新冠感染疫情下远程虚拟仿真实验及在线教学探索与实践

薛招腾，徐 浩

（1.上海应用技术大学 化学与环境工程学院，上海 201418；
2.海军军医大学第一附属医院感染科，上海 200433）

化工原理实验是化工原理课程体系的重要组成部分，对学生理解化工原理各单元操作的原理、认识典型化工设备的结构及操作等有着重要的作用。2022 年受新型冠状病毒感染疫情的影响，线下教学难以进行，这对教学的正常开展，尤其是实验课程的开展提出了极大的挑战。为了最大限度地减少疫情对教育教学的影响，奉行“停课不停教、停课不停学”的理念，将实验课的教学转移到线上，并结合实验课的实际，在“北京欧倍尔”实验平台远程开展了化工原理在线虚拟仿真实验。针对理工科类学生疾病预防知识单薄，感控理念及经验欠缺，在当前疫情突发的背景下，将传染病防治有关知识引入课堂，消除学生对疫情的焦虑，增强学生防护意识，同时拓展学生的知识面。

（一）学情分析

授课班级共36 名学生，男女比例适中。在作者的讲授下，本班同学于上学期完成了化工原理理论课程的学习及化工原理课程设计实践环节的学习，同学与老师之间可开展良好的互动；
学生对化工原理基本原理、单元设备结构、操作原理等内容均掌握良好。连续五天实验课五个实验项目，分别是流体机械能转换、离心泵特性曲线测定、传热实验、精馏实验和雷诺实验，实验进度快、实验多，报告撰写及计算量大。受疫情影响，学生均居家学习，无法到校进行线下实验；
教师同样无法到校进行演示实验，故而将线下实验调整为远程在线虚拟仿真实验。因疫情期间，学生普遍存在焦虑心理，有必要将传染病防治知识引入课堂。

（二）课前准备

开课前两周，通过学习通发布课程安排和具体要求，并上传了学习资料，以保证所有学生均备好在线实验的电脑软/硬件条件，并提前进行预习和熟悉仿真实验平台。

开课前三天，通过腾讯会议进行预备课，对课程安排、实验预习、报告提交方式、仿真操作及评分标准等进行详细说明。选择流体机械能转换实验为例，进行了仿真实验演示，让学生进一步了解模拟实验平台的操作过程及评分标准，并安排学生结合学习资料和虚拟仿真相关材料开展预习，撰写实验预习报告。学生结合上述资料且结合虚拟仿真实验平台的三维操作界面，可更加清晰地认识实验设备的结构、操作步骤、实验原理，大大提高预习效果[1]。结合上海疫情的实际情况，在专业医生的指导下，引入疫情防控常态化下有关的传染病防治知识，鼓励学生克服焦虑，正确认识传染病，做好安全防护，充分利用在家的时间，努力学习科学文化知识。

（三）课堂教学

课前，教师批阅学生提交的预习报告，了解学生对实验目的、实验原理及操作步骤等的认识程度，便于在理论讲解时，有针对性地提问和讲解。课上，教师通过在线直播，结合预习报告中存在的问题，用PPT 演示的方式讲解当日项目的实验目的，帮助学生回顾基本原理、实验操作等内容，然后结合仿真平台，讲解关键的操作步骤及注意事项。由于学生在家上课，学习气氛不浓，且在线教学老师难以关注到每一位同学的学习状态，因此增加师生互动频次十分必要。利用学习通平台的选人功能随机挑选学生互动，了解学生对基础知识的掌握程度和预习的效果，加深学生对实验内容的理解和认识。如在实验原理讲解过程中，请学生回顾重要计算公式；
在关键的操作步骤及注意事项讲解过程中，请学生“上台”讲解。学生在实验平台进行模拟仿真实验时，仿真平台根据学生的操作给出评分。教师通过实时查看仿真平台后台数据及与学生共享屏幕等方式，实时了解学生实验的进展及实验中的问题，并及时进行答疑和讲解。仿真实验允许学生多次进行实验。相比于线下分组实验，线上仿真实验克服了由于线下实验设备不足及实验时间的限制，学生可在实验完毕后再次进入仿真平台进行重复实验。这样可加深学生对实验的认识，且当学生发现实验数据有误时，可重复实验进行改正。

（四）实验报告批阅与反馈

实验报告反映了学生对实验理论及实验操作的认识。不同于以往学生在所有实验结束后提交一整本实验报告，课程要求学生当日实验结束后通过学习通提交实验报告。一方面促进学生形成“当日事当日毕”的习惯，另一方面可便于教师尽早批改实验报告，及时发现共性的问题，在次日进行讲解。其次，教师在批改的过程中，在学习通的批语栏中可指出实验报告存在的问题，并要求学生进行修改，促进学生形成精益求精的学习态度。

（一）在线虚拟仿真实验对线下实验的替代

实验项目结束后，通过问卷调查的形式了解学生对在线仿真实验及在线教学的看法，便于教师进一步改善教学方法、提高教学质量。

在线虚拟仿真实验，可以克服线下实验课程时间安排和分组实验等限制[2]，学生可不受时间、地点的限制，多次重复进行实验，从而加深对实验的认识，且3D 的实验界面，有助于吸引学生的注意力。由表1 可知，36 名同学中，91.7%认为在线仿真实验不受时空限制、不受实验条件限制，80.6%认为在线仿真实验可多次重复实验，33.3%认为在线仿真实验的3D 画面有吸引力。相对于线下实验或线下仿真实验，在线仿真实验不受时空限制，不受实验条件限制，弥补了传统实验不能实现的教学功能，为当下实验教学质量的提高提供了一个有效的问题解决方案[3-4]，这是在线虚拟仿真实验最大的优势。

表1 在线仿真实验的优缺点

由于在线仿真实验为远程操作，可远程访问实验平台的服务器，将实验数据存储在该服务器中，且疫情期间，多个高校、多个班级同时进行在线仿真实验，可能会出现服务器繁忙导致网络卡顿或连接不流畅。由表1 可知，69.4%的同学认为在线仿真实验存在画面不流畅、网络卡顿的问题。该问题在非紧急情况下基本可克服，基本不会出现服务器同时被多个高校，多个班级同时访问的情况。另有61.1%的同学认为在线仿真实验没有身临其境的感觉。相比线下实验，线上实验装置的操作，均由键盘/鼠标进行。如线下实验中，需要手动扳动阀门，而线上实验仅需要鼠标点击即可实现。线下实验可从多角度、多方位观察实验装置，熟悉管路情况，了解物料流向；
线上仿真实验尽管可以实现操作者在装置的前后左右移动，甚至可以实现操作者蹲下、站立，实现从不同角度、不同高度观察设备，但是依然难以达到线下实验身临其境的效果，这是在线仿真实验最大的缺点。

图1 为在线仿真实验对线下实验的替代度。从图1 中可以看出，25%的同学认为在线仿真实验完全可以替代线下实验，尤其是针对验证性教学实验；
86.1%的同学认可在线仿真实验对线下实验的替代（A+B+C）；
只有13.9%的同学对替代持否定态度（D+E）。

图1 在线仿真实验对线下实验的替代度

学生对在线仿真实验的满意度如图2 所示，可看出所有同学对在线仿真实验是满意的（A+B+C），无不满意的同学，且41.7%的同学持非常满意的态度。

图2 学生对在线仿真实验的满意度

从问卷中反馈的关于在线虚拟仿真实验的优缺点可看出：在线仿真实验可作为线下实验的有效补充，但不能完全替代线下实验[5]。对于一些学校无法建立的大型实验，可利用在线仿真实验作为有效的补充。同时，将在线仿真实验加入到理论教学过程中，更有助于学生理解理论知识，88.9%的同学期待在理论教学的过程中加入在线仿真实验，有利于提高学生学习的积极性，加深学生对理论知识的理解程度。

另外，本次在线仿真实验只能在电脑端操作，58.3%的同学对开发手机端的仿真实验有期待。手机端仿真实验，将进一步打破时空等实验条件的限制。不论是集中实验阶段，还是理论学习阶段，均可随时随地进行仿真操作。将理论上的分析、设计、计算进行可视化演示或操作，降低学生认识理解上的难度，可激发学生学习的热情[6-7]，加深其对理论知识的理解和认识。

（二）在线教学分析

本次实验课授课班级为2019 级学生，其大一经历了2020 年上半年的疫情，又经历了2022 年的疫情，两次疫情导致两个学期大部分教学均转移到线上。由表2 可知，学生主要用到过的在线教学方式为教师直播、线上交流，师生聊天区互动、学生观看老师录制的视频然后和老师互动。教师直播是最简单、最直接的方式，借助腾讯会议、钉钉直播等平台，共享教学资料，即可将线下教学转移到线上；
线上交流，师生聊天区互动，该方式对于一些以学生为主的实践课比较适用，教师用于回答学生的问题及针对性地对一些共性问题进行讲解；
教师提前录制好教学视频，学生先观看视频，然后师生互动，该方式可以高效利用教学时间，学生提前观看教学视频，将更多的时间留在课堂互动。

表2 学生用到的在线教学主要方式

本次实验课程属于实践课。采取了上述三种在线教学方式相结合的模式。理论部分的讲解，由教师进行直播，便于师生互动；
学生实验前，首先观看教师或仿真实验平台录制的视频，然后教师讲解实验注意事项，师生进行相应的互动；
学生实验过程中，教师在线随时回答学生问题，并对一些共性问题进行集中讲解。

图3 为学生对本次在线实验教学课的满意度。由图3可以看出，69.4%的同学对课程非常满意，25%的同学对课程较满意，5.6%的同学对课程基本满意。可见94.4%的同学对课程持较满意以上的态度。

图3 学生对在线实验教学课的满意度

（三）教学反思

从调查问卷发现，半数学生认为在线实验不方便、软件卡顿不够灵活。本次使用在线仿真实验平台远程进行实验，是突发疫情下的应急教学措施。常态下将在线仿真实验作为教学辅助，远程仿真平台服务器不会出现瞬间网络拥堵等问题。问卷中指出的其他问题，如课堂气氛不活跃、师生交流方式单一等，在今后的教学中也应当克服。尤其是在线教学，应当多增加互动频次以活跃课堂气氛，加强师生交流。

另外，调研发现，94.4%的同学期待今后实验教学改为在线仿真和线下实验相结合模式。在线虚拟仿真实验，可加深学生在预习阶段对实验的认识，有助于学生对实验过程的理解，避免在线下实验过程中存在不敢动手、害怕错误等问题；
实验后还可进行实验数据的验证，便于学生对实验结论的理解。今后的化工原理理论课及实验课的教学中，将在线虚拟仿真引入其中，将有利于教学目标的实现。

通过在线教学+远程在线虚拟仿真实验，完成了化工原理实验课的教学。其中，在线教学通过腾讯会议和学习通平台实现，远程在线虚拟仿真实验通过北京欧倍尔仿真平台实现。通过教师在线讲解、线上指导及虚拟仿真实验，学生顺利完成了各项学习任务，达到了教学目标，且教学效果良好。在疫情防控常态化的背景下，在高校各非医学类专业学生培养的过程中，引入疾病防控相关课程，或在专业课程中引入部分疾病防控相关知识，有助于学生降低焦虑，并对正确认识传染性疾病有一定的效果，为今后全民普及传染病防治、疫情防控有着重要的意义。今后将在线虚拟仿真实验引入理论课学习阶段及线下实验课程中，对教学目标的实现有促进作用。开发手机端的仿真实验，将进一步打破实验条件的限制，学生可随时随地进行仿真操作，进一步加深对单元操作设备及原理的认识，降低学生认识理解上的难度，激发学习的热情，利于加深对理论知识的理解和认识。对于一些学校无法建设的大型实验，亦可通过引入虚拟仿真实现。此次实验课的在线教学+在线虚拟仿真，使得特殊期间教育教学能够顺利开展，并积累了相关经验，也为今后将虚拟仿真引入到理论课及实验课教学中奠定了一定的基础。

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