高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)發(fā)展

宋大鵬

0 引言

實(shí)驗(yàn)是高等教育中學(xué)生認(rèn)識(shí)世界和學(xué)習(xí)知識(shí)的重要實(shí)踐活動(dòng)之一，高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室在培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)、創(chuàng)新和實(shí)踐能力方面有著不可替代的作用。自建立高等教育體系以來(lái)，高校實(shí)驗(yàn)室得到了不斷發(fā)展，現(xiàn)已成為高校進(jìn)行科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)術(shù)交流、培育高水平人才和成果產(chǎn)出的重要基地，其建設(shè)和發(fā)展也成為反映高?？蒲兴?、教學(xué)水平和現(xiàn)代化管理水平的重要標(biāo)志。

目前，對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理方面的研究和關(guān)注較多，但從技術(shù)發(fā)展的角度關(guān)注較少。因此，本文從應(yīng)用技術(shù)的視角出發(fā)，對(duì)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展歷程和未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行回顧和研究，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

從20 世紀(jì)20年代我國(guó)高校開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)至今，已有100年的歷史?？v觀我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展，以技術(shù)應(yīng)用為劃分標(biāo)準(zhǔn)，大致經(jīng)歷了工業(yè)時(shí)代、電子儀器階段、計(jì)算機(jī)階段和虛擬現(xiàn)實(shí)四個(gè)階段。

1 機(jī)械時(shí)代

1952年，我國(guó)政府大規(guī)模調(diào)整了全國(guó)高等學(xué)校的院系設(shè)置，形成了以“工學(xué)”為主的中國(guó)大學(xué)教育的基本格局。在院校分布和專業(yè)設(shè)置調(diào)整的同時(shí)，國(guó)內(nèi)眾多高校在原來(lái)的基礎(chǔ)上開展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，高校實(shí)驗(yàn)室得以建立和發(fā)展。

當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)多數(shù)高校為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，專業(yè)設(shè)置以工學(xué)為主，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的是為學(xué)生提供實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì)。與之相應(yīng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要任務(wù)是為工學(xué)專業(yè)學(xué)生提供各種生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)設(shè)備，便于學(xué)生掌握和理解應(yīng)用型知識(shí)?；A(chǔ)學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)教具、設(shè)備等受當(dāng)時(shí)生產(chǎn)制造技術(shù)發(fā)展水平的限制，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多為實(shí)物或原理仿真模型，如在高校中物理學(xué)專業(yè)中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)教具、機(jī)械部件實(shí)體模型和人體或生物的器官的放大實(shí)物仿真模型等。在此階段，高校實(shí)驗(yàn)室的儀器、設(shè)備和設(shè)施以工業(yè)生產(chǎn)的原型設(shè)備或工業(yè)加工的教學(xué)產(chǎn)品為主。

由于實(shí)驗(yàn)用的設(shè)備或教具為工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)物，故可以稱此時(shí)期的實(shí)驗(yàn)室為“機(jī)械時(shí)代”高校實(shí)驗(yàn)室。

2 電子裝備階段

20 世紀(jì)80年代開始，電子技術(shù)飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，形成迅猛發(fā)展的電子行業(yè)。適逢我國(guó)高等教育的迅速發(fā)展時(shí)期，電子技術(shù)也大大影響了我國(guó)的高等教育，促進(jìn)了高校實(shí)驗(yàn)室的快速發(fā)展。首先，為適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展和需求，全國(guó)眾多高校相繼開設(shè)了電子專業(yè)及相關(guān)應(yīng)用等前沿專業(yè)，開展了相關(guān)的科研，原有的實(shí)驗(yàn)室無(wú)論是在規(guī)模上還是在基礎(chǔ)設(shè)施上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了快速發(fā)展的專業(yè)需求。電子技術(shù)大大促進(jìn)了電子實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展，出現(xiàn)了一大批以電子儀器設(shè)備為實(shí)驗(yàn)教學(xué)核心設(shè)備的高校實(shí)驗(yàn)室。其次，電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化也為高校實(shí)驗(yàn)室提供了新的技術(shù)手段。原來(lái)采用工業(yè)生產(chǎn)手段生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)教具、設(shè)備改為采用電子技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)后，性能大大提高。無(wú)法展示的物理、自然現(xiàn)象等可以通過(guò)電子技術(shù)的聲、光、電等多種手段得以展現(xiàn)，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。再次，電子技術(shù)為科研工作提供了新型的工具。作為科研的主體，高校實(shí)驗(yàn)室也迫切地需要大量的先進(jìn)的電子儀器來(lái)滿足科研人員的需求，如電子顯微鏡在物質(zhì)探測(cè)方面的應(yīng)用、射電望遠(yuǎn)鏡在天文學(xué)中的進(jìn)展等。

電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，極大地促進(jìn)了電子及其他的專業(yè)發(fā)展。它將傳統(tǒng)的工業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施、設(shè)備和教具等實(shí)驗(yàn)用品由電子設(shè)備代替和更新，為高校實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展提供了有力的保障，使得全國(guó)迅速出現(xiàn)了眾多以電子設(shè)備及應(yīng)用的為代表特征的高校實(shí)驗(yàn)室。

3 計(jì)算機(jī)階段

20 世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展與普及，為高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展提供了良好的工具和支撐平臺(tái)。同時(shí)期，我國(guó)高等教育迎來(lái)了飛躍式發(fā)展，各高校專業(yè)建設(shè)日新月異，招生規(guī)模飛速增長(zhǎng)。規(guī)模的快速的擴(kuò)張對(duì)師資、環(huán)境等提出了更高的要求，高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在管理、教學(xué)上承受著前所未有的巨大壓力。在此大環(huán)境下，計(jì)算機(jī)技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，迅速地在高校實(shí)驗(yàn)室得到廣泛的應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)技術(shù)為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的、與傳統(tǒng)不同的實(shí)現(xiàn)手段- - 計(jì)算機(jī)分析與測(cè)試。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，計(jì)算機(jī)能提供新的、多樣性的分析手段和性能優(yōu)異的測(cè)試平臺(tái)。它可以把原來(lái)由人工進(jìn)行的計(jì)算采用程序的方式進(jìn)行，提高了運(yùn)算效率，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，不但增強(qiáng)了傳統(tǒng)的工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也為數(shù)學(xué)、物理和社會(huì)學(xué)、理學(xué)、醫(yī)學(xué)等專業(yè)提供了高效的計(jì)算手段和呈現(xiàn)方式，大大擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的覆蓋的專業(yè)范圍。

高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生了巨大的壓力，使得高校實(shí)驗(yàn)室管理有了更高的要求。計(jì)算機(jī)由于具有強(qiáng)大的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，在高校實(shí)驗(yàn)室的管理中快速普及。對(duì)于日常繁重和瑣碎的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置和安排，計(jì)算機(jī)能有良好的性能，為實(shí)驗(yàn)課的編排、考核和實(shí)驗(yàn)課程的管理提供了平臺(tái)，大大提高了高校實(shí)驗(yàn)室的使用效率；在高校實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備管理、人員管理方面，計(jì)算機(jī)也有不錯(cuò)的表現(xiàn)。隨著實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的不斷擴(kuò)大，設(shè)備數(shù)量越來(lái)越多，種類越來(lái)越復(fù)雜，管理成了實(shí)驗(yàn)室中的重要工作。各種計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)的出現(xiàn)，解決了原來(lái)人工管理的難題，也使得高校實(shí)驗(yàn)室的管理呈現(xiàn)了規(guī)范化，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展。如今，實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)管理水平成了衡量高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要標(biāo)志之一。

隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)算作為繼理論和實(shí)驗(yàn)之后的新的科學(xué)研究手段出現(xiàn)在高校的科學(xué)研究工作中。高校許多專業(yè)涉及的研究領(lǐng)域，包括氣象預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警、生態(tài)模擬與環(huán)境控制、材料科學(xué)與電子器件設(shè)計(jì)、工業(yè)和工程中的數(shù)值模擬等，都提出了計(jì)算的大量需求。高校實(shí)驗(yàn)室作為科研的主要承擔(dān)者，其提供的計(jì)算能力也直接影響到了科研的進(jìn)程。隨著國(guó)家對(duì)高校科研不斷重視，支持力度不斷增加，各高校實(shí)驗(yàn)室不斷購(gòu)進(jìn)用于科學(xué)計(jì)算設(shè)備，計(jì)算能力大幅提升。計(jì)算機(jī)及輔助設(shè)施也成為高校實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)施。

從計(jì)算機(jī)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開始，此階段高校實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用技術(shù)以“計(jì)算機(jī)分析與測(cè)試”為基本特征，開啟了高校實(shí)驗(yàn)室的新階段。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）階段

虛擬現(xiàn)實(shí)自20 世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)，經(jīng)歷了快速發(fā)展期（1990- 1999）和突破性技術(shù)頻發(fā)期（2000- 至今），已在各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的活力。2016年，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷成熟和產(chǎn)業(yè)化，虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品和應(yīng)用系統(tǒng)呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)，被稱為“VR 元年”。作為能改變未來(lái)的黑科技，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)高等教育領(lǐng)域包括高校實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生了極大的沖擊。

隨著國(guó)家高等教育教學(xué)改革的不斷深入和我國(guó)高等教育的發(fā)展，各高校和各學(xué)科的定位都發(fā)生了巨大的變化。作為學(xué)校綜合實(shí)力標(biāo)志之一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校教學(xué)中的地位不斷提高，高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也由原來(lái)的數(shù)量需求轉(zhuǎn)為高質(zhì)量、高技術(shù)含量的質(zhì)量需求。不僅僅在工學(xué)直接相關(guān)的學(xué)科，在醫(yī)學(xué)、社會(huì)科學(xué)等學(xué)科中，都對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展提出了更高的要求。

VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）作為一種新的人機(jī)交互手段，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的、顛覆性的手段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)的如平面展示轉(zhuǎn)化為三維或沉浸式全角度觀察、真實(shí)場(chǎng)景中互動(dòng)訓(xùn)練和身臨其境的學(xué)習(xí)感受等新方式，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，為高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了全新的、前所未有的新手段。

2016年教育部出臺(tái)政策鼓勵(lì)全國(guó)各高校開展虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，投入了大量資金在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，這一舉措促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)室的開展。虛擬旅游實(shí)訓(xùn)、醫(yī)學(xué)虛擬內(nèi)窺鏡仿真、虛擬設(shè)備原理展示及虛擬診斷等一大批優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目出現(xiàn)在了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。在眾多的學(xué)科中出現(xiàn)了多種教學(xué)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，如Simposia公司的虛擬內(nèi)鏡訓(xùn)練系統(tǒng)可模仿氣管鏡、胃通過(guò)力反饋手術(shù)裝置在氣管、食道的三維模型中進(jìn)行手術(shù)操作；北師大教育部虛擬現(xiàn)實(shí)工程實(shí)驗(yàn)的V- Learning 系統(tǒng)可通過(guò)體驗(yàn)式教學(xué)提高教學(xué)效果；虛擬數(shù)字博物館為學(xué)生提供仿真度極高的文物、遺址等實(shí)驗(yàn)用品等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展也大大促進(jìn)了高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展。如今，許多高校成立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開展新一輪的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。此階段的特征是在高校實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的、與專業(yè)相結(jié)合的教學(xué)系統(tǒng)和設(shè)施為代表，可以稱之為高校實(shí)驗(yàn)室的“VR 時(shí)代。”

5 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，其在高校實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用反映出不同時(shí)期高?？蒲泻蛯?shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展?？v觀高校實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)變革可以看出，科學(xué)技術(shù)正在不斷地融入高校實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展中，其不僅作為高校實(shí)驗(yàn)室的一部分，而且已逐漸成為實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)基礎(chǔ)。高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不僅需要重視自身規(guī)模和硬件的建設(shè)，更需要進(jìn)行科學(xué)技術(shù)應(yīng)用方面的建設(shè)，以科學(xué)技術(shù)前沿為中心，建設(shè)高水平的科研和教學(xué)平臺(tái)，才能切實(shí)提高高校實(shí)驗(yàn)室的綜合實(shí)力，為高校的發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力，增強(qiáng)高校的綜合實(shí)力。