工科專業數字化實驗開展的現狀及對策研究

常江 鞏雪 任嬋媛

摘 ? ?要：近年來，媒體融合技術發展迅速，傳統意義上的多媒體虛擬技術已逐漸被形式更加多樣、交互性更好的新媒體取代。將多種媒體形式與傳播媒介相融合，依托互聯網開展數字化實驗設計及實施，成為實驗教學研究的新方向和熱點。文章從工科專業實驗開展中遇到的問題出發，從加強實驗內容的數字化設計、實現實驗內容與媒體介質的融合及構建數字化實驗平臺三個方面提出了完善工科數字化實驗的對策，為后續開展相應教研實

踐奠定了基礎。

關鍵詞：數字化實驗;工科;媒體融合;對策

中圖分類號：G642.3 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2019）010-0055-02

數字化實驗是以真實實驗為基礎，借助計算機來完成部分或全部功能的實驗[1]。國際上數字化實驗主要有兩類：一類是微型計算機實驗室，另一類是虛擬仿真實驗室。自1984年美國馬薩諸塞州劍橋學院技術研究中心的Tinker提出數字化實驗構想以來，經過三十多年的不斷發展，數字化實驗在遠程實驗室建設、數字化實驗技術整合和開發研究方面取得了大量的成果。我國也在1999年左右開始了以虛擬實驗教學為代表的數字化實驗探索。

新媒體技術以數字技術、計算機技術和現代通信技術為基礎，是一個多種產業技術整合的動態產物，隨著互聯網技術的進一步發展，呈現出PC和多種移動終端如手機、平板電腦的不斷融合。傳統意義上的多媒體虛擬技術已經逐漸被形式更加多樣、交互性更好的新媒體取代。

將多種媒體形式和傳播媒介相融合，依托互聯網開展數字化實驗設計和實施，成為實驗教學研究的新的方向和熱點。數字化實驗研究一直是自然科學、技術學、工程學及數學學科領域研究的重點。在媒體融合背景下的開放式的數字化實驗是一種高層次的自主性的合作實踐過程。在這種開放式的實驗過程中，從選題到資料收集整理，再到研究方案確定、實驗過程實施，最后形成實驗成果，整個過程始終是以學生為中心，以學生自主和主動的參與為基礎，學生經歷的不僅僅是一個實驗的過程，體會更多的是科研的方法[2]。

將傳統的實驗課程內容與現有的多種媒體形式相結合，通過不同的媒介形式進行傳播推送，將傳統的實驗過程以數字化的形式進行再現和實施，充分利用互聯網技術和信息數字化優勢，將實驗內容和過程以多種形式展現，從實驗內容的網絡平臺視頻演示到儀器設備的仿真操作，從實驗室的網絡預約到實驗過程的交互式交流，從實驗結果的可視化數據呈現到實驗成績的有效評價等方面開展研究和實踐，能夠有序地把媒體及互聯網技術引入到開放式實驗過程中，將會為最大限度地發揮學生自主性、積極性和創造性奠定良好的基礎。在媒介融合背景下構建合理的實驗教學模式和實驗管理模式，能夠有效地提高工科專業實驗室的信息化建設程度，方便實驗室的開放式管理，有效提高教學資源的共享利用率，可以顯著提高人才培養和實驗教學質量[3]。

一、當前工科專業實驗開展的現狀

對哈爾濱商業大學現有的實驗教學開展情況，尤其是對工科專業專業課實驗教學的實施過程進行分析，不難發現，傳統的實驗課程或者簡單的虛擬實驗已經無法滿足現有教學的需求。

1.隨著學生數量的迅速增加，實驗設備的補充不到位。實驗臺套數不足，造成分組實驗中，單組學生人數過多。以哈爾濱商業大學印刷工程專業為例，原有的5人一組的紙張性能測試實驗，目前基本上為8人以上。在有限的實驗學時中，只能減少單個學生的測試任務量。學生在一次實驗過程中，只能對單一樣品進行單次測量，以小組為單位進行數據整合分析。學生對不同試樣測試過程和測試結果的直觀感受減少，不同實驗數據間人為的數據誤差增大，學生后續的實驗數據分析不準確或湊結果的現象增多。

2.由于學生實際操作時間的減少，學生更多的是在規定時間內完成規定動作，按照實驗指導書上步驟，完成實驗內容。留給學生開放式的設計實驗，或者試錯的時間幾乎沒有。這就造成了學生在實驗課后，也只是做過實驗，知道實驗流程而已，而對于為什么要這么做、否則會有什么樣的結果等問題缺少思考。同時，師生之間有效的交流減少，教師要在盡可能短的時間內完成基本實驗過程的講解，再加上學生課前預習效果并不好，使部分學生在實驗開始階段并不能有效地完成實驗任務，教師無法針對實驗過程中存在的問題進行及時的反饋。

3.對學生實驗的成績評價形式單一，更多地以實驗報告的形式完成。學生把更多的精力投放到實驗后數據的處理和實驗報告的書寫上。而對于實驗過程、儀器設備的調試和操作關注度不夠，實際訓練的目的并未達到。

4.由于現有的實驗室條件無法實現7天×24小時實時開放，加之學生缺乏足夠的實驗操作訓練、部分實驗內容和實驗設備也不能隨時使用，造成實驗室開放不夠，設備利用率不足。很多設備僅僅面向一個專業一門課程，造成了嚴重的浪費。以學生開展科創活動實驗為例，學生在進行實驗之前，需要教師花大量時間進行儀器使用培訓和實驗流程演示，學生綜合利用設備的能力不夠。

以上現象實際上是傳統實驗開展過程中的通病，尤其是在傳統的課堂講授+實驗室操作這樣的教學模式下，學生對實驗內容的理解，開放性的思考和交互式的信息反饋效果不好，造成學生對實驗課興趣不高，理解不深等問題。這也從一定程度上造成了培養應用型人才的工科專業開設最多的是驗證性實驗，而綜合性和設計性實驗開設數量較少，質量較差。雖然在一些課程中開展了多媒體演示或者虛擬實驗的實踐和研究，但是由于媒體形式單一，缺乏內容間的聯系，缺乏師生間交互信息的反饋，實際效果一般，仍有較大的提升和研究空間。

二、完善工科專業實驗的對策

在對現階段研究成果進行分析的基礎上，筆者認為針對實驗內容的數字化設計、實驗內容與媒體介質的融合和數字化實驗平臺的構建三個方面進行研究及實踐能夠在實驗室數字化實現過程中解決一定問題，起到一定的作用。

（一）加強實驗內容的數字化設計

在現有實驗內容中，并不是所有內容都適合數字化實驗過程，所以實驗內容的選擇對最終的實驗效果有很大影響。對相關的實驗要進行整合加工，設計開放性更強的實驗方案。對于一些設計性、驗證性實驗，不要求學生進行一步步的實驗模仿，而是基于一定實驗內容的教學要求，由學生設計實驗方法、步驟及整個實驗流程，讓學生按此步驟自行實驗和探究，最后完成實驗任務。

（二）實現實驗內容與媒體介質的融合

媒介與實驗內容的融合取決于實驗教學的要求。針對傳統實驗教學中，信息傳播形式單一、教師對學生單向信息傳遞等問題，在實驗開展的不同階段，選擇不同形式的媒介和媒體形式對實驗內容進行加工，突出內容特征，加強信息的傳遞和反饋效果[4]。

（三）構建數字化實驗平臺

根據現有實驗開展過程中對多媒介數字化實驗的預期要求，實驗平臺應該包括以下幾部分內容。

1.數字化資源庫模塊，主要包含數字化實驗教學資料，實驗操作過程的各實驗狀態的圖片或視頻。以上內容以多媒體素材創作平臺為基礎進行設計，以云平臺為發布媒介。針對前期實驗要求，多媒體素材加工后，可針對PC、手機、平板電腦等終端進行整合，以手機網站、公眾號、APP、H5等形式進行推送[5]。

2.虛擬實驗教學模塊，以交互式動畫或虛擬顯示技術的形式虛擬實驗環境，能對虛擬的儀器和器材進行模擬操作，對測試數據情況進行反饋。學生在完成預習內容的情況下，在實際實驗室操作之前，可以在虛擬實驗條件下完成個性化實驗設計和合理性驗證。這一方面保證學生實驗預習效果;另一方面，在現有的實驗臺套數和實驗學時較少的情況下，能夠把更多的時間投入到有效的實驗操作中。充分利用網絡環境，解決實驗設備臺套數少的問題。對目前實驗項目內容進行分析研究，對其測試的指標和過程進行分類，探討數字化實驗項目選擇的依據，數字化實驗的參數指標，是本項目研究的首要問題。

3.實驗信息反饋模塊，交互性是多媒介融合下數字化實驗的核心。學生預習效果的反饋，實驗過程中設備信息的采集和顯示，實驗數據的整理和圖形化呈現，學生實驗結果、實驗報告的提交和教師審查反饋都要依靠信息反饋功能來實現。

建立一個適合于工科專業實驗課程的、依托多媒介傳播形式的數字化實驗流程和平臺，實現基本功能要求。充分調動學生積極性，引導學生創新思維，培養創新能力。優化現有的實驗教學手段和方法。利用靈活性、自主性更強的實驗教學手段和方法，滿足學生實驗需要。

參考文獻：

[1]戚麗麗.數字化光學實驗平臺的設計與研究[D].鄭州：? ? 鄭州大學，2017.

[2]李瑾，張寧，云霄.新工科背景下工科生自主學習力的? ? 深度構建——以X大學“現代密碼學”SPOC翻轉課堂? ? 為例[J].高等工程教育研究，2018，（5）.

[3]韓文佳，楊桂花，陳嘉川，等.新工科背景下工科專業實驗? ? 教學體系的構建與實踐[J].大學教育，2018，（9）.

[4]羅俊.互聯網時代傳播格局的重構及其新挑戰[J].學術? ? 論壇，2018，（4）.

[5]朱震華.VR技術在課堂中的應用[J].電子技術與軟件? ? 工程，2018，（20）.