新技术驱动下的高校实验教学发展及研究综述

郭颖奇， 肖 勇

(四川大学 电气信息学院，成都 610065)

新技术驱动下的高校实验教学发展及研究综述

郭颖奇， 肖 勇

(四川大学 电气信息学院，成都 610065)

随着大量计算机新技术的涌现，高校教学实验在与计算机技术的结合下得到了前所未有的发展。结合计算机新技术应用于实验教学的发展历程，探讨高校实验教学在新技术发展驱动下的特点及面临的问题和矛盾。探索基于虚拟技术和云计算技术下的创新型实验教学的发展方向，以及在此基础上延伸的教学新思路、新方法、新模式。最后提出以提高教学质量为目标、以开放共享为依托促进高校实验教学改革的相关建议。

实验教学； 计算机新技术； 虚拟技术； 云计算

0 引 言

如何将现代计算机技术更好地运用在高校实验教学当中，使之更加符合高校实验教学的特点和要求，最终实现提升教学效果一直是人们关注的热点之一。如今，网络通信技术、多媒体技术、虚拟仪器和云计算等先进技术逐步被应用到高校的教学中。为了提高和改善实验教学水平，高校的教育者们从未停止过对新技术的研究和对教学的改革。目前，虽然大多数高校早已不再是基于单机加投影仪的初级实验教学方式，但如何合理利用新技术构建实验环境，有效支撑实验环节在整个教学过程中越来越突出的作用，使之与课堂教学模式，甚至与具体实验项目有机结合在一起，仍然是大家在不断探索和努力的方向。

1 新技术对实验教学模式的推动

随着信息技术在教育行业的普及，传统的教学模式和教学手段发生了巨大的变化，深刻的影响着教与学的方式。根据教育部对中国教育信息化发展状况的相关调查统计表明：到2006年左右，高校的信息化发展主要是以硬件基础设施建设为主，教室联网率达到 48.2%, 安装有固定多媒体设备的教室的平均比例达到 31.2%， 有 13.7%的高校建成了无线局域网 (Wireless LAN), 有 41.7%的高校使用了网络教学系统[1]。该报告还设想在未来若干年内将计算机新技术与高校的理论、实践教学有机结合，建设理想的学习环境和构建全新的学习方式。彻底改变传统的教学结构与教学模式，让新技术融入到各学科的实验教学中，使之成为实验教学方式的重要支撑，为培养创新型人才做出贡献。通过长期的实践和摸索后，从高校实验教学中涌现出各种新方法、新模式和新思路。下面简要例举几种有代表性的教学模式及其主要特征，说明在各个时期计算机新技术对实验教学发展的推动作用。

(1) 多媒体教学是信息技术作为辅助教学工具应用最多和最广泛的方法之一。多媒体教学是以计算机技术为基础, 融入网络、通信、数字、传播等技术为一体[2],将文本、图形 、声音、影像等信息综合展现和利用的教学模式。它具有比传统课堂单一教授方式更加突出的交互性、随时性和空间性，大大丰富了课堂教学的知识量和信息量。该教学方式在出现初期和随后所发展的“课堂+网络”模式的阶段确实有利于提高高校实验教学质量, 促进了实验教学的发展。时至今日，多媒体教学仍是课堂教学的主要方式之一，并在新技术的发展驱动下不断改革和创新，继续深入发挥着功效。

(2) 以技术革新为基础的发现式学习和启发式教学。由于PPT和CAI课件的大量使用，加上诸如电子黑板、电子桌面教室和远程课堂等信息技术的采用，大大节省了教师的重复性劳动，从而使得单位时间内可传递的信息量大增[3]。发现式学习和启发式教学一个是学，一个是教，是相辅相成互动过程，是把实验变“验证性”为”实验性”甚至是“综合性”。学生在其中可以自由探索、发现并获取的大量信息，然后进一步分析、筛选和加工并为其所用。这不仅有利于培养学生思考分析能力，增强专业兴趣，启发以自主学习为目标的实践思维，更能逐渐发展和培养学生的创新精神和由被动接受知识变为主动获取知识的实验授课新模式。这种模式近年来受到不少的高校的推崇和应用，取得了不错的教学效果。

(3) 过去10年中，国内外专家学者倡导培养学生一种叫做”信息素养”的能力，目的是让学生在学习过程中通过主动地探索发现和亲身体验学会对大量信息的收集、分析和判断，从而增强思考能力和创造能力的“探究式”学习方式。与之相应的是教师依据授课目标、任务特征和学生特点建立一种动态的教学模式，被称之为“跟踪式”教学。“跟踪式”教学要求营造类似科学研究的教学过程，学生参与制定实验内容和收集实验信息，师生互助研究和利用信息分析等实验教学全过程。这一切都是建立在以计算机技术为主的高度自动化实验系统的基础上，并在其中有针对性地对学生进行暗示和启发教育[4]。

从上述可见，在已过去的一段时期中，计算机技术的发展给实验教学方式带来了很大影响。虽然不同高校实验教学模式的构建思路和过程不尽相同，但实验与理论教学二者相互促进、相互补充、两者同步建设，共同组成完整教学的思想是一致的。本文针对当前的新技术形势，结合高校实验教学的现状进行进一步的阐述。

2 新技术下实验教学面临的机遇与挑战

当前，高校实验教学模式的改革正在前所未有的分享着新技术带来的发展红利。在教育部实施的教育信息化相关战略部署下，高校实验室建设项目有序开展和进行。经过十几年的基础设施建设，如今已有如虚拟技术、云计算等新技术应用在教学实践的第一线，有效地提升了高校实验水平，增强了教学效果，但与之相应的教学模式和方法还鲜有报道。究其原因还是存在重硬件轻软件，重建设轻管理的固有思想影响，没有从根本上以发展的眼光和创新的思路来看待现有的实验教学。以计算机类实验为例，甚至还停留在单机操作或个人编程的初级认识阶段，没有意识到实验教学已经在计算机新技术和创新人才需求的双重推动下进入了一个更高、更新的层次。

2.1新技术下对实验教学的新定义

我校是国家“211、985工程”综合性重点高校，为贯彻教育部《面向21世纪教育振兴行动计划》的精神，学校于2001年启动“523实验室工程”对包括学院专业实验中心在内的全校各级实验类单位进行有层次有计划地建设。该工程耗时10余年，筹集2～3亿元资金集中力量完成包括创新型综合实验基地、实验中心和专业实验室在内的数十个建设项目。学校从实验教学改革、设备设施、实验教学师资和实验室管理制度等多方面建设彻底改变了本科实验室的落后面貌。学院的专业实验中心在建设中不乏引进和利用了目前的新技术、新设备、新软件等“三新”装备，例如某对象综合测试系统、微机监控试验台、过程控制系统实验装置、电力系统综合自动化试验台、仿真计算软件、智能电网实验平台、机器人系统、新能源发电系统等。这几乎是彻底的改变了专业实验的应用环境和实验内容，也为促进实验教学模式的革新提供了可能和机遇。另一方面对学生而言，实验过程已经不再是传统理解中的单机运行，也不只是在网络中进行简单的文件调用和数据访问。实验对计算机技术的应用不仅是在一些基础计算机类课程中，而是在专业课实验中与高新尖的大型实验系统相结合，辅助完成更高层次、更高难度的实践学习。特别是在我院电气工程学科领域，这些“三新”装备与现有的实验系统进行有机衔接，实现了诸如实际对象信号采集与控制、大型系统全过程模拟运行、高电压等级或高精度计算机状态控制试验、复杂网络数据运算等相关实验课程和实验项目。这些新实验内容的出现改变了以前有理论授课无实验环节，或是学生只能象征性观摩演示，而没有实际操作的课堂局面，从而大大丰富了实验内容，提高了学生创新能力、动手能力、分析能力，为培养综合能力和高层次人才发挥了不可替代的作用。

可以看到，当前的实验教学是一个复杂的、综合的、系统的实践教学过程。这是现代高等教育的需要，是培养满足国家建设的创新人才的需要，是社会进步发展的需要。

2.2新技术下实验教学改革面临的“三高”矛盾

新的情况总是伴随有新的问题出现。在学校推行新的教学计划改革指导方针下，要求更加重视实践环节，并要求实验在专业课教学计划中课时数占比不低于25%。同时加大对实验室建设的投入，添置更多的“三新”设备，这些工作对实验教学质量的提高起到极大的推动作用。但与之相对应的是“三高”问题及现象的出现，具体表现为如下3个矛盾：

(1) 高投入建设的实验室与实验教学效果欠佳的矛盾。专业类实验课所需的高新设备、高精设备、高价值设备，我们一般称之为大型及精密贵重仪器设备，我校实验室及设备管理处根据《精密贵重仪器和大型设备管理办法》将其定义为包括但不仅限于单价≥10万元人民币的仪器设备(含国家科委统管的2 3种)。从我院实际情况看，大型设备价值占设备总价值1/3，而数量只占总数2 000余台套的2.4%。大型设备的数量明显偏少，相对于每年近1 000人的学生规模和近10万学时的实验教学任务之间矛盾十分突出，学生人均可使用的仪器比例很低。实验室具备了高技术设备，必然会开出相应的更复杂、难度更大、更高级的实验项目。由于受到实验台套数和其他条件的限制，即使一些专业实验项目采用多人共用一台设备或分组实验的方式，还是达不到实验目标规定的效果[5]。另一方面是高危、高消耗实验的实际开出学时少、项目少，无法达到教学计划的最低比例要求。降低实验要求，减少实验学时必然导致实验效果大打折扣。从某种意义上看，现有的实验教学模式是受制于设备条件与满足教学大纲要求之间最终平衡的结果。

(2) 创新人才的培养和实验设备资源低效利用的矛盾。培养交叉学科的复合型人才需要资源共享，然而各实验室配置不均衡，专业、科研实验室相对独立，设备与项目均无定期交流机制，设备没有充分共享利用，两者之间存在矛盾。实验设备使用率低是目前高校普遍存在的问题，各院系、各实验室之间常常是封闭式管理，从而产生“小而全”的自成系统的实验体系。由于缺乏沟通和协作，形成了谁买—谁管—谁用的局面，在一定程度上制约了设备的使用率[6]。还有一部分则是因为实验计划学时制定过少，而使某些专用设备使用率不高，导致设备常处于闲置状态。或者是某些科研实验室自有设备因为各种原因只面对极少数师生，使用人群过于局限，受众太小。虽然学校已经开展了如卓越工程师计划、创新人才培养改革等教学实践，但由于上述情况的存在，很难说不是导致高层次复合型人才培养难度增加和成本增高的因素之一。当然也无法最大限度的发挥创新教学实践的效用。

(3) 越来越多出现的新技术设备与实验师资队伍建设相对滞后的矛盾。理论指导实践，实践又反过来验证理论。面对技术含量很高的大精设备，对实验教师和实验人员的业务素质与水平要求更高。如果教师没有及时更新知识，吸取新技术、新方法，轻者无法正确指导实验教学，重者还有引发安全等在内的教学事故。由于对一些设备的购入，实验教师没有做好充分准备，一般而言，为了保证教学安全，使用该类设备时会牺牲部分涉及高危情况的功能。这不仅不能有效地利用设备，而且还无法为学生带来创造性或创新性的学习过程。同时由于没有很好的消化吸收新设备，与之相配套的教学模式和课堂方法也很难形成。学生都是有备而来，会提出各种实质性的问题，作为指导教师，不但要有扎实的理论基础，还要有较强的动手能力与分析解决问题的能力。所以，建立高层次的实验室队伍是为教学服务的根本保证[7]。

3 深化基于虚拟技术和云计算的实验教学

为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》精神，根据《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》，2013年8月，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。从 2013 年到现在，教育部发文指导和推行高校虚拟仿真实验教学建设工作已经过去3年了，高校实验室依托虚拟技术和其他相关计算机技术进行建设工作正如火如荼的进行着。在此背景下，研究基于虚拟技术和云计算的开放性创新实验教学具有重要的现实意义，这即符合计算机技术发展的潮流，也是建设一流综合性大学的需要，符合“大众创新”的精神宗旨。以下是发展新技术驱动下的实验教学的两点认识。

(1) 虚拟技术+云计算服务教学实验。虚拟现实 (Virtual Veality)，是指利用信息技术手段构造出一个虚拟的环境，用户能够与这个环境交互，从而获得身临其境的感觉[8]。虚拟技术结合虚拟现实在实验教学中可以实现图形多维可视、对象仿真、模拟计算等，通过软件技术和人机交互实现现实教学中不可企及的实验效果。响应速度快、具备开放共享的虚拟系统来提升实验室已经成为大家的共识。虚拟化最初的目标是提高机器的使用效率[9]，云计算技术的出现正好增强和完善了这一功能。云计算是基于网络的一种服务提供模式，它通过网络提供动态、易扩展和虚拟化的资源和运算服务。周雪松等[10]概括了虚拟实验室的概念，即指由虚拟技术、网络技术等多媒体技术组成的一类以实现数据采集、分析的远程操作为目的的系统,包括相应的实验室环境、相关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。因此，虚拟技术加云计算已成为目前高校建设虚拟实验室的主流技术，具有开发性好、交互性强等特点。在教学实验方面，它不但解决了高校面临的实验设备不足、师资短缺等问题此外，对于一些成本高昂、存在风险，且难以在现实操作的实验也提供了模拟现实的学习途径，激发了学生学习兴趣，深化了学生对知识的理解，教学效果显著，为高校科研工作也作出了重要贡献。

(2) 更新实验教学观念，深化虚拟实验认识。受传统的实验观念的影响，很多学校和学生比较注重看得见摸得着的实体实验[11]。某些观点认为虚拟实验虽然具有人机交互的功能，仍然是高科技下只具有可视，但不具可感受和可触碰的影像虚化产物，甚至与早期出现的计算机软件仿真并无本质区别。从思想上把虚拟实验和传统实物实验区别看待，主观认为其只是一种补充和临时替代，没有从发展的角度看待新技术为教学实验带来的革新性改变。

从全国各高校虚拟实验室建设来看，在实验教学中充分开发和使用了虚拟实验技术，兼顾虚拟实验和真实实验的优势，实现了“虚实结合、优势互补”[12]教学方法与手段，出现了以此为基础的包括“自主式”“项目式”“探究式”在内的诸多创新型实验教学模式。湖南第一师范学院的杨建良提出电类基础课程的“虚实结合”实验教学、海军工程大学的熊先锋等提出基于虚实结合的PLC实验教学仪器设计实验、北京理工大学生命学院的顾昊提出生物学虚实结合实验教学模式研究等实践，这都是高教实验创新中利用新技术的代表。这进一步说明，无论是计算机专业类实验还是其他学科实验，深刻体会新技术的思想和特点，努力探索新技术的应用方法，真正做到“致知在格物”才能把高校实验教学建设得更优更好。

4 对基于新技术实验教学的几点建议

4.1创新实验教学应以提高教学质量为目的

作为培养学生重要实践能力的实验教学需要创新和发展，其过程必须要以目标为导向，以达到提高教学质量为最终目的。无论是教学教改还是实验教改、无论是技术方法改进还是模式创新都应遵循一个原则，那就是在技术条件的支撑下追求更优良的教学效果。实践证明，虚拟技术、云计算等新技术的应用促使了实验教学，特别是虚拟实验的全方位突破，不仅释放了教学潜能，而且还利于学生创新意识的培养，更好的促进新技术融入教学实验。在具体的操作中，要脚踏实地的做好实验的每一个步骤。在实验初期，从实验计划到实验教案的预制，从虚拟环境到实际条件的配置，从计算机软硬件的性能、操作方法的提前熟悉到相关的素材、耗材的预先准备等，尽可能的为实验教学创造良好的条件。在实验教学过程中，把实验细节与理论重点紧密的结合在一起，让学生真正在实验中感受验证过程，升华理论知识学习。通过实践过程学生越学越有兴趣，越学越有信心。

4.2依托新技术，不断优化和创新实验教学模式

在传统的教学模式中，老师与学生基本是一对多或一对一的教授，这种被动学习方式所存在的不足在很多文章中已有充分论述，这里不再重复。新技术为我们提供了新的实验教学环境，同时也带来了教学方法和理论创新的可能。“自主式”“项目式”“探究式”就是这些创新实验方法的典型代表。

以“探究式”教学为例，实验教学是以教师教学为主导，充分发挥学生的主体作用。教师要为学生的主动实验与积极参与创造条件，引导学生大胆思考与探索，从而发现问题、探讨问题、解决问题[13]。探究学习的主体可以是单个学生，也可以是一个学习小组。虚拟实验平台为此提供了便利，学生可以随时参与到实验中进行交流探究活动。同时，教师利用探究式学习可以将真实实验与虚拟实验进行合理整合，有利于综合性实验的开展。“项目式”教学是指让师生以团队的形式共同实施并完成一个完整的项目而进行的教学活动[14]。学生通过完成“实际项目”来加强对各种理论知识的理解，虚拟技术和云计算则为“项目”提供“实际”的对象和环境，计算机软件和网络技术则为实验提供了物理保障。在这些技术的共同协作下，实验全过程能在最大限度接近现实的基础上完成教学计划的既定内容。极大地丰富了实验教学体系，优化了实验教学资源。图1所示为创新虚拟实验教学模式优化设计图。

4.3开放共享是实验教学发展的主流方向

图1 创新虚拟实验教学模式优化设计图

教育部在信息化建设的十年发展规划中提出建立国家教育云服务模式的发展目标：充分整合现有资源，采用云计算技术，形成资源配置与服务的集约化发展途径，构建稳定可靠、低成本的国家教育云服务模式[15]。该规划的中心指导思想是对教学信息资源进行重组、优化与共享，提高实验教学资源的投资效益，实现以大型精密仪器为重点的实验开放新局面。从现实来看，实验的开放共享可以简单的理解为：利用先进的云计算技术将分散的软件资源整合在一起，以现有的硬件终端设备方便地共享这些资源。最新的发展趋势是：云计算的服务模式打破了网络共享资源仅局限于软件资源的局面，拓宽到了硬件资源[16]。微观视角看，是由其自身学科特点和教学规律决定；从宏观视角看，也是从教育资源合理配置到国有资产的充分发挥效益利用的顶层设计决定的。对于一个学院或者一个学校，云技术的共享模式能够降低直接购置资源的成本，在域内实现低成本条件下的大型精密仪器设备和特殊性实验教学软件的共享使用。目前，这方面的研究和实践都还属于试验性质，虽然某些单位取得了一些效果和成绩，但国内和业界还没有形成统一的标准和模式。正因为如此，全面摸索和研究实验的开放共享就更具现实意义。

5 结 语

综上所述，实验教学发展改革的趋势是注重学生应用能力的培养和加强实践能力的培养，使学生成为基础扎实、知识面宽、具有创新能力的高素质专科人才。这也是深化实验教学改革的核心所在。展望未来，新技术的驱动力会越来越强大，作为高教的参与者应顺时代潮流，不断探索实验教学新高度，为培养新世纪创新人才而努力。

[1] 李艳东.利用现代信息技术促进高校教学改革[J].现代情报,2007(3)：200-201.

[2] 刘 平.网络、多媒体技术与电大计算机实验教学新变革[J].内蒙古电大学刊,2002(6):20-21.

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[14] 王崇霞，张剑妹，赵晓丽，等.基于云计算的虚拟项目实验教学模式研究[J].计算机教育,2016(2):176-177。

[15] 教育部.关于印发《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》的通知[Z].中华人民共和国教育部教技[2012]5号文件,2012．

[16] 王 庆.云计算环境下的区域性高校实验教学资源共享[J].实验技术与管理,2014,31(9):187-191.

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

郭颖奇(1975-)，男，四川成都人，工程师，实验及设备秘书，主要研究方向为计算机网络实验技术、设备管理及实验室建设。Tel.:13808033367；E-mail:251063746@qq.com