高校實驗教學數字化改革與實踐

［摘 要］在教育數字化戰略的推動下，高校實驗教學作為教育改革創新的前沿陣地，亟須突破傳統教學模式的限制，實現信息技術與教學的深度融合。文章針對目前實驗教學中存在的課程內容體系不合理、實驗教學資源可擴展性不強、教學過程管理智能化水平不足等問題，進行了深入剖析與前瞻探索。通過構建多層次實驗教學內容體系、改革混合式實驗教學模式、建設多樣化數字教學資源以及智能管理實驗教學全過程等措施，有效提升了實驗教學質量與管理水平，推進了實驗教學改革創新和教育數字化轉型進程。

［關鍵詞］教育數字化；實驗教學改革；智能化教學管理模式

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2025）03-0061-05

隨著2022年全國教育工作會議明確提出“實施教育數字化戰略行動”，以及2023年教育部高教司在工作要點中提出“深入實施數字化戰略行動，塑造高等教育改革發展新優勢”，教育數字化轉型已成為當前高等教育改革與實踐的熱點。特別是黨的二十大報告提出的“推進教育數字化，建設全民終身學習的學習型社會、學習型大國”這一重要戰略部署，不僅給教育在全面建成社會主義現代化強國的過程中賦予了新的使命任務，而且為教育數字化未來的變革發展明確了行動綱領[1]。在這一時代背景下，高校實驗室作為承擔實踐教學、學科競賽、科學研究等多重任務的重要場所[2]，更應該與時俱進，適應國家和社會發展的需要，積極推動新一代人工智能技術與實驗教學的深度融合，通過現代技術賦能教育，實現教育資源的優化配置與教育質量的整體提升。

本文以長春理工大學（以下簡稱我校）為例，基于“數字化、智能化、一體化”的實驗教學理念，依托人工智能數字化教學實踐平臺，構建多層次實驗教學內容體系，精準對接學生能力發展需求、開發混合式實驗教學模式，融合線上線下優勢資源、建設多樣化數字教學資源，提供便捷高效的學習支持、一體化管理實驗教學全過程，以推動管理流程智能化升級。以上舉措對于完善課程體系、促進教育數字化轉型、提升實驗教學質量與管理水平起到了積極作用，能夠為全國高校開展實驗教學數字化建設與研究提供參考。

一、實驗教學發展現狀及問題

（一）實驗教學發展現狀

實驗教學是培養學生嚴謹科學思維和創新能力的重要手段，對人才培育有著不可替代的作用[3]，為適應科技發展與社會進步需要，越來越多的高校參與到實驗教學改革的浪潮當中。北京航空航天大學電子信息工程學院對電子信息類實驗課程進行了初步改革探索，借助短視頻、MOOC、線上遠程實驗等數字實驗教學資源，以及自研的實驗平臺，提出課前線上資源預習、課中實物數字融合教學、課后項目與線上實驗引領的多手段實驗教學模式，提高了實驗教學質量[4]。重慶大學構建了“3模式+5環節”的人工智能類實驗教學框架，引入多樣性、分層次和研究性3個實驗教學模式理念，基礎類、驗證類、智能設計類、綜合類和研究類5個實驗教學內容環節，整體上獲得了良好的教學評價[5]。中南大學針對人工智能類實驗教學存在的問題，率先提出將企業云技術融入實驗教學，引進ModelArts云端一站式開發平臺，為實驗教學提供支持，解決了實驗算力不足、實驗設備不足、實驗過程難以監控等問題[6]。大連理工大學秉承以學生為中心的改革發展理念，從教學模式、實驗案例、評價標準三方面對人工智能實驗課程進行改革，有效激發了學生的學習熱情，提高了學生的自主思維能力[7]。以上高校均根據自身發展實際情況，探索出適合本校發展特色和需求的改革路徑。然而，盡管這些高校在探索與實踐中取得了一定成績，為教育領域的數字化轉型樹立了典范，但仍面臨著諸多挑戰與困境。

（二）實驗教學中尚待解決的問題

1. 實驗課程內容體系不合理

部分實驗課程內容體系與課程目標的匹配存在偏差，主要體現在兩方面。其一，實驗內容的邏輯遞進與銜接不暢，知識點與技能未能構成有序的模塊化體系，導致學生在學習過程中難以形成完整、連貫的知識體系。其二，實驗教學中理論學習與實踐技能培養脫節，實驗內容不能很好地與理論課程相呼應，例如在圖像處理與機器視覺課程中學生學習了傅里葉變換，但實驗內容中缺少將其應用于音頻處理的實驗設計，使得學生在實踐操作中難以將理論知識轉化為實際應用能力。因此，優化實驗課程內容體系，強化課程內容間的邏輯聯系，促進實驗與理論教學的深度融合，是當前實驗教學改革的研究方向。

2. 實驗教學資源可擴展性不強

優質數字化教學資源的建設、應用及共享是推動高等教育從規模擴張向質量提升轉變的有效途徑，也是實現教育現代化的重要保障[8]。實驗教學資源主要包括實驗軟硬件設備資源以及實驗指導書等學習資料，目前學校實驗室的軟硬件設備更新相對滯后且設備數量有限，同時開放的數字化資源相對匱乏，缺乏有效的知識共享平臺，導致學生在學習過程中面臨諸多限制，難以深入探索前沿實驗方法或應用技術，從而限制了他們的自主學習和研究能力。因此，充分利用數字化平臺優勢，加快數字化教學資源建設，對于提升實驗教學質量具有重要意義。

3. 實驗教學管理過程智能化程度低

部分高校已引入數字化實驗教學平臺用于輔助教學[9-10]，但在實際應用中仍存在一些問題。首要問題在于平臺功能不完善與智能化水平不足，缺乏必要的教學管理工具、數據分析功能與互動機制，難以滿足現代教學的多元化需求。另一顯著問題在于，現有平臺未能實現實驗教學全程的統一智能化管理，教學資源和教學活動仍處于相對分散的狀態，不僅增加了教師整合教學資源的難度，影響了教學效果，而且影響了學生獲取知識的連貫性。因此，加強平臺的智能化建設，實現教學資源的集中管理與教學活動的無縫銜接，是提高實驗教學管理效率的重要手段。

二、實驗教學過程數字化改革與實踐

本文以人工智能學院智能科學與技術專業核心課程圖像處理與機器視覺課程為例，開展實驗教學數字化改革的初步探索。首先，在實驗內容體系上，對課程內容進行設計與整合，制定遞進式、銜接式的課程內容體系。其次，在實驗教學模式上，通過線上線下混合式實驗教學，促進教學模式從傳統灌輸型向合作型、探究型轉變。再次，在教學資源方面，本著“開放、合作、共享”的教育理念，建立豐富多樣的數字化教學資源庫。最后，在教學過程管理方面，依托數字化教學平臺實現實驗內容、作業布置、課后答疑、在線考試、評價分析等教學過程管理一體化。實驗教學改革總體建設思路如圖1所示。

（一）構建多層次實驗教學內容體系

以往的圖像處理與機器視覺實驗課程教學內容，存在知識碎片化、知識點與工程應用銜接不暢、專業課程內容間缺乏有機融合等問題。針對這些問題，課題組重新修訂了該課程的教學大綱，結合人工智能領域的基礎知識、實踐技能及前沿應用，著重對該課程部分實驗內容進行重構，提出了由基礎性、綜合性和創新性實驗構成的多層次階梯式實驗教學內容體系。具體來說，首先對課程知識點重新進行梳理總結，搭建以圖像工程方法、圖像分析處理技術、機器視覺技術為主的整體知識體系框架，形成系統化的學習路徑。其次，將其中關聯的重要知識點糅合并按照難易程度劃分為基礎性實驗、綜合性實驗和創新性實驗三個層次，形成階梯式實驗教學內容體系。其中基礎性實驗如圖像變換、圖像去噪、圖像紋理分析等能夠幫助學生掌握圖像處理基礎理論與算法應用；綜合性實驗如單目視覺測量、目標識別跟蹤等能夠引導學生深入探索機器視覺領域的前沿動態與實踐案例；創新性實驗如機器人伺服系統，結合機器視覺技術與機器人動力學課程內容，可實現對機器人的視覺定位與運動控制，旨在鼓勵學生綜合運用各課程知識解決復雜工程問題，激發學生的創新思維與實踐潛能，實現知識與能力的雙重飛躍。

同時，本文依據各層次實驗內容的特性與難度設計了靈活多樣的教學模式。對于基礎性實驗，采用線上預習與線下實操融合的教學模式，學生先行自學基礎理論，課堂則聚焦實驗操作與難點解析，強化實踐認知。針對綜合性實驗，采取線上自學與小組合作探究模式，旨在讓學生掌握基礎知識后，通過團隊協作深入探討復雜問題，提升綜合解決問題的能力。對于創新性實驗，采用教師指導與小組自主設計相結合的方式，引導學生在教師指導下圍繞研究課題獨立規劃實驗方案，通過小組協作，全面激發學生的實踐與創新能力。

（二）開發“線上+線下”混合式實驗教學模式

在智慧教育蓬勃發展的今天，現代信息技術與教育教學的深度融合催生了“線上+線下”混合式教學這一創新模式，實現了在線教育與實體課堂的深度交融、靈活轉換與協同共生[11]。圖像處理與機器視覺課程是一門基礎性與實踐性兼具的課程，采用“線上+線下”混合式實驗教學模式，能夠將課前預習、課中實驗與課后實踐有效銜接。對于圖像工程方法、視覺庫使用方法等相對簡單的實驗內容，主要以學生預習為主，教師在課前通過數字化教學平臺發布教學課件、視頻、作業等與課程相關的資源和任務，引導學生預習。而對于相機標定、視覺測量等實操性較強的實驗內容，則以線下課堂演示講解為主、課前預習為輔。教師先對實驗重難點進行實操演示，再對學生的實驗操作進行指導，及時解答疑問，確保實驗效果。在課后實踐環節，學生通過數字化平臺實時與其他同學進行互動討論、向授課教師請教問題、提交作業，教師在線批改學生的作業并根據學生的個性化需求進行針對性的輔導。

“線上+線下”混合式實驗教學模式具有顯著優勢：其一，突破傳統課堂教學時空局限，師生可隨時隨地開展教學活動，提升學習的靈活性；其二，實現個性化學習路徑，學生按需定制，教師因材施教，增強教學的針對性與有效性；其三，豐富交流互動形式，構建指導協作型學習環境，顯著提升課堂互動性與教學成效。教學實踐表明，“線上+線下”混合式實驗教學模式下的教學資源更加豐富，師生互動機制更加靈活，學生在該門課實驗課堂上的互動積極性顯著提升，凸顯了現代技術與實驗教學深度融合對教學活動的促進作用。

（三）建設多樣化數字教學資源庫

數字教學資源庫具有獲取便捷、形式多樣、開放共享等特質，能夠有效促進實驗教學活動的開展。首先，數字教學資源庫匯集了豐富的教學資源和素材。在數字化平臺，教師通過課程設置模塊高效建設教學資源。該模塊不僅能清晰傳達教學任務、要求及評價標準，還能上傳教學視頻、課件、實驗指導書等課程相關資料，為教師提供便捷化、專業化的教學內容支持。其次，數字教學資源庫也是服務于學生的自主學習知識庫，學生在數字化平臺上可以根據自己的學習需求和興趣自主選擇學習內容，如下載課件，觀看實驗講解視頻，在線進行虛擬仿真實驗等，使學生在沒有實驗室設備的情況下也能獲得實踐知識與經驗，促使學生從以往被動學習知識向主動獲取知識轉變，也使實驗課程中的教與學變得更加靈活。此外，由于人工智能技術發展迅速，深度學習、神經網絡等方法在圖像處理中的應用不斷涌現，數字教學資源庫的可擴展性更強，更便于定期更新前沿教學資源，持續吸納前沿教學理念與技術，如最新的算法講解、深度學習模型應用案例等，既能使教師在教學中與時俱進，又能提高學生對學科前沿的認識與理解。

（四）整合實驗教學管理全過程

構建科學高效的智能實驗教學管理平臺已成為高校提高實驗實踐教學水平和管理效率的重要途徑[12]。本文基于人工智能教學實踐平臺，實現了包括任務布置、在線實驗、批改實驗、課后答疑、在線考試、成績分析等環節在內的實驗教學全過程一體化管理，這種管理模式使得各個教學環節之間的銜接更加緊密，構建了一個高效、互動性強且連貫的教學流程。

在教學過程中，教師基于每節課的課程內容和教學目標，通過實踐平臺對實驗任務進行管理與布置，學生在教師的指導下依托平臺完成實驗。實驗過程中，平臺實時記錄過程數據并自動保存實驗結果。學生提交結果后，平臺自動對實驗代碼及報告進行查重，標記重復部分并反饋給任課教師，幫助教師高效評判作業質量，簡化監管與指導工作。課后，學生通過平臺及時提出實驗過程中的問題，教師和其他學生能夠在線回復，這能幫助教師迅速了解學生的學習狀況。教學質量評價階段，通過平臺進行隨堂測試、在線評分及成績分析。例如在圖像處理與機器視覺課程中，通過成績分析發現學生對視覺測量任務中的空間坐標系變換、相機標定等知識點掌握相對較差，教師就會針對薄弱知識點調整教學內容與教學方式，詳細講解幾何投影、相機內外參、齊次坐標等基礎概念，分步驟帶領學生進行推導與理解。同時，通過平臺上傳講解視頻和示例代碼，方便學生課后復習與鞏固知識。智能化實驗教學管理模式為教師提供了教學效果的量化反饋，推動了教學內容和方法的持續優化，實現了從“經驗主導”到“數據驅動”的轉變，最終實現“人機協同教學育人”的目標。

三、改革與實踐成效

我校實驗教學數學化改革促進了人工智能學院的專業建設與發展，目前已取得初步成效。在課程建設方面，依托學院人工智能數字化教學實踐平臺建設智能科學與技術、機器人工程兩個專業共20余門實驗課程，總計進行線上實驗項目150余項，每學期累計服務學生超過500人次。以圖像處理與機器視覺課程實驗為例，實驗報告按時提交率在95%以上，實驗環節考核及格率達到100%，實驗課支撐課程目標平均達成度為0.83，實驗課堂互動率相較往年有明顯提升。此外，圍繞實驗教學改革，獲批省級及以上教研項目立項10余項、校內自編實驗講義立項2項。利用數字化管理平臺的競賽模塊，輔助承辦吉林省人工智能創新大賽等多項省級學科競賽，學生獲國家級、省級學科競賽獎項10余項。在管理制度方面，制定了《實驗環節教師工作手冊》等多項管理規定，實施崗位責任制，明確職責分工，并建立了有效的線上監督機制，定期通過教學實踐平臺在線對實驗教學內容、進度、質量等進行無感檢查，確保實驗教學活動的有序開展，實現了實驗教學管理的制度化、規范化。

四、結語

實驗教學數字化改革對于提升高校實驗教學管理水平、培育創新應用型人才等具有重要意義。本文從構建實驗課程內容體系、重構實驗教學模式、建設數字化實驗教學資源庫、推進實驗過程管理一體化幾方面，實施全方位的實驗教學改革與實踐。目前，基于人工智能和大數據平臺的實驗教學改革仍然處于探索階段，通過在圖像處理與機器視覺實驗課程的實踐檢驗，取得了一定成效，但仍存在許多有待改善和提高的地方，比如整合專業不同課程的實驗內容、探索更加多樣化的實驗教學評價標準等，未來還可以從實驗教學思路、教師角色定位、學生行為分析等方面進一步推進相關研究的發展。

［ 參 考 文 獻 ］

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［責任編輯：劉鳳華］