建筑材料參與型演示實驗網絡教學課件的開發

宋春紅　趙麗妍

【摘要】開發網絡實驗教學資源對于現代遠程高等教育開展實驗教學起著巨大的作用。文章分析了網絡實驗教學資源的主要形式及特點，針對演示實驗教學課件學生參與較少、虛擬實驗教學系統與遠程控制實驗教學系統開發費用較高且開發周期較長的問題，提出了參與型演示實驗的形式，著重介紹了大連理工大學現代遠程高等教育對建筑材料參與型演示實驗網絡教學課件的開發情況，總結了完成情況以及存在的問題，旨在為現代遠程高等教育網絡實驗教學資源建設提供參考。

【關鍵詞】建筑材料；參與型演示實驗；網絡教學課件

【中圖分類號】G420【文獻標識碼】A【論文編號】1009－8097(2012)09－0116－04

引言

國家中長期教育改革與發展規劃中，明確提出高等教育要“強化實踐教學環節”，現代遠程高等教育作為我國高等教育的重要組成部分，無疑也應將此作為教育改革的一個重點。現代遠程高等教育主要定位于應用型人才培養，學生大多為在職從業人員，本身都在隨崗實踐，但隨崗實踐不能取代實驗教學環節，實驗教學環節作為現代遠程高等教育實踐教學環節的重要組成部分，是實現應用型人才培養目標不可缺少的重要環節。通過實驗教學環節，不僅能使學生掌握實驗的基本方法和基本技能，提高實際操作能力，而且有利于培養學生的觀察能力、思維能力、分析能力及創新能力，使學生的實踐綜合素質得到普遍的提高。實驗教學還可幫助學生理解和鞏固所學知識，對培養學生理論聯系實際的學風、實事求是的科學態度和探究問題的科學方法都具有重要意義。

然而，現代遠程高等教育開辦多年來，工科教學一直存在瓶頸，主要原因就在于實驗教學環節難以落實。目前，大多數高校的現代遠程高等教育避免開設實踐要求強的工科專業，少數在現代遠程高等教育開設工科專業的高校，帶有實驗功能的遠程教學平臺極少，且開設的實驗種類和實驗深度都不及普通高校。由于現代遠程高等教育師生在時間和空間上相分離，學生分散在全國各地，量大面廣，再加上工學矛盾，將所有學生全部集中到高校實驗室來完成真實實驗不太現實，而很多校外學習中心因場所或儀器設備缺乏不能提供真實實驗的教學條件，導致現代遠程高等教育照搬傳統真實實驗教學模式存在難以實施的困難，實驗教學無疑成了現代遠程高等教育的薄弱環節。為此，迫切需要開發適用于現代遠程高等教育的網絡實驗教學資源。

一網絡實驗教學資源的主要形式及特點

現代遠程高等教育網上實驗常見的形式主要包括演示實驗、虛擬實驗與遠程控制實驗，與之相對應的網絡實驗教學資源包括演示實驗教學課件、虛擬實驗教學系統與遠程控制實驗教學系統。

1、演示實驗教學課件

演示實驗教學課件是指將真實環境中的實驗教學過程拍攝成錄像后制作的實驗教學課件。這樣的演示實驗教學課件，既有教師講解，又有教師對整個實驗的演示操作過程，效果直觀形象，同學們可以在網上學習演示實驗教學課件，并按照實驗要求完成實驗報告。如此使學生掌握整個實驗的目的、內容、步驟以及操作過程，加深對理論知識的理解，特別演示實驗教學課件還可以展現實驗室中難以觀察到的實驗現象及與之相應的實際應用，擴大了學生的視野，開闊了學生的思路，能夠取得真實實驗不能取得的一些功效。演示實驗教學課件投入成本低，制作周期短，雖然缺乏學生親自操作實驗與讀取實驗數據的過程，無法達到和真實實驗教學相同的效果，但還是能夠為學生提供如同在實驗室觀看實驗一般身臨其境的感受，使學生對實驗有一個全面的了解與認識，因此可以作為目前現代遠程高等教育實驗教學的一種非常重要的教學資源。

2、虛擬實驗教學系統

虛擬實驗教學系統是指利用計算機技術、仿真技術和虛擬現實技術等在計算機上建立虛擬實驗室環境，提供可操作的虛擬實驗儀器，使學生在互聯網上通過接近真實的人機交互界面完成實驗，同時提供網絡實驗教學的一體化管理功能。如北京郵電大學已開發出計算機網絡、信號與系統、電路分析、數字電路、模擬電路、高頻電子線路、Linux操作系統等虛擬實驗教學系統。虛擬實驗教學系統一方面允許網絡學生同時在線操作實驗，另一方面可以將復雜的實驗過程抽象化，將實驗儀器簡單化，大大提高了網絡實驗的可操作性。但是虛擬實驗本身存在一定問題：一，虛擬實驗只能模擬出驗證類實驗，所得到的數據多為預先設計好的；二，無論采取哪種技術都將不同程度的面對交互性不足、控件下載或開發維護費用高等難題；三，難以完成大量實驗的快速更新和修復，加大了現代遠程高等教育網絡實驗教學資源的開發費用。

3、遠程控制實驗教學系統

遠程控制實驗教學系統是利用計算機多媒體技術和通訊技術，將異地實驗室真實的實驗設備及控制系統，轉換成圖像、聲音、狀態等，并通過多種媒介方式傳輸到學生計算機中，參加實驗的學生可以在自己的計算機中按規則控制操作遠程控制實驗室中的實驗設備，而實驗設備執行操作的過程和結果又實時地回傳給學生，使參加實驗的學生如同身臨其境，取得和親自到實驗室現場做實驗相同的效果，這可實現各高校實驗設備最優化的組合，做到資源共享。如大連理工大學電工教研室與麻省理工大學合作，與之建立了遠程網上實驗基地。在大連理工大學校內設置服務器與麻省理工實驗中心的實驗室相連。每位學生可以在任意一個計算機終端登錄校內服務器，訪問麻省實驗室。同學們可以在終端設置實驗參數，通過網絡遠程控制麻省理工大學實驗室的真實儀器。實驗室完成操作后會在短時間內將實驗結果及數據返回至該學生所使用的終端。但遠程控制實驗對傳感器、執行機構和網絡環境有著比較高的要求，比如要求全部實驗儀器的電氣化以及較高的可控性，普通的工科網絡教育實驗很難達到這一標準，且一個實驗室無法同時接受多組學員在線操作，為應對網絡實驗教學的要求，必須建設多個實驗室。這些都是限制遠程控制實驗在現代遠程教育體系下發展的瓶頸。

二參與型演示實驗網絡教學課件開發的必要性

工科專業的實踐性和應用性很強，涉及的實驗種類也很多，以土木工程專業為例，包含的常規實驗項目就有三十多項。目前國內現代遠程高等教育主要圍繞醫學、機械、電子、通信、計算機類主要專業課程進行了虛擬實驗教學系統的開發，且開發的實驗項目較少，而遠程控制實驗教學系統則主要應用于控制學科領域，應用范圍較窄。因此，現有的虛擬實驗教學系統和遠程控制實驗教學系統，遠遠滿足不了現階段工科專業遠程實驗教學的要求。由于虛擬實驗教學系統和遠程控制實驗教學系統開發費用較高且開發周期較長，現階段不可能對現代遠程高等教育工科專業的實驗教學全部實現虛擬實驗教學或遠程控制實驗教學，還需要進行大量的演示實驗教學。因此，工科專業演示實驗網絡教學課件的開發成為現階段我國現代遠程高等教育的必要選擇。

考慮到單純的演示實驗教學課件通常只是讓學生觀看實驗過程與現象，學生參與較少，學生學習的積極性不高，為此，大連理工大學現代遠程高等教育結合工科專業實驗的特點及其實際辦學條件，提出了參與型演示實驗的形式，該實驗形式除了讓學生觀看實驗過程與現象外，還需要學生參與其中，即通過鼠標或鍵盤操作讀取實驗數據，進行數據記錄與處理，最終完成實驗報告。該實驗形式除了不能讓學生真實操作實驗外，在聽取教師講解實驗、觀察實驗現象、實驗數據讀取與處理以及實驗報告書寫方面都使學生獲得了和現場真實實驗一樣的體驗。實現參與型演示實驗教學需要配備相應的參與型演示實驗教學課件。為此，需要進行參與型演示實驗網絡教學課件的開發。

三建筑材料參與型演示實驗網絡教學課件開發

為實現參與型演示實驗教學，大連理工大學現代遠程高等教育利用近兩年的時間進行了部分工科專業參與型演示實驗網絡教學課件的開發，主要開發環節包括確定參與型演示實驗網絡教學課件制作的要求與內容、書寫實驗錄制腳本、現場實驗錄制、實驗課件后期制作與配音等。這里主要就其中的建筑材料參與型演示實驗網絡教學課件的開發與完成情況進行論述。

1、課件制作的要求與內容

(1)課件制作的要求

①為滿足不同基礎和不同理解能力學生的不同需求，要求教師對實驗目的、實驗原理、實驗儀器與設備、實驗步驟、實驗數據記錄與處理等內容作詳細講解，讓學生知其所以然、有理有據可依。

②為營造出與學生親自參加實驗操作相近的氛圍和效果，要求實驗操作規范、詳細。

③為準確、無誤地將整個實驗過程展現給學生，要求推敲各細節的表現手段，充分利用多種技術，使實驗過程更直觀、細節部分更突出。

④為便于學生準確讀取實驗數據，觀測實驗現象，并將其填寫到實驗報告中，要求注重實驗結果與實驗現象的展示方式。

(2)課件制作的內容

建筑材料參與型演示實驗選自于建筑材料課程中最基本、最重要的實驗內容，即水泥實驗與混凝土實驗，其中水泥實驗包括水泥技術性質與力學性能檢驗，混凝土實驗包括混凝土技術性質和成型養護方法、混凝土拌合物性能、力學性能檢驗與評定。課件內容主要包括實驗目的、實驗依據、實驗儀器與設備、原材料及實驗原理講解，實驗過程及實驗結果展示，實驗數據處理與結果評定，實驗報告書寫等幾個方面。不同于一般專業的實驗，由于建筑材料實驗操作細節多，對不同的細節需采用不同的手段來更好的表現。因此，大連理工大學現代遠程高等教育在實驗視頻錄制前就對各細節的表現方式進行了精心設計，旨在更簡明生動地展示實驗過程，更直觀地觀測到實驗現象和結果，最終讓學生更容易、更深入地理解和掌握實驗內容。

2、課件完成情況及存在問題

(1)完成情況

經過對實驗內容的細致分析，分別對不同實驗步驟、過程和現象進行了具體表現形式的設計，課件在配有實驗操作視頻的同時，重點內容以演示文稿輔助展示，同時還配有教師的連貫講解，清晰流暢，視頻、音頻、文稿及實驗報告高度關聯。主要優點總結如下：

①結合視頻、音頻、文字、圖片、多媒體技術等手段來全面展現整個實驗過程。課件的屏幕由視頻區、導航區、演示文稿展示區三個區域構成，如圖1所示。通過演示文稿來展示實驗目的、依據、原理、儀器與設備、材料、步驟、結果、數據處理與分析等理論內容及靜態實驗結果；通過視頻部分來展示詳細的實驗操作及實驗現象；通過導航條便于學生找到相應的實驗內容，使學生根據興趣和對實驗的理解情況自主選擇相應的內容進行重復觀看，增加了課件的可讀性。

②采用“畫中畫”的方式來同步突出展示一些重要的細節操作，使實驗過程更直觀、細節部分更突出，如圖2所示。

③對于重點內容進行指示性說明，最大程度地表達清楚實驗結果，如圖3所示。

④實驗講解非常細致，基本每一條注意事項及每個實驗結果及讀數方法都在演示文稿中配有文字說明。

⑤不同于一般演示實驗，建筑材料參與型演示實驗網絡教學課件將實驗結果詳盡地展示出來了，學生可直接在視頻或演示文稿中讀到詳細的實驗數據，填寫到實驗報告中。

(2)存在的問題

①實驗結果的“單一化”。由于參與型演示實驗的操作過程源于一個獨立的實驗，其實驗結果是確定的。因此，觀看參與型演示實驗課件的每個學生得出的實驗結果和結論也必定是相同的，這就造成了實驗結果的單一化。

②全程，“無錯誤”操作。由于參與型演示實驗只展示了一個正確的操作過程，無法反映實驗結果的隨機性，也無法表現學生在親自參加現場實驗過程中所遇到的實際問題，只能使學生被動地接受“正確、順利”完成實驗這一現實，也就不便于更好地發現問題。

四結論與展望

諸如建筑材料這類實踐性和應用性較強的工科實驗，經過對實驗內容和表現形式的精心設計，開發出來的參與型演示實驗網絡教學課件在一定程度上彌補了一般演示實驗網絡教學課件的不足，滿足了目前現代遠程高等教育網絡實驗教學的需求，達到與學生親自進行真實實驗操作相類似的效果，且參與型演示實驗網絡教學課件可以重復觀看，應用性和實用性更強。但是從其實驗過程的正確性和單一性上來看，也存在一定的局限，無法完全達到學生參加現場實驗的效果。

針對前面所提到的問題，大連理工大學現代遠程高等教育將對參與型演示實驗網絡教學課件進行進一步完善：

(1)進一步利用多種技術手段，使學生不僅可以在屏幕上看到詳細的實驗展示過程，還可以對部分內容進行虛擬操作，針對學生的錯誤操作，系統給出錯誤提示和分析結果，并給出相應的改進建議，由學生進行改進后繼續實驗，直至合格。

(2)進一步完善教學實驗數據庫，組成具有多個結果的實驗，使學生能夠對部分實驗內容進行個性化設計，比如選擇不同指標的實驗材料，使用不同的處理方法，進而得出幾類相對不同的實驗結果，這樣可以在增加網絡實驗隨機性、個性化的同時，同時增加實驗課的趣味性，學生的創新能力也會得到相應的培養。