面向自主學(xué)習(xí)的虛擬實驗體系構(gòu)建探索

翁振雷

摘要：針對當(dāng)前實驗實訓(xùn)教學(xué)效率低下等問題，探索加強學(xué)生工程及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗實踐教學(xué)模式的改革。建設(shè)以數(shù)字化學(xué)習(xí)資源、虛擬儀器、虛擬實驗等輔助教學(xué)為內(nèi)容的實踐教學(xué)平臺，以此形成一個新型虛實結(jié)合實驗學(xué)習(xí)環(huán)境。搭建滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需要的資源豐富、特色鮮明的自主學(xué)習(xí)服務(wù)，激發(fā)學(xué)生在實驗實訓(xùn)過程中以“驗證”為主向以“創(chuàng)新”為主轉(zhuǎn)移。

關(guān)鍵詞：自主學(xué)習(xí);實驗教學(xué);虛擬實驗

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0132-02

Abstract： In view of the low efficiency problems of experimental teaching， we explore the reform of the experimental practice teaching mode to strengthen the training of students' engineering and innovation ability. The paper proposes to construct teaching platform with digital learning resources， virtual instrument， virtual experiment teaching content， so as to form a new type of combining virtual learning environment. Building the autonomous learning services to meet the needs of students' autonomous learning with rich resources and distinctive features， we inspire the students motivation transfer from "verifying" to "innovation" in the process of experimental training.

Key words： autonomous learning; experiment teaching; virtual experiment

實驗教學(xué)改革是研究探索型教學(xué)、基于問題學(xué)習(xí)的突破口，實踐能力培養(yǎng)為創(chuàng)新型高素質(zhì)工程人才培養(yǎng)的著力點。傳統(tǒng)的計算機控制技術(shù)實驗設(shè)備存在著投入成本高、使用率低等問題。隨著通信和計算機技術(shù)發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗平臺和遠程實驗操作平臺建設(shè)由于不受時間和空間的限制，具有得天獨厚的開放、共享性，是未來發(fā)展的重要趨勢。虛擬實驗[1]是指借助于多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機上對傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的模擬和仿真，實現(xiàn)基于虛擬儀器的開放的虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計和實踐。能為不同年級、專業(yè)、不同興趣和愛好的學(xué)生提供更寬廣的實驗平臺和支撐協(xié)同創(chuàng)新、虛實結(jié)合的自主實驗環(huán)境，成為工程人才培養(yǎng)的重要支撐平臺。開放式虛擬實驗對于強化學(xué)生的動手能力和工程適應(yīng)能力，全面提升學(xué)生工程技術(shù)的綜合素質(zhì)具有重要意義[2]。

1 架構(gòu)體系

本文以提升學(xué)生工程能力、創(chuàng)新能力和綜合能力為目標(biāo)，創(chuàng)新工程人才培養(yǎng)模式，重點開展融入信息化技術(shù)的工程人才理論教學(xué)、實驗和實踐教學(xué)以及綜合育人模式的改革，實現(xiàn)信息化與工程教育的深度融合，支持學(xué)生自主知識構(gòu)建，支持協(xié)作式、探究式、移動式和研究性學(xué)習(xí)，重視課前教學(xué)、強化課中教學(xué)、拓展課后教學(xué)，提供課程教案獲取、答疑、移動訪問的交流溝通，加強知識關(guān)聯(lián)，提供個性化推送服務(wù)，建設(shè)自主開放、虛實結(jié)合的實驗和實踐教學(xué)平臺。從而提升學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力和綜合能力;在以信息化技術(shù)提升創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)的方面進行改革、實踐并取得突破。

為了實現(xiàn)培養(yǎng)模式改革的目標(biāo)，需要在資源庫等方面給予支撐，構(gòu)建涵蓋虛擬儀器資源、文獻資源、精品課程和實驗資源的優(yōu)質(zhì)共享數(shù)字資源庫為主要內(nèi)容，已各類在線學(xué)習(xí)服務(wù)、虛擬社區(qū)為自主學(xué)習(xí)平臺的架構(gòu)體系，如圖1所示。

與傳統(tǒng)教學(xué)方式完全不同，開放式虛擬實驗對于強化學(xué)生的動手能力和工程適應(yīng)能力，全面提升學(xué)生工程技術(shù)的綜合素質(zhì)具有重要意義。運行平臺建設(shè)是實驗室信息化建設(shè)過程中的一項基礎(chǔ)性工作，優(yōu)質(zhì)實驗資源庫建設(shè)、平臺開放共享服務(wù)是資源開放共享的深入階段，虛擬實驗構(gòu)建和實驗?zāi)Ｊ絼?chuàng)新是實驗室信息化建設(shè)的高級階段[3]。熟練使用信息化教育教學(xué)手段也是信息類專業(yè)學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的重要組成部分。

2 開放式虛擬實驗環(huán)境構(gòu)建

2.1 實驗資源庫構(gòu)建

充實更新教學(xué)資源內(nèi)容開發(fā)，按學(xué)科或其他內(nèi)在關(guān)系形成資源庫，以課程為組織單位，實現(xiàn)全庫搜索查詢及數(shù)據(jù)挖掘，完善教學(xué)資源元數(shù)據(jù)編建工作，為校際及區(qū)域共享做準(zhǔn)備。加大校內(nèi)外各種教學(xué)資源的積累與整合，建立教學(xué)資源庫，積極尋求校際、區(qū)域間的資源共享;突出學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的自主地位，為本科教學(xué)工作提供一個手段多樣內(nèi)容豐富的統(tǒng)一教學(xué)平臺。如文獻[3]對電子電路實驗教學(xué)資源進行了構(gòu)建。杭州電子科技大學(xué)依托學(xué)校各類實驗教學(xué)示范中心，遴選典型實驗項目、科研成果資源，以學(xué)科為線索，按專業(yè)分類，構(gòu)建專業(yè)實驗項目虛擬庫、遠程控制實驗、數(shù)字化實驗室，完成信息類新興產(chǎn)業(yè)專業(yè)教學(xué)典型實驗資源庫構(gòu)建。資源庫將依托云計算子系統(tǒng)和云存儲子系統(tǒng)建設(shè)，將海量資源放置于云存儲系統(tǒng)上，為校內(nèi)的業(yè)務(wù)部門提供統(tǒng)一的資源共享和交流平臺。

2.2 基于虛擬儀器技術(shù)的實驗平臺

借助網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠程登錄，采用虛擬儀器平臺開發(fā)模擬的實驗系統(tǒng)，開展各種仿真模擬實驗，虛擬儀器模擬顯示實驗設(shè)備，具備軟件即為硬件設(shè)備的功能;學(xué)生利用個人計算機進行控制算法仿真，再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳送給真實的實驗裝置，并通過遠程實驗系統(tǒng)獲? ?實時測量數(shù)據(jù)，以驗證控制算法和技術(shù)的可行性、先進性，以開展創(chuàng)新性學(xué)習(xí);學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)進入真實的實驗裝置，通過視頻信息和在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實時觀測實驗過程，得到真實的實驗結(jié)果;學(xué)生甚至可以通過遠程控制技術(shù)，對實驗儀器設(shè)備進行操作，并遠程觀測實驗過程與結(jié)果，并實時采集實驗數(shù)據(jù)，在客戶端計算機上完成數(shù)據(jù)分析和處理[4]。

改變以往固定實驗箱教學(xué)模式，按課程由教師建立網(wǎng)絡(luò)元件庫和實體元件庫，教師在網(wǎng)上布置實驗要求，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)選擇元器件自主設(shè)計實驗并仿真，經(jīng)教師確認后學(xué)生選好實驗時間到指定的實驗室領(lǐng)取元器件獨立完成實驗?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗平臺可以滿足科研教學(xué)對分布式實驗系統(tǒng)的要求，還可以解決實驗設(shè)備、實驗場地等實驗教學(xué)資源不足的問題。

2.3互助式的虛擬實驗社區(qū)平臺

實驗室信息化建設(shè)為實驗興趣教學(xué)、實驗創(chuàng)新教學(xué)、實驗開發(fā)應(yīng)用教學(xué)提供廣闊的空間，適應(yīng)大眾化辦學(xué)時代、開放性辦學(xué)趨勢。在學(xué)校實驗室與大型儀器開放共享管理系統(tǒng)下，讓學(xué)科專業(yè)精英引導(dǎo)同學(xué)自主、研究型學(xué)習(xí);以強化工程能力為導(dǎo)向，通過網(wǎng)上實驗項目建設(shè)以及在線能力測評系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，構(gòu)建交互式網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)環(huán)境，精講多練，融理論教學(xué)與實踐教學(xué)之中，在“做中學(xué)、做中研”以及“基于項目的學(xué)習(xí)”，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力和學(xué)習(xí)主動性。建設(shè)管理內(nèi)容包括實驗課程資源、競賽專題、積分排名、學(xué)科專業(yè)精英等[5]。

3 支持自主學(xué)習(xí)的開放式社區(qū)

3.1在線自主學(xué)習(xí)服務(wù)

探索融入信息化技術(shù)的工程人才培養(yǎng)教學(xué)模式的改革，通過構(gòu)建一個網(wǎng)上網(wǎng)下、課內(nèi)課外和理論實驗互動的一體化綜合學(xué)習(xí)社區(qū)[6]。

搭建滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需要的功能全面、資源豐富、科學(xué)有效、特色鮮明的網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)服務(wù)。充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)向自主學(xué)習(xí)個體提供多樣化的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，以及自主學(xué)習(xí)所需的知識管理及學(xué)習(xí)過程管理服務(wù)，結(jié)合教育社交網(wǎng)絡(luò)在校園范圍內(nèi)實現(xiàn)促進教學(xué)資源的創(chuàng)建、分享、整合，并試點數(shù)字化課程教材，突破時空限制，滿足學(xué)生全方位的自主學(xué)習(xí)需求。

以杭州電子科技大學(xué)程序設(shè)計在線自主學(xué)習(xí)與評測系統(tǒng)（簡稱HDOJ，即HDU Online Judge）為例，系統(tǒng)上線以來一直應(yīng)用于我校高級語言程序設(shè)計課程的教學(xué)（包括C語言程序設(shè)計、C++程序設(shè)計、Java程序設(shè)計、ACM程序設(shè)計等相關(guān)課程），平臺題庫題目5300多道，注冊用戶數(shù)量30萬多個，課件下載數(shù)量16萬多次，系統(tǒng)總提交量1500萬多次。除應(yīng)用于課堂教學(xué)外，平臺還承載了眾多的程序設(shè)計競賽。該平臺能夠?qū)Τ绦虼a進行評判，同時提供海量題庫供學(xué)生練習(xí)不僅可以自動生成需要的試卷，而且可以自動評判編程題;不僅支持判斷題和選擇題等客觀題的自動評測，也支持程序填空題和程序設(shè)計題等傳統(tǒng)的主觀題的自動評測。通過自主學(xué)習(xí)平臺，徹底改變傳統(tǒng)的程序設(shè)計類課程的編程練習(xí)和考試模式。

3.2 基于社交網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)社區(qū)平臺

社交型學(xué)習(xí)社區(qū)的建設(shè)，旨在利用運用社交網(wǎng)絡(luò)整合學(xué)校各方資源與服務(wù)，提供一個讓學(xué)?；顒拥母黝悈⑴c者平等交流互動的平臺。而具體運用到學(xué)習(xí)活動的開展上，最具體的實踐應(yīng)用即是能讓學(xué)生在課堂之外討論跟課堂內(nèi)容相關(guān)的話題。使用年輕群體喜聞樂見的社交媒體形式進行這類互動往往沒有課堂的嚴肅，刻板，以及對時間的限制，可以讓學(xué)生在一種自由，放松的狀態(tài)下發(fā)表自己的看法，分享自己的信息，在無形中對所學(xué)內(nèi)容做一個復(fù)習(xí)，拓展和深入。以往在傳統(tǒng)教學(xué)中，缺少一種強大的機制，讓學(xué)生之間能在課后還聚在一起就某個話題進行深入討論。而且基于某個課堂話題的討論針對性更強，因為它們實際上是屬于教師在線下發(fā)起一個話題，意猶未盡的學(xué)生在線上討論補充，而且假如未來教育社交網(wǎng)絡(luò)健康發(fā)展，那么理想情況下還會有教師在下一次課對線上信息的總結(jié)和呈現(xiàn)，構(gòu)成一個從線下到線上再到線下的良性循環(huán)[7]。

3.3 基于云計算的社區(qū)移動

移動學(xué)習(xí)的實現(xiàn)主要通過社區(qū)平臺的移動接入建成[8]。社區(qū)平臺將配套開發(fā)建設(shè)移動版及專用移動客戶端，實現(xiàn)學(xué)生用戶對社區(qū)平臺的跨平臺多終端無縫接入，在線或離線方式獲取使用社區(qū)平臺在云端整合提供的各類教學(xué)資源及服務(wù)，進行自主學(xué)習(xí)計劃和事務(wù)辦理，通過社區(qū)參與交流與分享等。而其他社區(qū)用戶，比如管理部門則可以通過移動客戶端進行重要通知公告等信息的發(fā)布推送，教師用戶也可以將課程知識點做成適合移動網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的移動課件通過客戶端向?qū)W生用戶進行推送，在線指導(dǎo)學(xué)生進行學(xué)習(xí)，在線與學(xué)生進行交流等。

移動學(xué)習(xí)的開展不僅將為學(xué)生提供一種新型的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量得到提高，讓教學(xué)資源的利用效率得到提升，還可以提升學(xué)校對學(xué)生的服務(wù)質(zhì)量，使學(xué)校管理水平邁上新的臺階。

4 結(jié)束語

通過面向自主學(xué)習(xí)的虛擬實驗學(xué)習(xí)環(huán)境的有效構(gòu)建，進一步將實驗實訓(xùn)從以“驗證”為主向以“創(chuàng)新”為主轉(zhuǎn)移，進一步強化學(xué)生的動手能力和工程適應(yīng)能力，全面提升學(xué)生工程技術(shù)的綜合素質(zhì)。探索和推廣實驗資源精品化、實驗資源網(wǎng)絡(luò)化、實驗活動遠程化、實驗管理信息化為特征的實驗教育信息化模式，凝練實驗教學(xué)個性化、實驗學(xué)習(xí)自主化、多學(xué)科實驗協(xié)作化的現(xiàn)代工程實驗教育品質(zhì)，打造高校實驗室建設(shè)管理信息化品牌。我校對實驗教學(xué)創(chuàng)新模式進行了探索，大力推廣“以學(xué)生的學(xué)習(xí)為中心、關(guān)注課內(nèi)外一體化學(xué)習(xí)、關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果”的課程教學(xué)理念，努力促進實驗教學(xué)由單一實驗向綜合性實驗的轉(zhuǎn)變;實物實驗向虛擬實驗與實物實驗相結(jié)合的轉(zhuǎn)變;由實驗室向互聯(lián)網(wǎng)場所的轉(zhuǎn)變。

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【通聯(lián)編輯：王力】