新技術驅動下的高校實驗教學發(fā)展及研究綜述

郭穎奇， 肖 勇

(四川大學 電氣信息學院，成都 610065)

新技術驅動下的高校實驗教學發(fā)展及研究綜述

郭穎奇， 肖 勇

(四川大學 電氣信息學院，成都 610065)

隨著大量計算機新技術的涌現(xiàn)，高校教學實驗在與計算機技術的結合下得到了前所未有的發(fā)展。結合計算機新技術應用于實驗教學的發(fā)展歷程，探討高校實驗教學在新技術發(fā)展驅動下的特點及面臨的問題和矛盾。探索基于虛擬技術和云計算技術下的創(chuàng)新型實驗教學的發(fā)展方向，以及在此基礎上延伸的教學新思路、新方法、新模式。最后提出以提高教學質量為目標、以開放共享為依托促進高校實驗教學改革的相關建議。

實驗教學； 計算機新技術； 虛擬技術； 云計算

0 引 言

如何將現(xiàn)代計算機技術更好地運用在高校實驗教學當中，使之更加符合高校實驗教學的特點和要求，最終實現(xiàn)提升教學效果一直是人們關注的熱點之一。如今，網絡通信技術、多媒體技術、虛擬儀器和云計算等先進技術逐步被應用到高校的教學中。為了提高和改善實驗教學水平，高校的教育者們從未停止過對新技術的研究和對教學的改革。目前，雖然大多數(shù)高校早已不再是基于單機加投影儀的初級實驗教學方式，但如何合理利用新技術構建實驗環(huán)境，有效支撐實驗環(huán)節(jié)在整個教學過程中越來越突出的作用，使之與課堂教學模式，甚至與具體實驗項目有機結合在一起，仍然是大家在不斷探索和努力的方向。

1 新技術對實驗教學模式的推動

隨著信息技術在教育行業(yè)的普及，傳統(tǒng)的教學模式和教學手段發(fā)生了巨大的變化，深刻的影響著教與學的方式。根據(jù)教育部對中國教育信息化發(fā)展狀況的相關調查統(tǒng)計表明：到2006年左右，高校的信息化發(fā)展主要是以硬件基礎設施建設為主，教室聯(lián)網率達到 48.2%, 安裝有固定多媒體設備的教室的平均比例達到 31.2%， 有 13.7%的高校建成了無線局域網 (Wireless LAN), 有 41.7%的高校使用了網絡教學系統(tǒng)[1]。該報告還設想在未來若干年內將計算機新技術與高校的理論、實踐教學有機結合，建設理想的學習環(huán)境和構建全新的學習方式。徹底改變傳統(tǒng)的教學結構與教學模式，讓新技術融入到各學科的實驗教學中，使之成為實驗教學方式的重要支撐，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才做出貢獻。通過長期的實踐和摸索后，從高校實驗教學中涌現(xiàn)出各種新方法、新模式和新思路。下面簡要例舉幾種有代表性的教學模式及其主要特征，說明在各個時期計算機新技術對實驗教學發(fā)展的推動作用。

(1) 多媒體教學是信息技術作為輔助教學工具應用最多和最廣泛的方法之一。多媒體教學是以計算機技術為基礎, 融入網絡、通信、數(shù)字、傳播等技術為一體[2],將文本、圖形 、聲音、影像等信息綜合展現(xiàn)和利用的教學模式。它具有比傳統(tǒng)課堂單一教授方式更加突出的交互性、隨時性和空間性，大大豐富了課堂教學的知識量和信息量。該教學方式在出現(xiàn)初期和隨后所發(fā)展的“課堂+網絡”模式的階段確實有利于提高高校實驗教學質量, 促進了實驗教學的發(fā)展。時至今日，多媒體教學仍是課堂教學的主要方式之一，并在新技術的發(fā)展驅動下不斷改革和創(chuàng)新，繼續(xù)深入發(fā)揮著功效。

(2) 以技術革新為基礎的發(fā)現(xiàn)式學習和啟發(fā)式教學。由于PPT和CAI課件的大量使用，加上諸如電子黑板、電子桌面教室和遠程課堂等信息技術的采用，大大節(jié)省了教師的重復性勞動，從而使得單位時間內可傳遞的信息量大增[3]。發(fā)現(xiàn)式學習和啟發(fā)式教學一個是學，一個是教，是相輔相成互動過程，是把實驗變“驗證性”為”實驗性”甚至是“綜合性”。學生在其中可以自由探索、發(fā)現(xiàn)并獲取的大量信息，然后進一步分析、篩選和加工并為其所用。這不僅有利于培養(yǎng)學生思考分析能力，增強專業(yè)興趣，啟發(fā)以自主學習為目標的實踐思維，更能逐漸發(fā)展和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和由被動接受知識變?yōu)橹鲃荧@取知識的實驗授課新模式。這種模式近年來受到不少的高校的推崇和應用，取得了不錯的教學效果。

(3) 過去10年中，國內外專家學者倡導培養(yǎng)學生一種叫做”信息素養(yǎng)”的能力，目的是讓學生在學習過程中通過主動地探索發(fā)現(xiàn)和親身體驗學會對大量信息的收集、分析和判斷，從而增強思考能力和創(chuàng)造能力的“探究式”學習方式。與之相應的是教師依據(jù)授課目標、任務特征和學生特點建立一種動態(tài)的教學模式，被稱之為“跟蹤式”教學。“跟蹤式”教學要求營造類似科學研究的教學過程，學生參與制定實驗內容和收集實驗信息，師生互助研究和利用信息分析等實驗教學全過程。這一切都是建立在以計算機技術為主的高度自動化實驗系統(tǒng)的基礎上，并在其中有針對性地對學生進行暗示和啟發(fā)教育[4]。

從上述可見，在已過去的一段時期中，計算機技術的發(fā)展給實驗教學方式帶來了很大影響。雖然不同高校實驗教學模式的構建思路和過程不盡相同，但實驗與理論教學二者相互促進、相互補充、兩者同步建設，共同組成完整教學的思想是一致的。本文針對當前的新技術形勢，結合高校實驗教學的現(xiàn)狀進行進一步的闡述。

2 新技術下實驗教學面臨的機遇與挑戰(zhàn)

當前，高校實驗教學模式的改革正在前所未有的分享著新技術帶來的發(fā)展紅利。在教育部實施的教育信息化相關戰(zhàn)略部署下，高校實驗室建設項目有序開展和進行。經過十幾年的基礎設施建設，如今已有如虛擬技術、云計算等新技術應用在教學實踐的第一線，有效地提升了高校實驗水平，增強了教學效果，但與之相應的教學模式和方法還鮮有報道。究其原因還是存在重硬件輕軟件，重建設輕管理的固有思想影響，沒有從根本上以發(fā)展的眼光和創(chuàng)新的思路來看待現(xiàn)有的實驗教學。以計算機類實驗為例，甚至還停留在單機操作或個人編程的初級認識階段，沒有意識到實驗教學已經在計算機新技術和創(chuàng)新人才需求的雙重推動下進入了一個更高、更新的層次。

2.1新技術下對實驗教學的新定義

我校是國家“211、985工程”綜合性重點高校，為貫徹教育部《面向21世紀教育振興行動計劃》的精神，學校于2001年啟動“523實驗室工程”對包括學院專業(yè)實驗中心在內的全校各級實驗類單位進行有層次有計劃地建設。該工程耗時10余年，籌集2～3億元資金集中力量完成包括創(chuàng)新型綜合實驗基地、實驗中心和專業(yè)實驗室在內的數(shù)十個建設項目。學校從實驗教學改革、設備設施、實驗教學師資和實驗室管理制度等多方面建設徹底改變了本科實驗室的落后面貌。學院的專業(yè)實驗中心在建設中不乏引進和利用了目前的新技術、新設備、新軟件等“三新”裝備，例如某對象綜合測試系統(tǒng)、微機監(jiān)控試驗臺、過程控制系統(tǒng)實驗裝置、電力系統(tǒng)綜合自動化試驗臺、仿真計算軟件、智能電網實驗平臺、機器人系統(tǒng)、新能源發(fā)電系統(tǒng)等。這幾乎是徹底的改變了專業(yè)實驗的應用環(huán)境和實驗內容，也為促進實驗教學模式的革新提供了可能和機遇。另一方面對學生而言，實驗過程已經不再是傳統(tǒng)理解中的單機運行，也不只是在網絡中進行簡單的文件調用和數(shù)據(jù)訪問。實驗對計算機技術的應用不僅是在一些基礎計算機類課程中，而是在專業(yè)課實驗中與高新尖的大型實驗系統(tǒng)相結合，輔助完成更高層次、更高難度的實踐學習。特別是在我院電氣工程學科領域，這些“三新”裝備與現(xiàn)有的實驗系統(tǒng)進行有機銜接，實現(xiàn)了諸如實際對象信號采集與控制、大型系統(tǒng)全過程模擬運行、高電壓等級或高精度計算機狀態(tài)控制試驗、復雜網絡數(shù)據(jù)運算等相關實驗課程和實驗項目。這些新實驗內容的出現(xiàn)改變了以前有理論授課無實驗環(huán)節(jié)，或是學生只能象征性觀摩演示，而沒有實際操作的課堂局面，從而大大豐富了實驗內容，提高了學生創(chuàng)新能力、動手能力、分析能力，為培養(yǎng)綜合能力和高層次人才發(fā)揮了不可替代的作用。

可以看到，當前的實驗教學是一個復雜的、綜合的、系統(tǒng)的實踐教學過程。這是現(xiàn)代高等教育的需要，是培養(yǎng)滿足國家建設的創(chuàng)新人才的需要，是社會進步發(fā)展的需要。

2.2新技術下實驗教學改革面臨的“三高”矛盾

新的情況總是伴隨有新的問題出現(xiàn)。在學校推行新的教學計劃改革指導方針下，要求更加重視實踐環(huán)節(jié)，并要求實驗在專業(yè)課教學計劃中課時數(shù)占比不低于25%。同時加大對實驗室建設的投入，添置更多的“三新”設備，這些工作對實驗教學質量的提高起到極大的推動作用。但與之相對應的是“三高”問題及現(xiàn)象的出現(xiàn)，具體表現(xiàn)為如下3個矛盾：

(1) 高投入建設的實驗室與實驗教學效果欠佳的矛盾。專業(yè)類實驗課所需的高新設備、高精設備、高價值設備，我們一般稱之為大型及精密貴重儀器設備，我校實驗室及設備管理處根據(jù)《精密貴重儀器和大型設備管理辦法》將其定義為包括但不僅限于單價≥10萬元人民幣的儀器設備(含國家科委統(tǒng)管的2 3種)。從我院實際情況看，大型設備價值占設備總價值1/3，而數(shù)量只占總數(shù)2 000余臺套的2.4%。大型設備的數(shù)量明顯偏少，相對于每年近1 000人的學生規(guī)模和近10萬學時的實驗教學任務之間矛盾十分突出，學生人均可使用的儀器比例很低。實驗室具備了高技術設備，必然會開出相應的更復雜、難度更大、更高級的實驗項目。由于受到實驗臺套數(shù)和其他條件的限制，即使一些專業(yè)實驗項目采用多人共用一臺設備或分組實驗的方式，還是達不到實驗目標規(guī)定的效果[5]。另一方面是高危、高消耗實驗的實際開出學時少、項目少，無法達到教學計劃的最低比例要求。降低實驗要求，減少實驗學時必然導致實驗效果大打折扣。從某種意義上看，現(xiàn)有的實驗教學模式是受制于設備條件與滿足教學大綱要求之間最終平衡的結果。

(2) 創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和實驗設備資源低效利用的矛盾。培養(yǎng)交叉學科的復合型人才需要資源共享，然而各實驗室配置不均衡，專業(yè)、科研實驗室相對獨立，設備與項目均無定期交流機制，設備沒有充分共享利用，兩者之間存在矛盾。實驗設備使用率低是目前高校普遍存在的問題，各院系、各實驗室之間常常是封閉式管理，從而產生“小而全”的自成系統(tǒng)的實驗體系。由于缺乏溝通和協(xié)作，形成了誰買—誰管—誰用的局面，在一定程度上制約了設備的使用率[6]。還有一部分則是因為實驗計劃學時制定過少，而使某些專用設備使用率不高，導致設備常處于閑置狀態(tài)?；蛘呤悄承┛蒲袑嶒炇易杂性O備因為各種原因只面對極少數(shù)師生，使用人群過于局限，受眾太小。雖然學校已經開展了如卓越工程師計劃、創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革等教學實踐，但由于上述情況的存在，很難說不是導致高層次復合型人才培養(yǎng)難度增加和成本增高的因素之一。當然也無法最大限度的發(fā)揮創(chuàng)新教學實踐的效用。

(3) 越來越多出現(xiàn)的新技術設備與實驗師資隊伍建設相對滯后的矛盾。理論指導實踐，實踐又反過來驗證理論。面對技術含量很高的大精設備，對實驗教師和實驗人員的業(yè)務素質與水平要求更高。如果教師沒有及時更新知識，吸取新技術、新方法，輕者無法正確指導實驗教學，重者還有引發(fā)安全等在內的教學事故。由于對一些設備的購入，實驗教師沒有做好充分準備，一般而言，為了保證教學安全，使用該類設備時會犧牲部分涉及高危情況的功能。這不僅不能有效地利用設備，而且還無法為學生帶來創(chuàng)造性或創(chuàng)新性的學習過程。同時由于沒有很好的消化吸收新設備，與之相配套的教學模式和課堂方法也很難形成。學生都是有備而來，會提出各種實質性的問題，作為指導教師，不但要有扎實的理論基礎，還要有較強的動手能力與分析解決問題的能力。所以，建立高層次的實驗室隊伍是為教學服務的根本保證[7]。

3 深化基于虛擬技術和云計算的實驗教學

為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》，2013年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。從 2013 年到現(xiàn)在，教育部發(fā)文指導和推行高校虛擬仿真實驗教學建設工作已經過去3年了，高校實驗室依托虛擬技術和其他相關計算機技術進行建設工作正如火如荼的進行著。在此背景下，研究基于虛擬技術和云計算的開放性創(chuàng)新實驗教學具有重要的現(xiàn)實意義，這即符合計算機技術發(fā)展的潮流，也是建設一流綜合性大學的需要，符合“大眾創(chuàng)新”的精神宗旨。以下是發(fā)展新技術驅動下的實驗教學的兩點認識。

(1) 虛擬技術+云計算服務教學實驗。虛擬現(xiàn)實 (Virtual Veality)，是指利用信息技術手段構造出一個虛擬的環(huán)境，用戶能夠與這個環(huán)境交互，從而獲得身臨其境的感覺[8]。虛擬技術結合虛擬現(xiàn)實在實驗教學中可以實現(xiàn)圖形多維可視、對象仿真、模擬計算等，通過軟件技術和人機交互實現(xiàn)現(xiàn)實教學中不可企及的實驗效果。響應速度快、具備開放共享的虛擬系統(tǒng)來提升實驗室已經成為大家的共識。虛擬化最初的目標是提高機器的使用效率[9]，云計算技術的出現(xiàn)正好增強和完善了這一功能。云計算是基于網絡的一種服務提供模式，它通過網絡提供動態(tài)、易擴展和虛擬化的資源和運算服務。周雪松等[10]概括了虛擬實驗室的概念，即指由虛擬技術、網絡技術等多媒體技術組成的一類以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析的遠程操作為目的的系統(tǒng),包括相應的實驗室環(huán)境、相關的實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等。因此，虛擬技術加云計算已成為目前高校建設虛擬實驗室的主流技術，具有開發(fā)性好、交互性強等特點。在教學實驗方面，它不但解決了高校面臨的實驗設備不足、師資短缺等問題此外，對于一些成本高昂、存在風險，且難以在現(xiàn)實操作的實驗也提供了模擬現(xiàn)實的學習途徑，激發(fā)了學生學習興趣，深化了學生對知識的理解，教學效果顯著，為高校科研工作也作出了重要貢獻。

(2) 更新實驗教學觀念，深化虛擬實驗認識。受傳統(tǒng)的實驗觀念的影響，很多學校和學生比較注重看得見摸得著的實體實驗[11]。某些觀點認為虛擬實驗雖然具有人機交互的功能，仍然是高科技下只具有可視，但不具可感受和可觸碰的影像虛化產物，甚至與早期出現(xiàn)的計算機軟件仿真并無本質區(qū)別。從思想上把虛擬實驗和傳統(tǒng)實物實驗區(qū)別看待，主觀認為其只是一種補充和臨時替代，沒有從發(fā)展的角度看待新技術為教學實驗帶來的革新性改變。

從全國各高校虛擬實驗室建設來看，在實驗教學中充分開發(fā)和使用了虛擬實驗技術，兼顧虛擬實驗和真實實驗的優(yōu)勢，實現(xiàn)了“虛實結合、優(yōu)勢互補”[12]教學方法與手段，出現(xiàn)了以此為基礎的包括“自主式”“項目式”“探究式”在內的諸多創(chuàng)新型實驗教學模式。湖南第一師范學院的楊建良提出電類基礎課程的“虛實結合”實驗教學、海軍工程大學的熊先鋒等提出基于虛實結合的PLC實驗教學儀器設計實驗、北京理工大學生命學院的顧昊提出生物學虛實結合實驗教學模式研究等實踐，這都是高教實驗創(chuàng)新中利用新技術的代表。這進一步說明，無論是計算機專業(yè)類實驗還是其他學科實驗，深刻體會新技術的思想和特點，努力探索新技術的應用方法，真正做到“致知在格物”才能把高校實驗教學建設得更優(yōu)更好。

4 對基于新技術實驗教學的幾點建議

4.1創(chuàng)新實驗教學應以提高教學質量為目的

作為培養(yǎng)學生重要實踐能力的實驗教學需要創(chuàng)新和發(fā)展，其過程必須要以目標為導向，以達到提高教學質量為最終目的。無論是教學教改還是實驗教改、無論是技術方法改進還是模式創(chuàng)新都應遵循一個原則，那就是在技術條件的支撐下追求更優(yōu)良的教學效果。實踐證明，虛擬技術、云計算等新技術的應用促使了實驗教學，特別是虛擬實驗的全方位突破，不僅釋放了教學潛能，而且還利于學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，更好的促進新技術融入教學實驗。在具體的操作中，要腳踏實地的做好實驗的每一個步驟。在實驗初期，從實驗計劃到實驗教案的預制，從虛擬環(huán)境到實際條件的配置，從計算機軟硬件的性能、操作方法的提前熟悉到相關的素材、耗材的預先準備等，盡可能的為實驗教學創(chuàng)造良好的條件。在實驗教學過程中，把實驗細節(jié)與理論重點緊密的結合在一起，讓學生真正在實驗中感受驗證過程，升華理論知識學習。通過實踐過程學生越學越有興趣，越學越有信心。

4.2依托新技術，不斷優(yōu)化和創(chuàng)新實驗教學模式

在傳統(tǒng)的教學模式中，老師與學生基本是一對多或一對一的教授，這種被動學習方式所存在的不足在很多文章中已有充分論述，這里不再重復。新技術為我們提供了新的實驗教學環(huán)境，同時也帶來了教學方法和理論創(chuàng)新的可能?！白灾魇健薄绊椖渴健薄疤骄渴健本褪沁@些創(chuàng)新實驗方法的典型代表。

以“探究式”教學為例，實驗教學是以教師教學為主導，充分發(fā)揮學生的主體作用。教師要為學生的主動實驗與積極參與創(chuàng)造條件，引導學生大膽思考與探索，從而發(fā)現(xiàn)問題、探討問題、解決問題[13]。探究學習的主體可以是單個學生，也可以是一個學習小組。虛擬實驗平臺為此提供了便利，學生可以隨時參與到實驗中進行交流探究活動。同時，教師利用探究式學習可以將真實實驗與虛擬實驗進行合理整合，有利于綜合性實驗的開展。“項目式”教學是指讓師生以團隊的形式共同實施并完成一個完整的項目而進行的教學活動[14]。學生通過完成“實際項目”來加強對各種理論知識的理解，虛擬技術和云計算則為“項目”提供“實際”的對象和環(huán)境，計算機軟件和網絡技術則為實驗提供了物理保障。在這些技術的共同協(xié)作下，實驗全過程能在最大限度接近現(xiàn)實的基礎上完成教學計劃的既定內容。極大地豐富了實驗教學體系，優(yōu)化了實驗教學資源。圖1所示為創(chuàng)新虛擬實驗教學模式優(yōu)化設計圖。

4.3開放共享是實驗教學發(fā)展的主流方向

圖1 創(chuàng)新虛擬實驗教學模式優(yōu)化設計圖

教育部在信息化建設的十年發(fā)展規(guī)劃中提出建立國家教育云服務模式的發(fā)展目標：充分整合現(xiàn)有資源，采用云計算技術，形成資源配置與服務的集約化發(fā)展途徑，構建穩(wěn)定可靠、低成本的國家教育云服務模式[15]。該規(guī)劃的中心指導思想是對教學信息資源進行重組、優(yōu)化與共享，提高實驗教學資源的投資效益，實現(xiàn)以大型精密儀器為重點的實驗開放新局面。從現(xiàn)實來看，實驗的開放共享可以簡單的理解為：利用先進的云計算技術將分散的軟件資源整合在一起，以現(xiàn)有的硬件終端設備方便地共享這些資源。最新的發(fā)展趨勢是：云計算的服務模式打破了網絡共享資源僅局限于軟件資源的局面，拓寬到了硬件資源[16]。微觀視角看，是由其自身學科特點和教學規(guī)律決定；從宏觀視角看，也是從教育資源合理配置到國有資產的充分發(fā)揮效益利用的頂層設計決定的。對于一個學院或者一個學校，云技術的共享模式能夠降低直接購置資源的成本，在域內實現(xiàn)低成本條件下的大型精密儀器設備和特殊性實驗教學軟件的共享使用。目前，這方面的研究和實踐都還屬于試驗性質，雖然某些單位取得了一些效果和成績，但國內和業(yè)界還沒有形成統(tǒng)一的標準和模式。正因為如此，全面摸索和研究實驗的開放共享就更具現(xiàn)實意義。

5 結 語

綜上所述，實驗教學發(fā)展改革的趨勢是注重學生應用能力的培養(yǎng)和加強實踐能力的培養(yǎng)，使學生成為基礎扎實、知識面寬、具有創(chuàng)新能力的高素質?？迫瞬?。這也是深化實驗教學改革的核心所在。展望未來，新技術的驅動力會越來越強大，作為高教的參與者應順時代潮流，不斷探索實驗教學新高度，為培養(yǎng)新世紀創(chuàng)新人才而努力。

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ReviewontheDevelopmentandResearchofExperimentalTeachingDrivenbyNewTechnology

GUOYingqi,XIAOYong

(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The teaching experiment has been an unprecedented development by a large number of new computer technology appearance. Combined with the development process of experimental teaching using new computer technology, this paper discusses problems and contradictions characteristic of experiment teaching in era of new technology. It explores the direction of experiment teaching virtualization based on innovative computer technology and cloud computing technology. And it also explores extension of new ideas, new methods, new model in teaching. Finally, in order to improve the quality of teaching, we have promoted the recommendations of experiment teaching reform based on the open sharing.

experimental teaching; new computer technologies; virtual technologies; cloud computing

TP 39；G 642

A

1006-7167(2017)09-0179-05

2016-09-22

郭穎奇(1975-)，男，四川成都人，工程師，實驗及設備秘書，主要研究方向為計算機網絡實驗技術、設備管理及實驗室建設。Tel.:13808033367；E-mail:251063746@qq.com