新工科背景下GMDSS優質實驗教學資源創新共享研究

崔昆濤， 孫文力， 孫文強， 林 彬

（大連海事大學a.航海學院；b.信息科學技術學院，遼寧大連 116026）

0 引 言

我國已把創新型人才培養提高到戰略高度，并啟動一系列重大舉措，如“新工科研究與實踐”計劃等措施，全力推進新時代創新型人才培養進程。2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，全力探索形成符合我國發展需要的工程教育模式，深入推動我國高等教育強國建設［1］。

新工科建設是當前高等工程教育改革的時代使命和需求。深入推行新工科發展理念，培養促進并引領新經濟與社會發展所需要的創新型人才，是當前高等工程教育改革的時代使命和重要研究課題［2］。

創新是新工科建設的重要特征，高校創新實驗室是培養大學生創新意識、拓寬學生學術視野、鍛煉學生實踐能力的重要平臺［3］。高校作為國家培養高科技人才的重要基地，承擔著實施素質教育、培養和造就高素質創新人才的重任［4］。作為高等教育的重要組成部分，實驗教學為學生鞏固課堂知識提供了有效保障，在培養大學生綜合素質方面具有不可替代的作用［5］。

結合新工科建設要求，利用先進的虛擬儀器技術、網絡信息等技術手段，全球海上遇險與安全系統（GMDSS）優質實驗教學資源創新共享平臺，整合了GMDSS實驗室先進儀器設備、實驗平臺和優質實驗教學資源，探索構建先進、高效、開放式、靈活的優質教育教學資源信息分發共享的基礎設施和教學體系，突破優質資源線上線下的應用及傳播界限，突出跨學科和多學科交叉的特性和屬性。對于探索新工科人才培養的新型實驗室管理與開放模式，具有重要的現實意義。

1 GMDSS實驗教學體系現狀

1.1 開放共享模式和層次有限

現有的實驗教學體系以及教育基礎設施，所采用的開放模式和層次仍是較為局限的，不論是線上虛擬仿真模式，還是線下模式，多數情況下仍以服務本學科的教育教學為主，缺少跨學科和多學科交叉融合應用的靈活性，學生在進行針對性研究實踐時，缺少對實驗室先進儀器設備、優質實驗教學資源獲取的靈活有效途徑，造成學生對期盼優質實驗教育教學資源與優質資源難以靈活共享的矛盾。

另一方面，盡管通過大力投入和建設，單體實驗室具備了豐富的實驗教育教學資源，但現有的運行管理體系，也不能有效地滿足多學科研究人員以及科研工作者對實驗室先進儀器設備、優質實驗教育教學資源進行深入研究的便利途徑，造成了提升教育教學活力與體制機制約束的矛盾，距離新工科的創新型人才培養體系要求差距仍較大。

1.2 教育過程管理粗放

在現有的教學過程管理中，雖有質量管理體系的相關要求，但在實際執行過程中，仍存在流于形式的現象。在教學質量的評價方面，相應的評價制度也較為單一固化，對于實驗教學效果評價，并未提高到應有的重視程度。從實驗儀器設備的配置來看，部分重要儀器設備無法及時配置，并且部分優質的設備資源并未得到充分利用。

現有的教育過程管理模式較為粗放，不具備對實驗過程中受訓學生的操作規范性、實驗步驟準確性、學生參與程度等實驗過程質量考核指標進行精細化數據分析的能力，也不利于實現對教學方法的針對性持續改進，不能有效滿足新工科建設提出的大力培養學生數字化思維的要求。

1.3 運行管理模式較為單一

實踐教學是理論教學的重要補充。就高等教育GMDSS本科實驗教學而言，當前國內大部分相關院校的實驗教學內容較為陳舊，落后于學科發展前沿的要求；實驗教學課程體系較為單一，缺乏跨學科交叉融合的能力，缺乏對新理念、新領域、新技術的深度解析，容易造成學生脫離工程實際，缺乏有效的工程實踐引導，無法滿足學生成長的需要和應對領域發展的要求，也無法滿足新工科對創新型人才培養的需求。

1.4 虛擬仿真教學存在較大的局限性

現有的GMDSS虛擬仿真教學，也存在較大的局限性，不能對優質資源的核心功能進行有效重現，學員并不能通過虛擬仿真系統獲得直觀的認知，實訓效果受到一定的制約。

另外，海上通信技術飛速發展，GMDSS通信設備更新換代較快，現有虛擬仿真系統的教學內容、教學范圍與學生工程實踐應用存在較大的脫節，學員的實訓能力提升有限。在現有教學體系內，學生在本科實驗教學的實踐深度受限，學習獲得和工程實踐能力的提升尚存在較大的空間。

2 創新共享平臺的建設目標和原則

創新型優質實驗教學資源共享平臺建設遵循的目標和原則，主要依據以下3個方面的指導意見：

（1）《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》，提出的“加快解決經濟社會發展對高質量多樣化人才需要與教育培養能力不足的矛盾、人民群眾期盼優質教育與資源相對短缺的矛盾、增強教育活力與體制機制約束的矛盾，為教育事業持續健康發展提供強大動力。”的相關要求。

（2）《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》，“第六章推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式”，提出“利用先進網絡和信息技術，整合資源，構建先進、高效、實用的高等教育信息基礎設施，開發整合各類優質教育教學資源，建立高等教育資源共建共享機制，推進高等教育精品課程、圖書文獻共享、教學實驗平臺等信息化建設。”的相關要求。

（3）《新工科研究與實踐項目指南》提出的“推進信息技術與工程教育深度融合，創新‘互聯網+’環境下工程教育教學方法，提高工程教育效率和教學效果。探索優質教學資源共享、學生自主學習和交流、學習行為分析和教學持續改進的信息化手段，培養學生數字化思維，提升信息技術應用能力；探索工程實踐教學中虛擬仿真等信息技術的深度應用，實現優質實驗教學資源開放共享。”的相關要求。

在新工科教育改革過程中，需要充分重視創新教育的長期性、系統性和復雜性，需要從創新手段、創新知識、創新技法、創新效果等4個重要維度上融合共通，實事求是地檢驗和評價成效，逐步達到創新教育目標要求和設計初衷［6］。

當前工程技術飛速發展，國家和社會需求日益多元化，這些影響因素對人才培養的知識、能力和素質結構等方面提出了更高的要求，同樣，也對新工科教育發展改革提出了更高的要求［7］。

2.1 創新型的開放共享模式

新工科建設對現代工程技術人才的培養提出了新的要求，同時也為高校工科類學生實踐能力的提升提供了契機和引導方向［8］。

新工科背景下，結合相關指導要求，創新共享平臺建設目標和要求就是充分考慮學科特性和發展需要，推進信息技術與工程教育深度融合，創新“互聯網+”環境下工程教育教學方法，探索優質教學資源的創新性共享模式，整合GMDSS先進儀器設備、優質實驗教學資源，探索構建先進、高效、開放式、實用的高等教育教學、信息分發共享的創新型基礎設施和教學體系。

創新型共享平臺建設突破GMDSS先進儀器設備、優質實驗教學資源線上線下的應用及傳播界限，探索緩解學生期盼優質實驗教育與資源相對短缺的矛盾，探索解決增強教育活力與體制機制約束的矛盾，提升實驗室優質實驗教育科研資源開放層次，提高多學科學生、教職工以及科研工作者線上設備研究使用的便利性，為創新型人才培養提供動力，為教育教學持續健康發展不斷注入活力。

2.2 突出跨學科和多學科交叉的特性和屬性

工程實驗實踐是多學科交叉融合的重要途徑，也是各專業創新人才培養不可缺少的支撐，在新工科人才培養模式改革中，行之有效的工程實驗實踐體系是重要突破口和切入點［9］。

參照新工科建設的指導要求，共享平臺建設打破原有的學科內、學科間的教育教學資源共享及應用界限，突出開放性，突出跨學科和多學科交叉的特性和屬性，以達到優質的實驗教育教學資源不僅能夠滿足本學科的發展需要，也能夠靈活地開放給相關學科的應用需要，促進領域特色、優勢學科交叉與跨界整合，推動工科專業之間、工科與其他學科專業的優質資源交叉融合共享發展。

2.3 實現精細化的學習行為分析和教育過程監督

新工科建設對學科發展的創新實用性、交叉綜合性與成果導向性，提出了高要求，特別是信息技術與工程教育深度融合的目標導向，對高校本科實驗教學體系的改革發展具有重要的指導作用［10］。

平臺建設通過創新應用“互聯網+”環境下工程教育教學方法，以及開放式、創新型的綜合設計運行模式，促進學生自我教育、自主學習和總結交流，體現出創新型的工程技術人才培養導向和目標。

通過信息技術與工程教育的創新性深度融合，改變原有在教學過程的管理、教學質量的評價、實驗儀器設備的配置使用等方面粗放的管理運行模式，強調教育教學過程的整體性、系統性、協同性和精細化，實現對學生的學習行為精細化分析，有針對性地對教學過程、教學方法進行持續的改進。

3 創新共享平臺構建

GMDSS優質實驗教學資源創新共享平臺包括設備層、接口層、網絡層、應用層和用戶層，平臺網絡架構和平臺結構原理分別如圖1、2所示。系統采用模塊化、分層式設計的方法，以增強系統架構的擴展性、通用性，并能夠及時地注入新技術，同時方便對現有系統的維護、升級及改造。

圖1 GMDSS優質實驗教學資源創新共享平臺網絡架構

設備層包括GMDSS最新通信設備，主要有VHF通信設備、MF/HF NBDP通信設備、Inmarsat C船站等地面和衛星通信設備以及更多新型實驗平臺或開放協議通信技術。并且由于架構設計的靈活性，這些優質的實驗教學資源，能夠及時整合到共享平臺內，靈活便利地提供教育教學、工程實踐及科研服務。

實驗室的通信設備、實驗平臺，通過接口層的標準接口，經接口轉換單元，連接至LAN，實現設備的聯網運行，也是實現GMDSS優質資源靈活共享的重要一步。通過聯網運行，也更加提高了學生實驗的真實性和直觀性，也是在新工科背景、創新“互聯網+”環境下工程教育教學的新型手段。

圖2 GMDSS優質實驗教學資源創新共享平臺結構框圖

應用層包括教師管理終端、證書服務器、Web服務器等，其中，教師管理終端用于實現包括接入控制、狀態監控、操作管理、方案設定、教學管理、行為分析、實訓評估等重要功能；證書服務器用于共享平臺的網絡設備頒發證書，以保證網絡通信通過加密協議傳輸，確保網絡通信安全；Web服務器主要用于提供信息瀏覽、計算服務等功能。

用戶層主要包括學員實訓終端等，學員實訓終端用于各類海上通信實驗教學、工程實踐或科學研究服務，可根據實際需要，工作于離線模式或在線模式。

在實驗教學過程中，學員通過實訓終端既可以完成模擬仿真實訓，也可以經授權后，通過網絡完成真機設備、實驗開發平臺的實操訓練，既能充分發揮虛擬仿真的優勢，又能保證學員通過真機操作訓練獲得直接教學受益。

4 開放式創新共享平臺運行成效

4.1 實現優質實驗教學資源的多學科共享

目前，高校實驗室的運行機制普遍存在著單一、固化的問題。一方面，盡管實驗教學資源充足，但由于各實驗室由不同學院分管，獨立運行，使得實驗資源無法實現更高層次共享，造成資源的閑置浪費。另一方面，由于實驗室教學體系深度、廣度有限，課程體系單一，只能為本課程使用，無法滿足本學院或其他學院學生對實驗實踐的需求［11］。

在新工科建設的背景下，實驗教學體系需充分考慮跨學科及學科交叉特性，拓展實驗室教學體系深度和廣度，打破傳統的按學科設置實驗室的封閉式管理運行模式。以GMDSS優質實驗教學資源開放式創新共享平臺為例，通過應用“互聯網+”技術，首先以構建開放式創新共享體系為基礎，并充分研究論證實驗教學資源的跨學科及學科交叉特性和屬性，充分考慮新工科建設的指導要求，研究拓展實驗室教學體系深度和廣度，使得GMDSS實驗室優質實驗教學資源既能夠滿足本學科課程體系的需要，又能滿足信息與通信工程等交叉學科的需要，實現了優質實驗教學資源的充分利用。

4.2 突出新工科建設的創新型人才培養導向

創新是新工科建設的重要特征，高校創新實驗室是培養大學生創新意識、拓寬學生學術視野、鍛煉學生實踐能力的重要平臺。而實驗教學培養學生創新能力具有特殊的優勢，開放性實驗過程與創新過程具有相似性，對于培養學生發現問題、解決問題的能力，對于培養創新性思維、創新性人格，都具有重要作用［12］。

實驗室是培養學生創新實踐能力的重要場所。通過良好的創新實驗實踐模式，既能夠滿足學生對工程實踐的需求，提升教學質量和素質教育水平，又能實現優質實驗教學資源的高水平應用，提升實驗教學資源的內在價值，也是培養高校學生工程實踐能力，培養創造型人才的有效途徑［13］。

GMDSS優質實驗教學資源開放式創新共享平臺突出創新型人才培養的導向，支持學生通過設計開放性創新實驗，提升學生參與工程實踐與創新訓練的動力，引導學生通過設計有效的實際問題，激發學生創新思維，培養學生綜合創新能力，并通過開放式、創新型的綜合實驗項目，形成以領域前沿科技創新、科學研究為內在驅動力的發展模式和創新型人才培養體系，體現出創新型的工程技術人才培養導向和目標。

4.3 構建創新型開放共享模式

通常情況下，實驗室開放管理有不同的角度和模式。線下開放實驗室是較為普遍的方式；通過虛擬仿真技術，以及信息網絡技術，進行線上仿真訓練，也是較為典型的方式。

從模式創新角度看，GMDSS優質實驗教學資源開放共享模式是一種新型的創新機制，既融合了線下開放實驗室的直觀優點，又能夠通過網絡完成真機設備的實操訓練，充分發揮了模擬仿真手段的優勢，保證了學員通過真機操作訓練獲得的直接教學受益。

通過構建優質實驗教學資源創新型開放共享體系，有力地提高了學生的基礎實踐能力、解決實際工程問題能力和創新能力，使得學生能夠從新工科發展改革過程中，得到更高層次能力的提升［14］。

4.4 實現教學過程的精細化管理

教學過程涵蓋教學形式、教學方法與教學內容。教學內容與方法的改革一直是我國教學改革的重點，是實現教學目標的重要因素［15］。通過構建多層次、模塊化實驗課程教學體系，及多元化的實驗教學方式和多樣化評價體系，將創新理念融入整個實驗實踐的教學過程，從而更好地為國家和社會培養創新型人才［16］。

GMDSS創新型教育教學平臺加大了實驗教學過程的質量監控，在實驗過程中，將受訓學生的操作規范性、實驗步驟準確性、學生參與程度等作為實驗過程質量考核的指標，主要目的是為對學生學習行為的精細化分析打下基礎，進而對教學過程進行有針對性地不斷改進。

通過創新應用“互聯網+”環境下工程教育教學方法，有力促進了學生自我教育、自主學習和總結交流，實現了對學生的學習行為精細化分析，以及對教學方法的針對性持續改進，培養學生數字化思維，提供更加靈活高效的創新型實驗教學、工程實踐和科研服務。

5 結 語

新工科背景下，高等教育GMDSS實驗教育教學體系，需要深度吸收融合新工科建設發展理念和創新體系模式，推進高等教育改革工作深入發展。通過構建創新型優質教育教學資源共享平臺，對教育教學內涵、方法手段和教學模式進行不斷優化和探索，著力提高學生的綜合教育能力和工程實踐水平，培養學生的自我教育、獨立思考、智慧創新的能力，體現創新型的工程技術人才培養導向和目標。