基于探究式學(xué)習(xí)的在線實驗設(shè)計與研究*

姚 俊，程 華, 應(yīng)衛(wèi)勇

(華東理工大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院，上海 200237)

基于探究式學(xué)習(xí)的在線實驗設(shè)計與研究*

姚 俊，程 華, 應(yīng)衛(wèi)勇

(華東理工大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院，上海 200237)

在線實驗對于工科遠(yuǎn)程教育、多校區(qū)之間的實驗教學(xué)和高校間實驗共享都有重要的意義。作為新型的實驗形式，在線實驗不是傳統(tǒng)實驗的簡單網(wǎng)絡(luò)化，其在實驗過程中強調(diào)在線探究式學(xué)習(xí)策略以及對學(xué)習(xí)者實驗行為的記錄與反饋，在基于數(shù)據(jù)整合與分析的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行在線評價。這種思想體現(xiàn)于在線實驗設(shè)計、開發(fā)到實施的整個過程，對于在線實驗中實現(xiàn)工程化的實驗教學(xué)理念有著重要作用。該文以國內(nèi)外典型在線實驗課程的設(shè)計和開發(fā)為例，主要從實驗方案探究學(xué)習(xí)、實驗操作過程探究學(xué)習(xí)等方面來說明探究式策略于在線實驗中的應(yīng)用，以及如何基于過程考核體系來評價在線實驗中探究式學(xué)習(xí)的效果。

在線實驗；探究式學(xué)習(xí)；在線評價體系

一、引言

在線實驗對于工科遠(yuǎn)程教育、多校區(qū)之間的實驗教學(xué)和高校間實驗共享都有重要的意義。因此，實驗課程的開發(fā)和應(yīng)用必須適應(yīng)在線學(xué)習(xí)環(huán)境下的特點，采用適合在線學(xué)習(xí)特點的探究式實驗方法，通過在線引導(dǎo)學(xué)生在實驗方案、實驗過程等方面的探究，并對實驗過程進(jìn)行全程監(jiān)控，實現(xiàn)探究式學(xué)習(xí)過程的記錄和考核，為實驗評價提供科學(xué)依據(jù)，同時能在智能化數(shù)據(jù)分析與挖掘的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實驗?zāi)K的進(jìn)一步優(yōu)化，根據(jù)個人能力和專業(yè)特點為學(xué)生提供個性化的實驗教學(xué)方案，真正實現(xiàn)工程化的實驗教學(xué)理念[1]。

在線實驗是通過互聯(lián)網(wǎng)方式，遠(yuǎn)程操作網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗或遠(yuǎn)端真實設(shè)備，開展實驗的方式。相對于傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，在線實驗存在以下優(yōu)勢：

(1)為在線學(xué)習(xí)學(xué)生提供了實驗解決方案，克服了在線學(xué)習(xí)的學(xué)生居住地理位置分散、集中安排實驗時間實施困難的問題，學(xué)生即使不能到現(xiàn)場也能完成實驗。

(2)降低實驗成本，克服了傳統(tǒng)實驗設(shè)備價格較高，設(shè)備的套數(shù)有限，在數(shù)量和質(zhì)量上都難以保證學(xué)生使用的問題。

二、在線實驗的探究設(shè)計

在線實驗?zāi)M了現(xiàn)場實驗的場景，但卻不是現(xiàn)場實驗的簡單網(wǎng)絡(luò)化移植，實驗設(shè)計本身發(fā)生了較大變化。由于在線實驗的互聯(lián)網(wǎng)支持和計算機模擬等特點可以更好地提供一個促進(jìn)思考和探究的環(huán)境，系統(tǒng)能在線記錄學(xué)生的獨立操作，為評價提供科學(xué)的依據(jù)，并可在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)挖掘和優(yōu)化，調(diào)整實驗設(shè)計，充分發(fā)揮學(xué)生的能動性，能適應(yīng)不同水平和能力學(xué)生的要求。基于以上特點，筆者設(shè)計了與現(xiàn)場實驗存在較大區(qū)別的在線實驗探究式學(xué)習(xí)模式。

培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和能力是實驗設(shè)計的核心問題。由于CDIO模式繼承和發(fā)展了工程教育改革的理念，系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實施以及檢驗測評的標(biāo)準(zhǔn)，因此，我們主要基于CDIO的理念來設(shè)計在線實驗?zāi)Ｊ胶头椒?，強調(diào)工程實踐環(huán)境中探與究的學(xué)習(xí)來實現(xiàn)CDIO的全過程，使得學(xué)生以更多元的方式進(jìn)行工程實踐訓(xùn)練[2]。

CDIO是以構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)、運作(Operate)為四個主線過程，綜合地考慮專業(yè)基礎(chǔ)知識、個人和職業(yè)的技能及團(tuán)隊協(xié)作與溝通的技能，及在整個企業(yè)、社會環(huán)境下進(jìn)行四個主線過程以達(dá)到全面提升工程實踐能力的培養(yǎng)過程[3]。

CDIO模式中的構(gòu)思和設(shè)計環(huán)節(jié)主要針對學(xué)生的工程宏觀分析能力，而實現(xiàn)和運作環(huán)節(jié)主要針對學(xué)生的工程微觀分析和操作能力。作為一個縮小版的工程實踐過程，在線實驗的實驗方案的設(shè)計實際上就是構(gòu)思和設(shè)計過程，而實驗過程就是實現(xiàn)和運作過程[4]。因此，探究式學(xué)習(xí)主要體現(xiàn)在實驗方案探究與實驗過程的探究兩個方面。以下我們將通過遠(yuǎn)程教育高校開發(fā)的典型實驗來具體說明其設(shè)計理念。

(一)實驗方案探究設(shè)計

實驗方案的探究主要培養(yǎng)學(xué)生的工程宏觀分析能力。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式下，實驗按照統(tǒng)一的方案展開，學(xué)生沒有選擇性。這種教學(xué)模式適用于理論驗證性的實驗，但在以培養(yǎng)學(xué)生工程能力為主的實驗中，就會壓制學(xué)生的想象力和主動探究的意識。因此，實驗方案探究是實驗教學(xué)策略的最重要部分。

實驗的主要目的是認(rèn)識和探索理論規(guī)律，掌握工程技能，應(yīng)該以問題為驅(qū)動開展實驗方案的探究，學(xué)生對于老師提出的問題，以分析問題和解決問題為出發(fā)點，經(jīng)過認(rèn)真思考和研究，自主制定實驗方案，通過搭建實驗對象，準(zhǔn)備儀器設(shè)備、測量各種工況下的數(shù)據(jù)，整理和判斷實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果的正確性。這就要求實驗具有基于工程的實際背景設(shè)計，學(xué)生才可能在這種開放性的實驗環(huán)境下，對多種可能的實驗方案展開探究。

英國開放大學(xué)的實驗“能量轉(zhuǎn)換(Energy Conversion)”是典型的實驗方案探究型實驗。實驗設(shè)計背景是銅的工業(yè)化生產(chǎn)，實驗問題是如何從銅礦石經(jīng)過多個環(huán)節(jié)得到電解銅[5]。

教師首先要求學(xué)生設(shè)計基本方案。學(xué)生在實驗前1個月必須預(yù)習(xí)，由4人組成的實驗小組需要集體制定實驗方案，由于實驗問題本身的開放性，實驗方案也并不是確定的，指導(dǎo)老師只給出一些建議。從粉碎礦石到解析出銅的多步實驗步驟中，有多種途徑可以完成實驗，學(xué)生們集體討論得到設(shè)計方案。在實驗過程中，方案根據(jù)實際情況還繼續(xù)修正。

完成基本方案設(shè)計以后，實驗完成過程也是實驗方案探究過程。學(xué)生在實驗室邊實驗、邊觀察、邊記錄、邊討論，每個實驗環(huán)節(jié)都要求去解答或解決一些相關(guān)的問題，如粉碎的效率、溶解濃度以及電解效率等，部分環(huán)節(jié)還要到計算機上進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的求解。實驗過程中進(jìn)行觀察記錄和模型預(yù)測，最后對實驗結(jié)果進(jìn)行驗證。 實驗結(jié)束后，學(xué)生還必須根據(jù)本星期實驗情況，做口頭報告(Presentation)，教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)和作業(yè)情況、實驗過程的表現(xiàn)以及口頭報告，給出實驗課程的最終評價[6]。

可以看出，整個實驗過程就是針對如何從銅礦石得到電解銅的這個具有工程背景的問題，在不斷探究的過程中制定和實施實驗方案的過程，這對學(xué)生工程宏觀分析能力的培養(yǎng)大有裨益。

(二)實驗過程探究

實驗過程探究主要培養(yǎng)學(xué)生的工程微觀分析與操作能力。傳統(tǒng)工科專業(yè)的實驗操作基本是按部就班地完成，對于故障分析與解決、規(guī)范操作等重要技能以及如何培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、工程能力、創(chuàng)新能力還較少涉及，這顯然不能滿足工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。

實驗過程探究式是在實驗過程中，教師給學(xué)生一定的引導(dǎo)和提示，讓學(xué)生自己通過觀察、思考、動手實施等途徑去獨立探索和研究，自行實現(xiàn)實驗過程的教學(xué)策略。概括起來，在實驗過程探究中，學(xué)生需要在實驗過程中自主發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，實施和運行，真正實現(xiàn)探與究的學(xué)習(xí)過程。

在工程實際環(huán)境中，觀察與發(fā)現(xiàn)各種現(xiàn)象、分析現(xiàn)象之間的聯(lián)系。因此在線實驗系統(tǒng)會較為真實地模擬這些現(xiàn)象，學(xué)生經(jīng)過現(xiàn)象分析，確定現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)因與外因；結(jié)合理論進(jìn)行討論，明確調(diào)節(jié)目標(biāo)與調(diào)節(jié)手段，形成解決方案。實驗系統(tǒng)設(shè)計必須便于討論和方案設(shè)計。

華東理工大學(xué)DCS實驗是較為典型的實驗過程探究型實驗。實驗主要培訓(xùn)學(xué)生DCS操作能力和故障處理能力。由于DCS系統(tǒng)本身的大多數(shù)操作都是基于計算機的操作，因此網(wǎng)上實驗課程的界面仿真DCS系統(tǒng)的計算機控制部分操作的界面(如圖1所示)。以下用一個簡單的故障處理實驗來說明實驗過程探究的實驗。

圖1 DCS實驗界面

在實驗中，設(shè)計了一個常見的故障處理，在圖1的界面中，學(xué)生觀察到粗丙酮塔T-601頂溫度儀表TI-6006出發(fā)異常過高報警，系統(tǒng)要求學(xué)生調(diào)節(jié)至正常運行溫度73.0-80.0℃。

在觀察到異常過高報警后，學(xué)生將按照所學(xué)知識和工程常識，作出如下分析：粗丙酮塔頂溫度上升可能有4三個工藝方面的原因，分別是加水量過大、回流量過小或再沸器回水量過小，也有可能是儀表自身故障因素。

既然存在這三種可能，就必須通過其他觀察和分析來確定故障原因，因此學(xué)生首先需分別檢查相關(guān)三個儀表，即加水量儀表FRC-6015，回流量儀表FR-6019，E-601再沸器回水儀表FRC-6014，以確定儀表正常工作。學(xué)生觀察到回流量儀表FR-6019讀數(shù)偏小，就可以判斷出是因為回流量不足造成塔頂溫度升高。

在通過觀察分析找到故障原因后，學(xué)生根據(jù)工藝?yán)碚?，確定解決方案，即增大塔頂回流量，需要調(diào)節(jié)FR-6019儀表。在工程環(huán)境中，不能進(jìn)行一步到位的調(diào)節(jié)，以免造成大的擾動，需逐步小范圍調(diào)整，邊調(diào)邊等。因此學(xué)生在實施解決方案，必須仔細(xì)閱讀操作守則，將溫度調(diào)節(jié)至正常運行溫度的整個操作過程必須符合現(xiàn)場操作規(guī)范。

操作實施時，首先將LRC-6023改為手動控制，每次增加調(diào)節(jié)閥閥位必須小于2%—這是操作守則要求的，如果學(xué)生超出這個閥位標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，訓(xùn)練中系統(tǒng)將給出警告，在考試中則行為將被記錄，作為扣分依據(jù)。每次調(diào)節(jié)后系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)學(xué)模型的計算將相應(yīng)儀表調(diào)至相應(yīng)位置，學(xué)生一邊觀察表顯示情況一邊調(diào)解，直至塔頂溫度恢復(fù)到73.0-80.0℃，最后將LRC-6023設(shè)置為自動控制。

可以看出，此實驗在整個故障處理過程中，并不像普通課程實驗制定嚴(yán)格的步驟，而是讓學(xué)生根據(jù)工程實際情況，通過自主觀察分析來制定解決方案，然后根據(jù)操作規(guī)范來一邊觀察一邊操作運行，整個課程設(shè)計與教學(xué)過程較好地體現(xiàn)了探究式的教學(xué)策略。

三、基于過程考核的在線評價體系

對實驗學(xué)習(xí)成果進(jìn)行全面評價是在線實驗的重要環(huán)節(jié)，這樣才能對學(xué)生探究式學(xué)習(xí)過程進(jìn)行科學(xué)合理的評價。傳統(tǒng)現(xiàn)場實驗?zāi)Ｊ街幸詳?shù)據(jù)處理和實驗報告結(jié)果來評價只能作為在線實驗中評價模式的參考。

對于參加實驗的學(xué)生，主要應(yīng)考慮的因素是其在實驗的準(zhǔn)備情況、在實驗過程中探與究的情況，即觀察問題和分析問題的準(zhǔn)確性，設(shè)計方案的優(yōu)劣，操作實施過程的規(guī)范性、和其他同學(xué)交流情況，以及對理論知識的掌握能力和應(yīng)用能力，因此必須據(jù)此建立新的實驗評價體系，即基于實驗過程考核的評價體系。

在線實驗評價體系主要分為理論掌握情況、實驗操作能力、合作交流能力，其中實驗操作能力是最為重要的指標(biāo)。理論掌握情況主要考察預(yù)習(xí)思考題，實驗操作能力包括是否選擇了正確的儀器或儀表、設(shè)計方案是否適當(dāng)、操作目標(biāo)是否達(dá)到、操作過程是否規(guī)范、數(shù)據(jù)處理與實驗報告是否符合要求等都可以作為實驗過程考核的指標(biāo)。同時，每一門實驗課程提供BBS建立單門實驗的學(xué)習(xí)社區(qū)，學(xué)習(xí)者就一些問題難題發(fā)帖，由專門的輔導(dǎo)教師回答問題，并確認(rèn)學(xué)習(xí)者所發(fā)的有效帖數(shù)等。

其中實驗操作規(guī)范是較為特殊的指標(biāo)，在工程實際中，操作規(guī)范化及其重要，否則將引來災(zāi)難性后果。因此，必須設(shè)定一個閥值，學(xué)生如果出現(xiàn)較為嚴(yán)重的操作規(guī)范問題，不論其他指標(biāo)分?jǐn)?shù)如何，都將判定為不合格，我們定義為罰指標(biāo)。

本文選取上述7個指標(biāo)因子構(gòu)成學(xué)生實驗教學(xué)的基本評價指標(biāo)體系,并依次設(shè)其為A1，A2，…，A7，其中A6為罰指標(biāo)因子，如表1所示。

表1 實驗過程考核參數(shù)指標(biāo)

通過在線實驗系統(tǒng)中自動記錄實驗儀器選取、操作等參數(shù)，對學(xué)生實驗過程進(jìn)行跟蹤。結(jié)合在線實驗平臺的應(yīng)用，在實踐中我們采用了一個有七個參數(shù)的指標(biāo)體系，包括預(yù)習(xí)思考題分?jǐn)?shù)、實驗儀器選取、實驗方案正確性，操作規(guī)范性、數(shù)據(jù)處理、實驗報告、在學(xué)習(xí)社區(qū)的交流情況。對這七個參數(shù)賦予不同的權(quán)重就可以得到該學(xué)生的最終成績，下面分項說明一下每個指標(biāo)的含義。

由于每個指標(biāo)因子只反映了學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的某個方面的特征，各學(xué)?？梢愿鶕?jù)本校實際情況規(guī)定指標(biāo)因子及其特征值，以及罰指標(biāo)因子的規(guī)定。表1顯示的是華東理工大學(xué)指標(biāo)因子的重要性規(guī)定，并因此為權(quán)重來加權(quán)學(xué)生實驗的綜合得分,其數(shù)學(xué)模型如下：

其中A為各項指標(biāo)權(quán)重，X為學(xué)生各項指標(biāo)得分。

在指標(biāo)體系中，各項指標(biāo)的權(quán)重大致說明了其重要性，這七個參數(shù)基本上涵蓋了學(xué)生從準(zhǔn)備到完成全過程的表現(xiàn)情況，對每一個指標(biāo)賦于權(quán)值并最終得到終結(jié)性評價課程成績，各項指標(biāo)的加權(quán)和就是實驗評價分?jǐn)?shù)。

少數(shù)指標(biāo)雖然權(quán)重并不高，由于在工程實踐中具有重要意義，低于一定分?jǐn)?shù)整個實驗過程將評價為不合格。比如在前文提到的DCS實驗中，在多次出現(xiàn)不規(guī)范操作并且在系統(tǒng)警告后仍然出現(xiàn)2次以上不規(guī)范操作，整個實驗過程將被判定為不合格。

對于通過經(jīng)驗方式得到的實驗過程考核評價體系，在經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)積累以后，可以進(jìn)行智能化的處理和分析，為學(xué)生提供更優(yōu)化的實驗方案。比如在DCS實驗中，通過對學(xué)生實驗過程數(shù)據(jù)的分析，得出每個學(xué)生的優(yōu)缺點，如表2所示。

表2 在線實驗評價實例

在選取的兩個學(xué)生中，甲學(xué)生雖然分?jǐn)?shù)略高，但操作相關(guān)的指標(biāo)得分都不高，因此在后續(xù)實驗中，主要給該學(xué)生提供注重操作及規(guī)范的實驗，比如開關(guān)機實驗和某些故障處理實驗。而乙學(xué)生操作和動手能力較好，但不注意理論和實驗設(shè)計，以及數(shù)據(jù)處理等工作，在后續(xù)實驗中，應(yīng)多推送理論學(xué)習(xí)的模塊，提醒學(xué)生注意數(shù)據(jù)處理和實驗報告的完成。

四、在線實驗系統(tǒng)的設(shè)計框架

作為在線實驗系統(tǒng)核心部分的探究式學(xué)習(xí)模式以及相應(yīng)的在線評價體系設(shè)計完成以后，在線實驗系統(tǒng)框架基本構(gòu)筑完畢。在線實驗系統(tǒng)應(yīng)本著簡單、適用、高效的原則，實行通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、人性化的設(shè)計思想。學(xué)生可以通過在線實驗平臺在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行實驗教學(xué)的全過程，而在線實驗平臺則通過記錄學(xué)生在線上參加的實驗過程、實驗練習(xí)以及培訓(xùn)交流等情況，實現(xiàn)對學(xué)生實驗情況的全程跟蹤管理和對學(xué)生實驗教學(xué)需求的全面掌握。

在線實驗設(shè)計的基本架構(gòu)如圖2所示。可以看出，在框架核心部分的業(yè)務(wù)層中，支持探究式學(xué)習(xí)過程是貫穿設(shè)計始終的問題，所以應(yīng)改變原先某些實驗只是為驗證理論的設(shè)計，把發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、設(shè)計解決方案、實施解決方案的探究式思路在實驗教學(xué)中實現(xiàn)。同時需要學(xué)生在各個環(huán)節(jié)的實驗過程進(jìn)行完整的記錄，作為其是否按照教學(xué)思想完成實驗內(nèi)容進(jìn)行考核的依據(jù)，同時還可以通過智能化的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，為學(xué)生提供經(jīng)過優(yōu)化的個性化實驗教學(xué)模塊。

圖2 實驗平臺總體設(shè)計方案

組件層和服務(wù)層和平臺軟硬件設(shè)計相關(guān)，在其他文章中有詳細(xì)介紹，本文不再贅述[7-10]。

五、結(jié)論

在線實驗與傳統(tǒng) 實驗的教學(xué)模式存在較大差異，因此在實驗設(shè)計與開發(fā)中，應(yīng)充分考慮在線學(xué)習(xí)環(huán)境下的特點，實施在線探究式學(xué)習(xí)策略，利用網(wǎng)絡(luò)與計算機技術(shù)的優(yōu)勢，在基于對實驗過程進(jìn)行全程監(jiān)控的基礎(chǔ)上建立在線評價系統(tǒng)，為評價探究式學(xué)習(xí)結(jié)果提供科學(xué)的依據(jù)，同時能在智能化數(shù)據(jù)分析與挖掘的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實驗?zāi)K的進(jìn)一步優(yōu)化?；谔骄渴綄W(xué)習(xí)設(shè)計框架的在線實驗是一種新型的實驗形式，在整個實驗過程中注重培養(yǎng)學(xué)生工程化理念，在工科遠(yuǎn)程教育、多校區(qū)之間的實驗教學(xué)和高校間實驗共享中得到了廣泛的應(yīng)用。

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姚?。褐v師，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育（13641679131）。

程華：副研究員，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育。

應(yīng)衛(wèi)勇：教授，研究方向為化學(xué)工程和現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育。

2014年5月2日

責(zé)任編輯：馬小強

Design and Research of Online Experiment Based on Inquiry-based Learning

Yao Jun, Cheng Hua, Ying Weiyong

(College of Distance Education, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237)

Online experiment is important for distance engineering education, multi-campus experiment course and between universities experiment sharing. As a new form of experiment, online experiment is not a simple network laboratory transplanted from traditional one. Online inquiry-based learning strategy and online record and feedback is emphasized in the whole process of design, development and implementation, and it also includes online assessment based on data integration and analysis. This plays an important role for the implementation of engineering ideas. In this paper, based on the design and development of typical online experiments in China and UK, the implementation of inquiry-based Learning strategy in the online experiment is illustrated on the experiment scheme inquiry and experiment operation process inquiry, and the construction of process assessment system to evaluate the result of inquiry-based Learning in the online experiment.

Online Experiment;Inquiry-based Learning;Online Assessment System

G434

A

1006—9860(2014)09—0100—05

* 本文系教育部項目“高等學(xué)校繼續(xù)教育課程學(xué)分標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量內(nèi)涵和學(xué)分轉(zhuǎn)移制度與機制的研究及應(yīng)用”(項目編號：教高函[2011]6號) 系列課題之一“理工類課程(含實驗)互選互認(rèn)的研究與實踐”(課題編號：CECC06)成果。