合式教学四个典型阶段的实验教学改革及总结，探讨新时代新工科背景下专业实验类课程改革的最佳方案。近几年，水利水电专业实验课程教学改革取得良好的效果，充分发挥前期在线学习的预习作用、中期虚仿平台操作的问题前置作用及后期现场实操的再次强化作用，同时将思政元素融入到实验教学课堂中起到很好的“德育为先”的教育作用。新工科课程思政融合式实验教学积极引导学生建立起 “建设祖国永远向前进，家国情怀一生来践行”的人生追求，实现以学生为主题+问题导向的实验课程授课方式，达到为祖国培养新时代新工科卓越人才的培养目标。

关键词：新时代；新工科；水利水电；实验课程；课程思政；教学改革

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）13-0121-04

Abstract： The new era puts forward the goal of high-quality professional talents based on "building up people by virtue" as the foundation for the training of new engineering talents. The Water Conservancy and Hydropower Teaching and Research Section of Tianjin University has launched a teaching reform for professional experimental courses. After going through four typical stages of experimental teaching reform and summary， conventional offline teaching， remote online teaching during the epidemic closure period， online and offline combined teaching after class resumption， and ideological and political integration teaching of new engineering courses. Discussed the best plan of professional experimental curriculum reform under the background of new era and new engineering. In recent years， the teaching reform of the experimental course of water conservancy and hydropower has achieved good results， giving full play to the pre-learning role of early-stage video learning， the pre-problem role of the mid-term virtual simulation platform， and the re-enhancement role of the later on-site practical operations. At the same time， the ideological and political elements Integrating into the experimental teaching classroom has played a very good role in "moral education first" education. The ideological and political fusion experimental teaching of new engineering courses actively guides students to establish the life pursuit of "building the motherland forever， and the feelings of family and country to practice for a lifetime"， and realizes the student-oriented + problem-oriented experimental course teaching method. The goal of cultivating outstanding talents in the new era and new engineering for the motherland.

Keywords： new era; new engineering; water conservancy and hydropower; experimental courses; curriculum ideology and politics; teaching reform

水利是国民经济和社会发展的重要基础设施，水电作为可再生能源，是我国实现碳达峰、碳中和目标的最佳能源之一。同时，水电有着优良的动态性能，在新时代能源结构逐渐向清洁低碳转型的道路中，其功能定位也将由原来的“电量为主”向“容量支撑”转变。随着白鹤滩水电站、乌东德水电站和两河口水电站等大型水电站及大批量抽水蓄能电站的投产发电，我国水利水电工程建设水平已跻身世界领先水平，进而也在对水利水电行业人才需求及培养标准不断地提出新的要求，尤其体现在学生实践及动手能力上[1]。

新工科对水利水电行业高水准人才的需求，以及新时代课程思政对人才“德育为先”的要求，急切需要对水利水电专业课程，尤其是以动手能力为主的实验课程进行改革。为了给祖国培养“具有家国情怀、全球视野、创新精神、实践能力的新工科卓越人才”，需要在本科课堂及实验教学上与时俱进，引入最为前沿的专业知识和先进的教学手段，通过实验课程内容及教学方式的不断创新，传授新知识、探索新理念、研发新技术和培养新工科人才[2]。同时，新时代课程思政的建设要求，明确了高校应以“课程”为载体，以“立德树人”为根本，教学方式应从传统单一的专业课教学向全方位的课程思政方式转变。

本文以天津大学水利水电教研室的实验教学改革为例，从专业实验课程的常规线下教学、疫情封校期线上教学、复课后线上+线下组合式教学和新工科课程思政融合式教学四个典型阶段的教学改革及效果进行介绍，探讨新时代新工科背景下专业实验类课程改革的最佳方式。

一  水利水电实验课程培养目标分析

水利水电实验课程内容主要有调压井实验、有压输水管道水击实验、水轮机能量性能实验和大坝泄流及消能实验等[3-4]，服务的主要专业课程为水电站、水工建筑物及水利工程实验技能等，此专业课以实验课程教学目标为指导，学生掌握实验基本原理、方法、工具及手段，将理论知识转化为感性认识，培养学生动手实践及创新能力[5-6]。

实际工程中每个水电站都是一个独一无二的巨型复杂工程，仅仅依靠课堂上的理论讲解很难让学生完全深入掌握全部知识，进而极有可能导致学生在理论和实践上脱节。已有的教学实践表明，适当方式和课时的现场参观、实践及实验教学，可有效提升专业课的教学质量及效果。而如何与时俱进地不断改进及创新专业实验课程教学内容和方式，也是新时代新工科背景下实验课程思政教师们在努力追求的目标。

二  疫情期实验课程教学改革

（一）  实验课程常规线下教学方式

水利水电实验课程常规授课方式为线下教学，具体流程为：教师准备实验—讲解实验流程—示范实验—学生分组操作—教师指导—学生撰写实验报告—教师批改实验报告。对于通用性较强的知识点及实验，此授课方式可基本满足实验教学的目标。对于稍微复杂及技术更新较快的课程内容，此种实验教学方式将面临实验模型陈旧、测量内容单一、测量设备落后及精度不足等，以及授课内容与现实中已应用的最新技术严重脱节等问题，使得实验教学“学以致用”的目标无法实现。同时，对于基于过于陈旧实验模型和方法的实验教学，也无法引起“00后”本科生足够的学习兴趣，更无法在此基础上培养他们的实践创新能力。

（二）  疫情封校期实验课程线上教学改革

2020年初，面对突发的全球新型冠状病毒感染疫情，封校使得高校授课方式不得不从“面授”改为“线上”授课，线上授课方式可满足大部分理论课程的教学要求[7-8]，但是给以动手操作为基础的实验教学课程带来了极大的挑战。

天津大学水利水电教研室老师们集思广益，共同努力创新疫情期间实验课程教学方法，率先提出了“教师示范实验及知识点讲解录像”+“学生线上访问录像及教师答疑”+“教师建立实验虚拟仿真平台”+“学生基于虚仿平台操作完成实验”+“学生操作过程中教师全程答疑”+“学生实验数据处理并完成实验报告”+“教师根据学生虚仿平台操作熟练程度及实验报告进行考核”的实验教学及考察方式。为了不影响正常教学安排，用2个月的时间快速构建完成了水利水电相关专业课程的实验线上教学及操作平台（图1），实现了全校几百名学生线上完成实验课程，按时、按量和保质地完成了本科及研究生实验课程的教学任务。

（三）  复课后线上线下组合式实验教学实践

疫情得到有效控制后，高校开始有序地组织学生返校复课。为了弥补疫情封校期学生未进行动手实验操作的遗憾，水利水电实验室在开学后对学生开放了一个月的预约实验，并在学生群体中对虚拟仿真平台实验与现场实操实验的效果进行了调研和评估，调研结果显示“前期在线学习+中期虚仿平台操作+后期现场实操”的组合式实验教学方式在学生受欢迎程度、学生理解及认知程度、学生知识点强化效果、教学效果、学生动手及实践能力等方面要明显优于“单一直接的现场动手实验”教学方式。

线上线下组合式实验教学方式的优势主要体现在以下几个方面。

1）前期在线学习的预习作用。教师对实验操作全程录像的视频，对学生做实验之前对关键知识点及操作重点的掌握起到了很好的预习作用，学生可通过在平台上多次往复地观看，提前掌握操作难点和重点，并和课本知识进行很好的结合。

2）中期虚仿平台操作的问题前置作用。在通过课本理论知识和教师示范视频学习后，通过虚仿平台的线上操作，让学生在没有实验时间和次数限制及压力影响下，自由畅快地进行实验操作。同时，虚仿操作可暴露和前置学生未理解到位的知识及问题，避免在实际操作过程中再次出现类似的问题。调研中还发现，对于创新性较强的部分学生，借助虚仿平台开展多参数变化的敏感性正交实验研究，得到了一些很有意义的结论和工程优化设计建议，并找教师进行了进一步的讨论和研究，同时表达了期望通过继续读研究生来进行进一步的深造和研究。

3）后期现场实操的再次强化作用。在视频学习和虚仿平台操作给学生奠定的良好基础之上，学生在进入实验室进行真正的动手实操时，可以快速地上手和操作，将脑海中多次出现过的理论知识点和操作重点直接落实到实验操作上，并通过实践操作对相关知识进行再次的强化（图2（a））。部分学生在实验操作中体会到了实验的乐趣，后续积极参加了全国大学生水利创新设计大赛、全国挑战杯竞赛和国际Renewable Transformation Challenge等比赛（图2（b）），并取得了不错的成绩。

综上，线上线下组合式实验教学方式取得了良好的教学效果，因此在学生返校复课开放实操实验时，依旧保留了虚拟仿真平台，并结合学生反馈的意见进行了进一步的功能扩展，以期达到更为有效的教学效果。