開放互動式實驗教學(xué)在創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應(yīng)用

楊立功，王曉華

（1.北京工商大學(xué) 人事處，北京 100048；2.北京工商大學(xué) 國有資產(chǎn)管理處，北京 100048）

開放式教學(xué)的基本特征是充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)和多種教學(xué)方法、手段，營造良好的以學(xué)生為中心的教學(xué)環(huán)境，并從理念和實踐中解除和突破種種對自主學(xué)習(xí)的限制和障礙，它具有開放性、選擇性、不確定性和高科技性等特點［1］?；邮浇虒W(xué)是以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體的多邊教學(xué)活動，它具有雙向合作性、情感交融性、教師主導(dǎo)性和學(xué)生主體性等特點［2］。所謂創(chuàng)新有2層含義：一是指前所未有的創(chuàng)造發(fā)明；二是將別人的發(fā)明創(chuàng)造拿過來加以變化或組合，引入到新的領(lǐng)域產(chǎn)生新的效益。創(chuàng)新能力是指將創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維迸發(fā)出來的理想、精神、愿望轉(zhuǎn)化為有價值的、前所未有的精神產(chǎn)品或物質(zhì)產(chǎn)品的實踐能力，是最具有價值的一種能力。卓越的創(chuàng)新能力不僅表現(xiàn)為對知識的吸收、消化和運用，更重要的是一種追求創(chuàng)新、發(fā)現(xiàn)問題、積極改革的意識，是一種關(guān)于把握機會的敏銳性，以及一種積極改變自己并改變環(huán)境的能力，創(chuàng)新力是人格特征和精神狀態(tài)以及綜合素質(zhì)的體現(xiàn)［3］。

實驗課程是以培養(yǎng)和提高技能水平為教學(xué)目標(biāo)的實踐性教學(xué)活動，其顯著特點是理論緊密結(jié)合實踐，這與教育建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論具有天然的相融性，因此，這是以建構(gòu)主義為主要理論基礎(chǔ)研究實驗教學(xué)模式的主要依據(jù)。通過多年實驗教學(xué)實踐，我們總結(jié)出一套以教育建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，以信息化實驗空間為學(xué)習(xí)環(huán)境，以開放互動式教學(xué)活動為過程，以創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為終極目標(biāo)的實驗教學(xué)模式，并把其融入到了仿真技術(shù)基礎(chǔ)實驗室的建設(shè)和使用過程中。該實驗室在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，提供必要的技術(shù)支持、情境創(chuàng)設(shè)和運行機制，培養(yǎng)學(xué)生高級思維和心智技能、衍生創(chuàng)新能力等方面提供了有力的支撐和保障。

1 開放式實驗教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建

教育建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強調(diào)整體學(xué)習(xí)環(huán)境的建構(gòu)、理論與實踐的協(xié)調(diào)［4－5］。計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展拓展了更廣闊的實驗空間，使實驗教學(xué)環(huán)境由物理場所向情境氛圍、由實物空間向虛擬空間不斷地擴展。教學(xué)設(shè)計者的主要任務(wù)就是以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，為學(xué)生設(shè)計學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)環(huán)境的框架內(nèi)完成知識和技能的意義建構(gòu)［6］。因此，改革傳統(tǒng)的實驗技能學(xué)習(xí)模式，構(gòu)建計算機和網(wǎng)絡(luò)條件下創(chuàng)新實驗學(xué)習(xí)模式的關(guān)鍵，是設(shè)計和構(gòu)建與計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相匹配的實驗教學(xué)環(huán)境。在建設(shè)仿真技術(shù)基礎(chǔ)實驗室及使用過程中，本著有所為、有所不為的原則，我們探索并構(gòu)建出一個簡單易行的實驗室信息化建設(shè)模式：信息化實驗場。通過使用實踐，我們認(rèn)為該模式易于實現(xiàn)、符合實際、切實可行，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的提升。

1.1 信息化實驗場

實驗室信息化主要在于各類教學(xué)實踐活動普遍采用現(xiàn)代信息技術(shù)，從而充分、高效地開發(fā)利用信息資源、提高實驗教學(xué)效率，有力地推動實驗室現(xiàn)代化建設(shè)向可持續(xù)方向發(fā)展。顯然，信息化是使實驗室結(jié)構(gòu)的重心從物理空間向信息空間轉(zhuǎn)移的過程［7－9］。我們將“信息化實驗場”定義為：以實驗室物理空間和設(shè)備為基礎(chǔ)，以計算機網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代通信技術(shù)為支撐，以實驗資源、知識資源、技能資源共享為手段，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標(biāo)的現(xiàn)代化實驗教學(xué)空間。

1.2 信息化實驗場的結(jié)構(gòu)模型

信息化實驗場是一個嵌套式的立體空間，由內(nèi)向外分別包括物理空間、虛擬空間和網(wǎng)絡(luò)空間。

（1）物理空間。包括實驗室物理場所及內(nèi)部的各種設(shè)備、儀器、計算機及其他現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備在內(nèi)的所有物理形態(tài)的教學(xué)設(shè)備，是實驗室空間最里層的硬件環(huán)境支撐，是現(xiàn)代實驗教學(xué)的載體，是虛擬實驗、網(wǎng)絡(luò)實驗的基礎(chǔ)。在仿真技術(shù)基礎(chǔ)實驗室中，我們配備了6臺人在回路的裝備仿真模擬器和40余臺簡易操縱臺式模擬器。

（2）虛擬空間。是以虛擬現(xiàn)實、人工智能、仿真技術(shù)為支撐的虛擬實驗空間，通過與計算機網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，使信息化的數(shù)字資源得到更為有效的利用，創(chuàng)造出一個智能化的教學(xué)系統(tǒng)和教學(xué)環(huán)境。該空間是依靠具體的教學(xué)媒體創(chuàng)新來實現(xiàn)的，具有模擬性、互動性等特點。在這個環(huán)境中，學(xué)習(xí)者可以在一個模擬實驗環(huán)境和實驗儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，身臨其境地模擬練習(xí)或?qū)W習(xí)知識技能，模擬真實的實驗過程，達(dá)到學(xué)習(xí)實驗方法、培養(yǎng)實驗技能、深化理解知識的目的。由于人在回路的裝備仿真模擬器造價昂貴，難以大量配發(fā)，況且每個模擬器只能對一種型號的裝備進(jìn)行仿真。在仿真技術(shù)基礎(chǔ)實驗室中，我們一方面在對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化的基礎(chǔ)上，利用模型組件技術(shù)開發(fā)了國內(nèi)外多種型號的裝備仿真模型庫，另一方面也開發(fā)了不同作戰(zhàn)地域的戰(zhàn)場環(huán)境模型。在這個虛擬空間內(nèi)，學(xué)生可以根據(jù)想定，通過不同裝備模型和不同戰(zhàn)場環(huán)境模型，設(shè)計不同的實驗組合，完成相應(yīng)的實驗?zāi)康?，大大提高了學(xué)生的實驗創(chuàng)新能力。

（3）網(wǎng)絡(luò)空間。以計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為支撐，由局域網(wǎng)、專用網(wǎng)和廣域網(wǎng)互聯(lián)組成的有形實驗空間和無限信息資源，是一個網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學(xué)平臺。這里的有形實驗空間是組成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而無限信息資源是指網(wǎng)絡(luò)實驗室和網(wǎng)上的各類信息。它將實驗教學(xué)過程、實驗教學(xué)管理、實驗教學(xué)服務(wù)、科學(xué)實驗等系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)這些系統(tǒng)之間的資源共享、信息交換和信息服務(wù)［10］。學(xué)習(xí)者可以在網(wǎng)絡(luò)任一終端上自主地學(xué)習(xí)知識、練習(xí)技能，從而形成同一地區(qū)乃至全國實驗室教學(xué)、科研資源的共享和交互，為實驗室的教學(xué)和科研提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)同實驗平臺或聯(lián)合實驗研究中心［11］。我們的仿真技術(shù)基礎(chǔ)實驗室為了彌補模擬器數(shù)量上的不足，通過千兆光纖與學(xué)校其他裝備仿真實驗室進(jìn)行了互聯(lián)互通。在聯(lián)網(wǎng)實驗?zāi)Ｊ较?，我們的分隊?wèi)?zhàn)術(shù)仿真最高可做至營級規(guī)模，約60余臺人在回路模擬器參與作戰(zhàn)仿真實驗。實驗節(jié)點數(shù)的增加，使得諸如裝備作戰(zhàn)與保障仿真實驗、戰(zhàn)損仿真實驗、射擊仿真實驗等實驗可行性大為提高，學(xué)生可以更加自主地進(jìn)行實驗設(shè)計，實驗結(jié)果的可信性也大為增加，同時，實驗結(jié)果獲得的數(shù)據(jù)也為學(xué)生參與的科研項目提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

2 互動式教學(xué)活動的設(shè)計

信息化實驗場是以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)環(huán)境，具有生成性和形成性的特點。要構(gòu)建好的學(xué)習(xí)環(huán)境框架，還需植入以學(xué)為主的教學(xué)活動程序設(shè)計，以支持開放互動的教與學(xué)活動。

2.1 互動在學(xué)習(xí)活動中的內(nèi)涵

教育建構(gòu)主義理論認(rèn)為，任何知識和技能的建構(gòu)都包括著某種類型的互動，學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)和發(fā)展的動力來源于學(xué)習(xí)者與環(huán)境的互動作用，學(xué)習(xí)者認(rèn)知機能的發(fā)展、情感態(tài)度的變化都應(yīng)歸于這種互動作用［12－13］。因此，在信息化實驗場的開放式學(xué)習(xí)環(huán)境下，互動作用必須作為學(xué)習(xí)活動設(shè)計的核心內(nèi)容。這種互動主要體現(xiàn)在：

（1）人與人之間的互動。這種互動包含2方面的含義：一方面是教師與學(xué)生之間的互動，包括激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)實驗的興趣，幫助學(xué)生形成學(xué)習(xí)實驗的動機，以及提供知識和導(dǎo)航，幫助學(xué)生建構(gòu)當(dāng)前所學(xué)技能、知識的意義；另一方面是學(xué)生與學(xué)生之間的互動，包括協(xié)作學(xué)習(xí)和討論交流，通過會話、演示、協(xié)商完成實驗任務(wù)的群體互動，以及選拔優(yōu)秀專業(yè)學(xué)生帶實驗課等形式。在我們的仿真技術(shù)基礎(chǔ)實驗課上沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，教師的重點是啟發(fā)學(xué)生如何根據(jù)所研究的問題進(jìn)行實驗設(shè)計以及對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，因此，教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的互動也是我們實驗教學(xué)中最為重要的一環(huán)。通過教師與其他學(xué)生對某一學(xué)生實驗設(shè)計及實驗結(jié)果的分析評價，不僅可以幫助學(xué)生進(jìn)一步思考實驗本身是否有可改進(jìn)之處，更為重要的是讓學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)榱酥鲃訉W(xué)習(xí)，大大提高了學(xué)生的實驗興趣和創(chuàng)新能力。

（2）人與環(huán)境之間的互動。在這種互動中同樣包含2個方面的含義：一方面是人與機器之間的互動，包括人機對話、虛擬現(xiàn)實、仿真練習(xí)、使用計算機處理實驗數(shù)據(jù)等與計算機及其他物理設(shè)備打交道的實驗實踐活動；另一方面是人與網(wǎng)絡(luò)之間的互動，包括虛擬社區(qū)、BBS、聊天等以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為硬件設(shè)備的互動學(xué)習(xí)活動，這是一種超越時空的互動學(xué)習(xí)。為適應(yīng)信息化實驗空間內(nèi)超越時空、超越情感的互動，應(yīng)增加互動的類型和維度。由于具備如前所述的物理空間、虛擬空間和網(wǎng)絡(luò)空間模型，在我們的仿真技術(shù)基礎(chǔ)實驗室中，人與環(huán)境之間的互動變得相對容易，參與實驗的學(xué)生在每次實驗中均可以身臨其境地參與到實驗過程中。

2.2 學(xué)生“任教”

為了進(jìn)一步激發(fā)信息實驗場環(huán)境下的學(xué)習(xí)互動，自2006年開始，我們結(jié)合“仿真技術(shù)課程設(shè)計”的教學(xué)，選拔優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行“任教”嘗試，并在學(xué)習(xí)活動中設(shè)計了人與人、人與學(xué)習(xí)環(huán)境的多層次互動環(huán)節(jié)。其中在師生互動層面上，教師與學(xué)生的互動明顯減少，主要體現(xiàn)在對建模理論和仿真理論的描述和對學(xué)習(xí)媒體、學(xué)習(xí)資料使用的提示上。師生互動約占整個仿真技術(shù)課程設(shè)計的20%，而任課學(xué)生與聽課學(xué)生之間的互動則提高到了60%以上，也就是說，課程實踐部分基本上是由“任教”學(xué)生與聽課學(xué)生共同完成的。還有20%的互動發(fā)生在教師與“任教”學(xué)生之間，主要是協(xié)商解決實驗進(jìn)程中的難點問題。由于增加了多層次的互動，極大地激發(fā)了學(xué)生在課程中對小發(fā)明、小革新的興趣，而由此迸發(fā)的思想火花，也更有效地激勵了學(xué)生實驗技能的提高。

雖然學(xué)生“任教”模式還有待進(jìn)一步分析和研究，但教學(xué)實踐已經(jīng)說明，實驗教學(xué)過程中多方互動地交流，可以有效地促進(jìn)學(xué)生知識、技能、情感的發(fā)展，可以使學(xué)生在自我與相互評價的氛圍里，將興趣升華為強烈的求知欲，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識的良性發(fā)展，提高學(xué)生動手實驗、工程實踐和科學(xué)研究的能力，從而將創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識內(nèi)化為深刻的創(chuàng)新能力。

3 啟示與思考

在開放互動式創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式中，開放是實驗教學(xué)的空間環(huán)境，互動是實驗教學(xué)的活動方式，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是實驗教學(xué)的最終目的。我們所追求的是在開放空間中的互動和在互動提升中的創(chuàng)新，并努力使之成為一種動態(tài)傳播的自然過程。通過實踐，我們獲得了一些啟示與思考。

第一，應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)優(yōu)化的開放式、自主式實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，是實驗課教學(xué)在信息化浪潮中賴以生存的空間，是在提高學(xué)生專業(yè)技能水平的同時，促進(jìn)學(xué)生信息技術(shù)素養(yǎng)形成的必要條件，是培養(yǎng)學(xué)生團結(jié)合作、形成穩(wěn)定創(chuàng)新理念的根本。

第二，實驗教學(xué)中的互動，是在教師的組織和引導(dǎo)下與學(xué)生進(jìn)行的全方位、多層次的互動。實驗教學(xué)中的互動也是師生雙方不斷調(diào)整關(guān)系、角色磨合、文化撞擊、自主創(chuàng)新的過程，真正的實驗技能學(xué)習(xí)活動是在互動中產(chǎn)生的，是在實驗的矛盾、沖突、混亂以至失敗中產(chǎn)生的。

第三，創(chuàng)新能力是高素質(zhì)創(chuàng)新型人才必須具備的重要能力和素質(zhì)。這種能力和素質(zhì)的培養(yǎng)需要特定的、有較高要求的教學(xué)環(huán)境支持。信息化實驗場為創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)營造了較為理想的學(xué)習(xí)環(huán)境和條件，精心的教學(xué)設(shè)計為學(xué)生的學(xué)習(xí)活動提供了更多的互動機會。

4 結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展正日益改變實驗室原有的面貌，虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化實驗室則成為實驗教學(xué)中不可缺少的重要組成部分，現(xiàn)實—虛擬—網(wǎng)絡(luò)之間的有序重組和無限延伸，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了信息化實驗空間，這將有力地促進(jìn)實驗室建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

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