新工科背景下水利水电实验课程融合式教学模式探索_郭耀华.pdf

教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 13 期新工科背景下水利水电实验课程融合式教学模式探索郭耀华1，2，姚烨1，3*，陈广思1，2，刘昉1，2（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；3.天津理工大学 海洋能源与智能建设研究院，天津 300382）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）13-0121-04Abstract:The new era puts forward the goal of high-quality professional talents based on building up people by virtue as thefoundation for the training of new engineering talents.The Water Conservancy and Hydropower Teaching and Research Section ofTianjin University has launched a teaching reform for professional experimental courses.After going through four typical stages ofexperimental 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 engineeringcourses.Discussed the best planofprofessionalexperimentalcurriculumreformunderthebackgroundofneweraandnewengineering.In recent years,the teaching reform of the experimental course of water conservancy and hydropower has achieved goodresults,giving full play to the pre-learning role of early-stage video learning,the pre-problem role of the mid-term virtual simulationplatform,and the re-enhancement role of the later on-site practical operations.At the same time,the ideological and politicalelements Integrating into the experimental teaching classroom has played a very good role in moral education first education.Theideological and political fusion experimental teaching of new engineering courses actively guides students to establish the life pursuitof 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 newengineering for the motherland.Keywords:new era;new engineering;water conservancy and hydropower;experimental courses;curriculum ideology and politics;teaching reform基金项目：天津大学本科教材建设项目“水利水电工程实验与实践”（2022-32-36）第一作者简介：郭耀华（1986），男，汉族，河南安阳人，博士，工程师。研究方向为水电及新能源课程实验教学与管理。*通信作者：姚烨（1987），女，汉族，黑龙江齐齐哈尔人，博士，高级工程师。研究方向为水利工程实验新方法及教学。DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.13.029121-2023 年 13 期教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education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122-教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 13 期（a）教师示范实验及知识点讲解录像的强化（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 TransformationChallenge 等比赛（图 2（b），并取得了不错的成绩。（b）学生虚仿平台操作图1疫情期水电站实验虚拟仿真平台（a）线下实验教学（b）学生参加国际竞赛图2疫情期水电站实验虚拟仿真平台综上，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。三新时代新工科背景下实验课课程思政改革新时代对专业课程确立了以“立德树人”为根本的课程思政教学理念，明确了教育应当努力培养担当民族复兴大任的时代新人，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人9。新工科建设理念也对高校提出了新时代工科型人才的具体培养标准为培养“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”。结合天津大学水利水电工程专业的特点，展开了相应的实验课课程思政教学改革，教学体系（图 3）及具体措施如下。图3水利水电实验课课程思政教学体系1）历史文化传承。1933 年 10 月 1 日，国立北洋工学院（北洋大学）与华北水利委员会等多所研究机构，在天津创立了“中国第一水工试验所”（图 4（a），此机构是中国第一个现代水利科研机构、中国第一个国家级实验室。北洋大学（天津大学前身）校长李书田先生（图 4（b）是此实验室的奠基者、创建者和复建者之一，天津大学至今依旧保留有水利水电实验室。水工试验所创立后，开展了大量的水工试验和研究，短时期内取得了大量的科研成果，直接指导了祖国多项水利工程的建设。知名校友李赋都、郑兆珍、王华棠、张汉英、张国藩、杜镇福和崔广涛等都为祖国水利水电事业的发展作出全过程融入思政教育元素历史文化传承教育中国第一水工试验所及知名校友等纪录片家国情怀+工匠精神融入三峡水电站等超级工程的建设过程使命担当责任教育引入乌东德水电站等大型水工模型实验教师示范操作实验及知识点讲解录像学生基于虚仿平台操作完成实验及报告学生动手操作完成实验及报告学生线上观看录像及留言区教师定期答疑教师线上指导及答疑教师现场指导及答疑前期线上学习起到的预习作用中期虚仿平台操作起到的问题前置作用后期现场实操起到的再次强化作用占实验总成绩 10%占实验总成绩 20%占实验总成绩 70%水电站压力引水系统虚拟仿真实验水电站压力引水系统虚拟仿真实验某电站有压引水管道破裂123-2023 年 13 期教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education了杰出的贡献。水利水电行业有着无数的榜样，在专业课程教育中，要时刻与学生们一起传承历史文化，从榜样中汲取奋斗的力量。（a）中国第一水工试验所（b）李书田图4中国第一水工试验所及创始人之一2）使命担当责任教育。授课过程中要时刻让本科生和研究生们认识到，青年是祖国事业未来的继承者和建设者，要勇于肩负起时代责任和历史使命。在传统专业知识讲授中自然融入思政教育元素，从家国情怀教育、科学精神引领和工匠精神引导等方面，多角度、多形式地对课程内容、课堂教学进行系统的思政建设，“润物无声”地将理想信念、价值追求和责任使命等思政要素融入育人过程中，注重弘扬社会主义核心价值观，培养和塑造学生爱国、励志、求真和力行的品质，引导学生积极建立“建设祖国永远向前进，家国情怀一生来践行”的人生追求（图 5）。（a）现场实验教学（b）家国情怀教育图5课程思政融入实验教学课堂3）教学方式及内容不断更新。在前期实验课程教改基础上，结合学生和用人单位反馈的意见，深入分析后进一步调整和完善教学模式，并将思政元素和专业实验课程有机结合。水利水电实验课程以“面向行业发展需求，培养水利工程复合型人才”为核心驱动，着力运用线上线下组合式教学手段，提高实验课堂的表现力和吸引力，更直观、形象地解释和展示原理；着力建立以学生为主体+问题导向的实验授课模式，通过“前期在线学习+中期虚仿平台操作+后期现场实操及反馈”及全程融入思政元素的授课方法，启发学生思维，培养学生实践及创新能力；着力搭建“虚仿+实践+思政”并行的教学模式，构建基于数字化手段、室内实验和现场观摩等多方式教与学互动特点的工程教学环境，提升实践能力（图 6）。（a）引汉济渭工程观摩（b）扬溪源水电站VR教学视频图6现场观摩+VR教学四结束语新时代对新工科人才培养提出了以“立德树人”为根本的高素质专业型人才目标要求，进而需要在专业课授课方式和内容上进行创新。以水利水电实验课程为例，在对常规线下授课、远程线上授课、线上及线下组合式授课和新时代课程思政融合式授课四种实验教学方式进行调研和分析后可以看出，线上线下组合式实验教学方式具有明显的优势，主要体现在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，教学效果及学生反馈结果均极为理想。同时，在此基础上进一步进行课程思政融合后，让学生们主动提出了“为谁学？学什么？怎么学？”的问题，并在专业思政课程的学习中找到了这样的答案：“为祖国复兴和自己发展而学，德育为先的德智体美劳全面发展，历史文化的传承及不断开拓创新”，从而真正地实现了以学生为主体+问题导向的实验课程授课方式，达到了为祖国培养新时代新工科卓越人才的目标。参考文献：1 钟登华.新工科建设的内涵与行动J.高等工程教育研究，2017（3）：1-62 姚烨，陈广思，练继建，等.大型水工模型在本科实验教学中的应用J.实验室研究与探索，2021，40（3）：190-193.3 张宪雷.水利水电工程概论 课程教学改革的思考J.高教学刊，2020（32）：134-137.4 王文蓉，刘华.水电站课程教学及实验改革实践利用科研模型服务本科实验教学的探讨J.实验科学与技术，2017，15（4）：65-67.5 张建良，卢慧芬，赵建勇，等.跨学科综合性实验平台的探索与设计J.实验技术与管理，2017，34（1）：194-198.6 蔡创，邓君，陈虹.水利类实验教学体系构建与模式创新研究J.课程教育研究，2018（30）：253.7 黄慧春，堵国樑，郑磊.模拟电子电路实验线上线下相融合的教学模式改革与实践J.实验室研究与探索，2021，40（9）：149-152.8 李小姣，万辉，张书燕.新工科院校线上线下教学模式分析与融合J.教育教学论坛，2020，44（10）：286-287.9 赵书玲，肖定华.高校专业课程思政建设中存在的问题及建议J.新课程研究，2022（12）：1-3.124-