高校實驗教學(xué)技術(shù)發(fā)展

宋大鵬

0 引言

實驗是高等教育中學(xué)生認(rèn)識世界和學(xué)習(xí)知識的重要實踐活動之一，高等學(xué)校的實驗室在培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)、創(chuàng)新和實踐能力方面有著不可替代的作用。自建立高等教育體系以來，高校實驗室得到了不斷發(fā)展，現(xiàn)已成為高校進行科學(xué)研究、實驗教學(xué)、學(xué)術(shù)交流、培育高水平人才和成果產(chǎn)出的重要基地，其建設(shè)和發(fā)展也成為反映高校科研水平、教學(xué)水平和現(xiàn)代化管理水平的重要標(biāo)志。

目前，對高校實驗室的建設(shè)和管理方面的研究和關(guān)注較多，但從技術(shù)發(fā)展的角度關(guān)注較少。因此，本文從應(yīng)用技術(shù)的視角出發(fā)，對高等學(xué)校實驗室的發(fā)展歷程和未來趨勢進行回顧和研究，具有較強的參考價值和現(xiàn)實意義。

從20 世紀(jì)20年代我國高校開展實驗教學(xué)至今，已有100年的歷史。縱觀我國高校實驗室的發(fā)展，以技術(shù)應(yīng)用為劃分標(biāo)準(zhǔn)，大致經(jīng)歷了工業(yè)時代、電子儀器階段、計算機階段和虛擬現(xiàn)實四個階段。

1 機械時代

1952年，我國政府大規(guī)模調(diào)整了全國高等學(xué)校的院系設(shè)置，形成了以“工學(xué)”為主的中國大學(xué)教育的基本格局。在院校分布和專業(yè)設(shè)置調(diào)整的同時，國內(nèi)眾多高校在原來的基礎(chǔ)上開展了實驗教學(xué)，高校實驗室得以建立和發(fā)展。

當(dāng)時國內(nèi)多數(shù)高校為適應(yīng)社會發(fā)展，專業(yè)設(shè)置以工學(xué)為主，開展實驗教學(xué)的主要目的是為學(xué)生提供實踐動手機會。與之相應(yīng)，實驗教學(xué)主要任務(wù)是為工學(xué)專業(yè)學(xué)生提供各種生產(chǎn)實踐教學(xué)設(shè)備，便于學(xué)生掌握和理解應(yīng)用型知識。基礎(chǔ)學(xué)科專業(yè)實驗教學(xué)教具、設(shè)備等受當(dāng)時生產(chǎn)制造技術(shù)發(fā)展水平的限制，用于實驗教學(xué)的多為實物或原理仿真模型，如在高校中物理學(xué)專業(yè)中的力學(xué)實驗教具、機械部件實體模型和人體或生物的器官的放大實物仿真模型等。在此階段，高校實驗室的儀器、設(shè)備和設(shè)施以工業(yè)生產(chǎn)的原型設(shè)備或工業(yè)加工的教學(xué)產(chǎn)品為主。

由于實驗用的設(shè)備或教具為工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)物，故可以稱此時期的實驗室為“機械時代”高校實驗室。

2 電子裝備階段

20 世紀(jì)80年代開始，電子技術(shù)飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，形成迅猛發(fā)展的電子行業(yè)。適逢我國高等教育的迅速發(fā)展時期，電子技術(shù)也大大影響了我國的高等教育，促進了高校實驗室的快速發(fā)展。首先，為適應(yīng)社會的發(fā)展和需求，全國眾多高校相繼開設(shè)了電子專業(yè)及相關(guān)應(yīng)用等前沿專業(yè)，開展了相關(guān)的科研，原有的實驗室無論是在規(guī)模上還是在基礎(chǔ)設(shè)施上都遠遠滿足不了快速發(fā)展的專業(yè)需求。電子技術(shù)大大促進了電子實驗室的建設(shè)和發(fā)展，出現(xiàn)了一大批以電子儀器設(shè)備為實驗教學(xué)核心設(shè)備的高校實驗室。其次，電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化也為高校實驗室提供了新的技術(shù)手段。原來采用工業(yè)生產(chǎn)手段生產(chǎn)的實驗教具、設(shè)備改為采用電子技術(shù)手段實現(xiàn)后，性能大大提高。無法展示的物理、自然現(xiàn)象等可以通過電子技術(shù)的聲、光、電等多種手段得以展現(xiàn)，大大提高了實驗教學(xué)的效果。再次，電子技術(shù)為科研工作提供了新型的工具。作為科研的主體，高校實驗室也迫切地需要大量的先進的電子儀器來滿足科研人員的需求，如電子顯微鏡在物質(zhì)探測方面的應(yīng)用、射電望遠鏡在天文學(xué)中的進展等。

電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，極大地促進了電子及其他的專業(yè)發(fā)展。它將傳統(tǒng)的工業(yè)實驗設(shè)施、設(shè)備和教具等實驗用品由電子設(shè)備代替和更新，為高校實驗室的發(fā)展提供了有力的保障，使得全國迅速出現(xiàn)了眾多以電子設(shè)備及應(yīng)用的為代表特征的高校實驗室。

3 計算機階段

20 世紀(jì)90年代，計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展與普及，為高校實驗室的建設(shè)和發(fā)展提供了良好的工具和支撐平臺。同時期，我國高等教育迎來了飛躍式發(fā)展，各高校專業(yè)建設(shè)日新月異，招生規(guī)模飛速增長。規(guī)模的快速的擴張對師資、環(huán)境等提出了更高的要求，高校的實驗教學(xué)在管理、教學(xué)上承受著前所未有的巨大壓力。在此大環(huán)境下，計算機技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，迅速地在高校實驗室得到廣泛的應(yīng)用。

計算機技術(shù)為高校實驗教學(xué)提供了新的、與傳統(tǒng)不同的實現(xiàn)手段- - 計算機分析與測試。與傳統(tǒng)的實驗相比，計算機能提供新的、多樣性的分析手段和性能優(yōu)異的測試平臺。它可以把原來由人工進行的計算采用程序的方式進行，提高了運算效率，實現(xiàn)復(fù)雜的計算過程，不但增強了傳統(tǒng)的工學(xué)實驗教學(xué)，也為數(shù)學(xué)、物理和社會學(xué)、理學(xué)、醫(yī)學(xué)等專業(yè)提供了高效的計算手段和呈現(xiàn)方式，大大擴展了實驗教學(xué)的覆蓋的專業(yè)范圍。

高校招生規(guī)模的不斷擴大，對實驗教學(xué)產(chǎn)生了巨大的壓力，使得高校實驗室管理有了更高的要求。計算機由于具有強大的計算和數(shù)據(jù)存儲能力，在高校實驗室的管理中快速普及。對于日常繁重和瑣碎的實驗課程設(shè)置和安排，計算機能有良好的性能，為實驗課的編排、考核和實驗課程的管理提供了平臺，大大提高了高校實驗室的使用效率；在高校實驗室的設(shè)備管理、人員管理方面，計算機也有不錯的表現(xiàn)。隨著實驗室規(guī)模的不斷擴大，設(shè)備數(shù)量越來越多，種類越來越復(fù)雜，管理成了實驗室中的重要工作。各種計算機管理信息系統(tǒng)的出現(xiàn)，解決了原來人工管理的難題，也使得高校實驗室的管理呈現(xiàn)了規(guī)范化，促進了實驗室的發(fā)展。如今，實驗室的計算機管理水平成了衡量高校實驗室建設(shè)的重要標(biāo)志之一。

隨著科技的不斷發(fā)展，計算作為繼理論和實驗之后的新的科學(xué)研究手段出現(xiàn)在高校的科學(xué)研究工作中。高校許多專業(yè)涉及的研究領(lǐng)域，包括氣象預(yù)報和災(zāi)害預(yù)警、生態(tài)模擬與環(huán)境控制、材料科學(xué)與電子器件設(shè)計、工業(yè)和工程中的數(shù)值模擬等，都提出了計算的大量需求。高校實驗室作為科研的主要承擔(dān)者，其提供的計算能力也直接影響到了科研的進程。隨著國家對高?？蒲胁粩嘀匾暎С至Χ炔粩嘣黾樱鞲咝嶒炇也粩噘忂M用于科學(xué)計算設(shè)備，計算能力大幅提升。計算機及輔助設(shè)施也成為高校實驗室的基礎(chǔ)設(shè)施。

從計算機進入實驗室開始，此階段高校實驗室的應(yīng)用技術(shù)以“計算機分析與測試”為基本特征，開啟了高校實驗室的新階段。

4 虛擬現(xiàn)實（VR）階段

虛擬現(xiàn)實自20 世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)，經(jīng)歷了快速發(fā)展期（1990- 1999）和突破性技術(shù)頻發(fā)期（2000- 至今），已在各個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的活力。2016年，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟和產(chǎn)業(yè)化，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品和應(yīng)用系統(tǒng)呈現(xiàn)爆發(fā)性增長，被稱為“VR 元年”。作為能改變未來的黑科技，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對高等教育領(lǐng)域包括高校實驗室產(chǎn)生了極大的沖擊。

隨著國家高等教育教學(xué)改革的不斷深入和我國高等教育的發(fā)展，各高校和各學(xué)科的定位都發(fā)生了巨大的變化。作為學(xué)校綜合實力標(biāo)志之一的實驗教學(xué)在高校教學(xué)中的地位不斷提高，高校實驗室的建設(shè)也由原來的數(shù)量需求轉(zhuǎn)為高質(zhì)量、高技術(shù)含量的質(zhì)量需求。不僅僅在工學(xué)直接相關(guān)的學(xué)科，在醫(yī)學(xué)、社會科學(xué)等學(xué)科中，都對實驗教學(xué)和高校實驗室的建設(shè)和發(fā)展提出了更高的要求。

VR（虛擬現(xiàn)實）作為一種新的人機交互手段，為實驗教學(xué)提供了新的、顛覆性的手段。虛擬現(xiàn)實技術(shù)帶來的如平面展示轉(zhuǎn)化為三維或沉浸式全角度觀察、真實場景中互動訓(xùn)練和身臨其境的學(xué)習(xí)感受等新方式，大大提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量，為高等院校實驗教學(xué)提供了全新的、前所未有的新手段。

2016年教育部出臺政策鼓勵全國各高校開展虛擬現(xiàn)實實驗教學(xué)項目，投入了大量資金在全國范圍內(nèi)建設(shè)虛擬現(xiàn)實實驗教學(xué)平臺，這一舉措促進了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校實驗室的開展。虛擬旅游實訓(xùn)、醫(yī)學(xué)虛擬內(nèi)窺鏡仿真、虛擬設(shè)備原理展示及虛擬診斷等一大批優(yōu)質(zhì)的實驗項目出現(xiàn)在了高校實驗教學(xué)中。在眾多的學(xué)科中出現(xiàn)了多種教學(xué)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，如Simposia公司的虛擬內(nèi)鏡訓(xùn)練系統(tǒng)可模仿氣管鏡、胃通過力反饋手術(shù)裝置在氣管、食道的三維模型中進行手術(shù)操作；北師大教育部虛擬現(xiàn)實工程實驗的V- Learning 系統(tǒng)可通過體驗式教學(xué)提高教學(xué)效果；虛擬數(shù)字博物館為學(xué)生提供仿真度極高的文物、遺址等實驗用品等。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展也大大促進了高校實驗室的建設(shè)和發(fā)展。如今，許多高校成立了虛擬仿真實驗室，開展新一輪的實驗教學(xué)改革。此階段的特征是在高校實驗室中出現(xiàn)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的、與專業(yè)相結(jié)合的教學(xué)系統(tǒng)和設(shè)施為代表，可以稱之為高校實驗室的“VR 時代?！?/p>

5 結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，其在高校實驗室中的應(yīng)用反映出不同時期高校科研和實驗教學(xué)的進步和發(fā)展。縱觀高校實驗室的技術(shù)變革可以看出，科學(xué)技術(shù)正在不斷地融入高校實驗室的發(fā)展中，其不僅作為高校實驗室的一部分，而且已逐漸成為實驗室的建設(shè)基礎(chǔ)。高校實驗室的建設(shè)不僅需要重視自身規(guī)模和硬件的建設(shè)，更需要進行科學(xué)技術(shù)應(yīng)用方面的建設(shè)，以科學(xué)技術(shù)前沿為中心，建設(shè)高水平的科研和教學(xué)平臺，才能切實提高高校實驗室的綜合實力，為高校的發(fā)展提供源源不斷的動力，增強高校的綜合實力。