新能源網(wǎng)絡(luò)化共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)＊

王麗飛，趙東亞，仉志華，吳明鉑

（中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東 青島 266580）

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》指出“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響”，要求“加快教育信息化進(jìn)程”?！督逃筷P(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》明確提出，“要強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平”。建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化共享平臺，將信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，對提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新思維起著重要作用。

為適應(yīng)能源發(fā)展的需要，2019 年9 月中國石油大學(xué)（華東）成立了新能源學(xué)院，同年成立新能源學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，中心由新能源科學(xué)與工程專業(yè)、儲能科學(xué)與工程專業(yè)、能源與動(dòng)力工程專業(yè)、過程裝備與控制工程專業(yè)、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、環(huán)保設(shè)備工程專業(yè)6 個(gè)專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室組成。

1 新能源學(xué)院的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一，時(shí)空固定化

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)方式以教師為主，學(xué)生按照固定的實(shí)驗(yàn)方案和步驟進(jìn)行操作，在固定時(shí)間進(jìn)入固定的實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步實(shí)踐、研究和探索的空間、時(shí)間都受到限制，不利于學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提高，也導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)室資源的浪費(fèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺分散，難以實(shí)現(xiàn)資源共享

目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源依托于理論課程平臺，相互獨(dú)立，教學(xué)資源分散，信息共享不暢，不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提高。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室地理位置分散，分布在不同教學(xué)樓，不利于實(shí)驗(yàn)室的管理和設(shè)備資源的有效利用。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源單一，創(chuàng)新資源匱乏

目前學(xué)院大多數(shù)實(shí)驗(yàn)僅有實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、多媒體課件、實(shí)驗(yàn)視頻和專業(yè)軟件等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、工程案例資源庫等與科研活動(dòng)、工程實(shí)際緊密結(jié)合的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源匱乏，不利于學(xué)生掌握專業(yè)前沿技術(shù)，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，缺乏創(chuàng)新性

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多為演示性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，并且多年不變，研究性、綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)較少，難以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

為解決上述問題，新能源學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心以提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、教學(xué)資源和教學(xué)手段的改革為重點(diǎn)，構(gòu)建了一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)的自主式、開放式、交互式的共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

2 網(wǎng)絡(luò)化共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建

2.1 建設(shè)思路

平臺以“科學(xué)規(guī)劃、資源共享、突出特色、注重創(chuàng)新”為指導(dǎo)思想，開發(fā)建設(shè)新能源學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和質(zhì)量，提高工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

基于互聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)建立開放共享、資源豐富、多功能、互動(dòng)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上教學(xué)、網(wǎng)上學(xué)習(xí)、網(wǎng)上管理。平臺主要由實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺、公共信息發(fā)布平臺3 部分構(gòu)成。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺建設(shè)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺主要包含基礎(chǔ)教學(xué)資源和拓展教學(xué)資源。實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺框架如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺框架

2.2.1.1 基礎(chǔ)教學(xué)資源

依據(jù)層次化模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，每個(gè)模塊不同層次實(shí)驗(yàn)建設(shè)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目列表，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)課件、實(shí)驗(yàn)視頻、實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫、實(shí)訓(xùn)軟件等基礎(chǔ)教學(xué)資源。學(xué)生課前通過觀看這些內(nèi)容，可以對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作流程有全面的了解，并通過自我測試檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果。有利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、課上實(shí)驗(yàn)操作打下良好基礎(chǔ)。課后學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行復(fù)習(xí)，進(jìn)一步鞏固實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識，提高學(xué)習(xí)效果。

2.2.1.2 拓展教學(xué)資源

實(shí)驗(yàn)中心開發(fā)建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、精品實(shí)驗(yàn)案例資源庫和遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)等拓展教學(xué)資源。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要組成部分，可以實(shí)現(xiàn)新能源相關(guān)專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)功能。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真裝備與多媒體技術(shù)，融合多種互動(dòng)硬件與數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了基礎(chǔ)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、以虛助實(shí)，提高大學(xué)生工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新精神，并實(shí)現(xiàn)廣泛資源共享，擴(kuò)大輻射范圍。

中心研發(fā)了基礎(chǔ)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)了不具備真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件或?qū)嶋H運(yùn)行困難，涉及高危或極端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作以及大型綜合訓(xùn)練等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如“壓力容器高壓爆破實(shí)驗(yàn)”，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中高壓操作具有一定風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)一般采用教師演示，學(xué)生無法親手操作。通過建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可以清楚地觀察高壓爆破的過程和現(xiàn)象，還可以按照實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行模擬操作，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

研發(fā)了創(chuàng)新性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)開發(fā)了緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的需求，緊密結(jié)合專業(yè)特色、行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新成果以及教師的各類科研轉(zhuǎn)化的課題。如研發(fā)建設(shè)了與行業(yè)發(fā)展結(jié)合緊密的“煤粉鍋爐發(fā)電機(jī)組虛擬仿真系統(tǒng)”“典型石油鉆采設(shè)備節(jié)能技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，以及由教師科研成果轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)“密閉循環(huán)式氣浮實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)搭建及實(shí)驗(yàn)探究”“多機(jī)械臂同步控制實(shí)驗(yàn)平臺”等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將教學(xué)內(nèi)容與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，學(xué)生利用該平臺可開展具有個(gè)性化的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)研究，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

建立了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是開展實(shí)驗(yàn)分析研究的基本素材，中心將現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)實(shí)事件、文獻(xiàn)資料、典型案例和信息資料教學(xué)素材等進(jìn)行整合，建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，目前中心已經(jīng)建立包含上百個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，對于提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力具有促進(jìn)作用。

建立了精品實(shí)驗(yàn)案例資源庫，凝煉精品項(xiàng)目，緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展熱點(diǎn)問題和教師科研成果提煉，整合設(shè)計(jì)優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)案例，建立了案例資源庫。目前中心已建立如“多機(jī)械臂同步控制實(shí)驗(yàn)”“振動(dòng)信號的測試分析”“旋轉(zhuǎn)機(jī)械典型故障模擬實(shí)驗(yàn)”等十幾個(gè)精品實(shí)驗(yàn)案例，對于發(fā)揮優(yōu)勢學(xué)科特色、培養(yǎng)復(fù)合型人才具有重要意義。

中心開發(fā)了遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過遠(yuǎn)程終端可實(shí)時(shí)操作控制遠(yuǎn)程的硬件設(shè)備實(shí)體，能夠得到真實(shí)客觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且通過視頻反饋能夠觀看實(shí)際實(shí)驗(yàn)場景，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作的真實(shí)性。遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)作為一種嶄新的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)，彌補(bǔ)了仿真與虛擬實(shí)驗(yàn)的不足，在實(shí)現(xiàn)軟件共享的同時(shí)，更重要的是做到了實(shí)驗(yàn)硬件資源共享。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)把實(shí)驗(yàn)的“時(shí)間、空間、深度、廣度”最大限度地延伸。目前實(shí)驗(yàn)中心已開發(fā)的實(shí)驗(yàn)有“單容水箱液位PⅠD 控制實(shí)驗(yàn)”“水箱液位流量串級控制實(shí)驗(yàn)”等十幾個(gè)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺建設(shè)

建立了開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，包含公告信息、課表查詢、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、報(bào)告提交、在線測試系統(tǒng)、交流互動(dòng)等內(nèi)容。不同專業(yè)的學(xué)生通過平臺可以預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、時(shí)間、地點(diǎn)，查詢實(shí)驗(yàn)成績，打破了班級的界限，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率，改變了過去按同一模式進(jìn)行教學(xué)的方式，有利于因材施教，提高學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)探索和創(chuàng)新精神，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開放式教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)可使教師從繁雜的學(xué)生實(shí)驗(yàn)安排工作中解脫出來。

設(shè)置交流互動(dòng)模塊，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到疑問難點(diǎn)，可在線提問，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師進(jìn)行定時(shí)答疑解惑，低年級學(xué)生可以通過查閱高年級學(xué)生提出的問題，對提出問題進(jìn)行探討，使問題的深度、廣度得到進(jìn)一步拓展，進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)效果。

2.2.3 公共信息發(fā)布平臺建設(shè)

該平臺能夠發(fā)布實(shí)驗(yàn)中心的師資隊(duì)伍、管理制度及運(yùn)行機(jī)制、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)室信息、教學(xué)資源信息、取得的教學(xué)成果、教學(xué)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等。訪問者可通過公共信息發(fā)布平臺，清楚明了地瀏覽實(shí)驗(yàn)中心的基本狀況和基本數(shù)據(jù)。同時(shí)有利于中心的對外交流，加強(qiáng)對中心的宣傳，促進(jìn)中心的發(fā)展。

3 應(yīng)用效果

新能源網(wǎng)絡(luò)化共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺已經(jīng)在網(wǎng)上面向全校師生開放，主要應(yīng)用在新能源科學(xué)與工程專業(yè)、儲能科學(xué)與工程專業(yè)、能源與動(dòng)力工程專業(yè)、過程裝備與控制工程專業(yè)、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、環(huán)保設(shè)備工程專業(yè)等專業(yè)共2 000 余人的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。該平臺打破了專業(yè)間、課程間的界限，整合了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提高了學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)效率。平臺在基本資源的基礎(chǔ)上，開發(fā)了拓展教學(xué)資源，為拓寬學(xué)生視野、提高工程意識和創(chuàng)新能力提供了有力支撐。同時(shí)功能先進(jìn)的教學(xué)管理平臺，有效地提高了實(shí)驗(yàn)管理的信息化水平和資源的利用率，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。