基于數據化技術的高校虛擬仿真實驗室利用效率提升探究

周棟涎,李散散

(廣州工商學院,廣東 廣州 528000)

0 引言

2018 年9 月10 日,習近平總書記在全國教育大會上發言指出:我們要“培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人,加快推進教育現代化、建設教育強國、辦好人民滿意的教育”[1]。為培養出掌握豐富的理論知識,具備良好實踐能力的應用型人才,高校一直在探索。隨著計算機和互聯網技術的快速發展,高校普遍應用一種新型的教育手段——虛擬仿真實驗實訓室。

1 高校虛擬仿真實驗實訓室概述

虛擬仿真實驗又被稱為“沒有圍墻的研究中心”,是指創建和模擬進行實驗的交互式環境,由美國弗吉尼亞大學的威廉·沃爾夫教授于1989 年提出[2]。當前高校新建的虛擬實驗室主要以計算機軟件和互聯網為載體,把生物、化學、物理、經濟、管理等各專業的一些環節做成虛擬仿真實驗平臺,師生通過計算機登陸實驗平臺進行仿真模擬操作。筆者所在的學院建設了大數據實訓及教學管理平臺、組織企業供應鏈虛擬仿真經營決策系統、投資學專業仿真實驗教學平臺、跨境電商平臺、互聯網+國際貿易綜合技能實訓與競賽平臺、經濟學沙盤模擬系統等十余個大型虛擬仿真實驗平臺。

使用虛擬仿真實驗平臺輔助教學具有較明顯的優勢。(1)學生可提高學習效率。通過可視化、游戲化的虛擬仿真實驗方式,復雜的知識點變得簡單,更容易被學生掌握。(2)高校可降低教學成本。傳統的實驗方式每年消耗不菲的實驗耗材,或需搭建苛刻的實驗環境,使用虛擬仿真實驗可節省這部分費用。(3)教師可及時獲得教學反饋,快速調整教學計劃。學生做虛擬仿真實驗時,教師可實時查看學生的實驗情況,看到操作不當的同學可及時指導,提升教學效果。(4)教學可擺脫時間、空間和資源等限制。傳統的實驗要求實驗者在固定的時間和空間中完成。虛擬仿真實驗基本不受限制,實驗者可隨時隨地使用計算機登陸實驗平臺進行實驗,大大地提升了實驗的便利性。

但是,筆者在參與虛擬仿真實驗室管理和教學活動中,觀察了多個虛擬仿真實驗室的運行數據,并與部分學生進行座談后,發現高校虛擬仿真實驗室的效用還沒得到充分發揮。

2 高校虛擬仿真實驗室存在的問題

2.1 部分實驗室的利用率不高

我國有關數據顯示,近年來僅有27%的學校的虛擬仿真實驗室的使用時間達到600 時/年[3]。從筆者接觸的虛擬仿真實驗室運行記錄來看,部分熱門行業、多學科融合的實驗室的利用率尚可,能達到70%以上;而專業性較強、復雜程度高的實驗室,利用率普遍偏低。

主要有兩方面的原因。(1)課程內容原因。多數課程是理論學時和實踐學時組合,為節省成本和達到更好的教學效果,有些課程適宜把理論學時安排在多媒體課室,只把實踐學時安排在虛擬仿真實驗室,導致排到實驗室的課程不多。(2)教學安排的原因。部分文科院系實踐類課程不多,且有部分學期實踐課程較少,也會造成部分實驗室的利用率偏低。

2.2 虛擬仿真實驗與企業生產經營有一定脫節

一般的虛擬仿真實驗平臺是根據真實應用的步驟和變量,形成一定的運作邏輯,通過計算機編程、物聯網、智能識別等手段形成的虛擬仿真系統。當實驗者操作時,系統根據操作進行模擬運算,給予相應的信息反饋。這雖然能在很大程度上讓實驗者掌握實驗對應的真實應用技能,但由于變量和算法提前已預定好,容易讓實驗者產生千篇一律的感覺。筆者在講授電子商務課程時,曾有同學反映電子商務虛擬仿真實驗平臺過于流程化,缺乏變化。在做了店鋪優化后,系統沒給予相應的反饋。所以,如何讓虛擬仿真實驗更加“真”,是值得人們探討的問題。

2.3 實驗室相關數據統計不夠全面

在虛擬仿真實驗室的管理上,多數高校是沿襲按課程時間開放、使用后登記、定時進行后臺維護等傳統的實驗室管理方式。老師和學生申請實驗室、借用設備,主要采用紙質材料,沒有形成數據累計,不利于全方位統計實驗設備的使用狀況。老師和學生是實驗室最直接的用戶,在實驗室的用戶體驗和改進建議問題上,他們最有發言權。但可惜的是,老師和學生在完成虛擬仿真實驗時,實驗過程中的很多重要數據卻沒被記錄,例如遇到的困難、發現的漏洞、使用感受、改進建議等,若收集這類信息,對系統改進、以后申請新的實驗室都有重要作用。

2.4 專業融合程度不高

通常虛擬仿真實驗室涉及的專業比較廣,但在使用過程中,院系通常按實驗室的歸屬來給本單位排課,常出現一個虛擬仿真實驗室排的全是某一類專業實驗的情況。若能在全校層面協調,讓實驗室對口所有專業都可申請使用,可大大提高該實驗室的利用率,同時也能通過多專業使用過程中師生頭腦的碰撞,產生更多的科研成果。

筆者認為,用簡單易用的微信小程序構建一套數據化管理的協作系統,可一定程度上解決這些問題。

3 利用數據化技術提高虛擬仿真實驗室利用效率

3.1 實驗課程數據化共享

實驗室排課不合理,往往是因為教務員對各學期涉及虛擬仿真實驗的課程數據掌握不夠全面,在排課時處于被動地位。若各專業的人才培養方案一確定,就讓老師把各個課程的虛擬仿真實驗需求數據錄進系統,并全校共享,教務員就可提前按需求來排課。若某些學期實驗室利用率不高,可開設一些開放性課程,或者把實驗室的空閑時間開放給教科研團隊;若某學期實驗室較緊張,教務員則可把課程協商安排到其他院系的實驗室,從而大大提高實驗室利用率。

3.2 校企合作充實實驗數據

虛擬仿真實驗畢竟是提前設定的模擬程序,與真實的企業生產運作存在一定的差異。在校企合作項目的運作和管理過程中,把企業的一些真實項目引入學校和課堂,既可讓學生掌握書本知識,又可讓學生掌握更接近企業需求的工作技能,同時學生和企業還可獲得一定收益,是一種多贏的合作方式。筆者認為,若每個虛擬仿真實驗結合相關的一些校企合作項目,把項目數據存放于系統上,共享給全校師生,可極大地豐富虛擬仿真材料,提高虛擬仿真實驗的使用效果。

隨著校企合作項目的發展,每一年數據庫越發增長,日漸豐富,以后每一屆的同學在做虛擬仿真實驗時都可對照真實項目資料,更好地掌握實戰技能。當然,這對數據服務器的性能提出了更高的要求。

3.3 實驗室管理數據化

利用數據化管理的手段管理實驗室,在設計之初便須考慮全面的數據維度。首先,在課程編排上,接入學校的教務系統,可隨時查看實驗室的使用情況;同時可在小程序系統上增加設備借用申請等實用小功能。其次,在教學過程管理上,可增加師生數據的采集維度,學生進入實驗室掃碼簽到、完成某個實驗環節打卡記錄、找到系統的漏洞填報、遇到問題及時填報、找到新的解決辦法及時反饋等,提供靈活的信息反饋方式,及時收集有用的數據。管理老師則可根據這些數據,指導虛擬實驗室的改進,并為以后新建其他虛擬實驗室提供重要參考。

3.4 數據化促進專業融合

系統共享各教學單位的虛擬實驗室的功能介紹、可承擔項目信息、在研項目、空閑時間等信息,可促進各教學單位資源共享。同時,通常高校里都有較多的科研團隊和在研不同領域的課題,若通過系統進行資源共享,互通有無,多方交流,也可促進全校的教科研項目協同共進,甚至產生更多的跨界融合的研究成果。

4 結語

虛擬仿真實驗室作為高校培養人才的重要工具,使用數據化管理的手段,大力提高管理水平,豐富教學數據,促進全校范圍的資源共享和專業融合,不但可以大幅提高人才的培養質量,還可以促進高校科研水平的進步,可謂一舉多得。本文的觀點仍欠缺實踐數據的檢驗,希望能起到拋磚引玉的作用,為高校虛擬仿真實驗室的建設提供一點建議。