數字化實驗教學探討

　摘要：高素質創新人才培養是高等教育的一個重要方面，實驗教 學是創新能力培養的重要環節。本文論述7如何通過數字化實驗，加強實驗實訓等實踐性環節的教學改革，使實驗教學自成體系，著眼于促進學生實踐和創新能力的 提高進行。
　　關鍵詞：實驗教學；數字化；教學改革；網絡； 立體化
　　
　　從上世紀90年代末起，中國的 高等教育經歷了一個快速發展的階段，逐年擴大的招生規模，使我 國高等院校在校的學生達到了前所未有的程度。大學教育在總體上已經從以前的精英教育過渡到了大眾教育。如何堅持教育創新思想、實現培養技術應用型人才的既 定目標，就成為一個十分值得研究的課題。本文就如何通過數字化實驗，加強實驗實訓等實踐性環節的教學改革，使實驗教學自成體系，著眼于促進學生實踐和創新 能力的提高進行了論述。
　　
　　一、實驗教學方法、手段改革的必要性
　　
　　目前許多高校實驗教學普遍存在的問 題是：實驗教學設備陳舊，臺套數較少，實驗內容落后。許多實驗僅局限于對所學理論結果進行驗證，或開設一些演示實驗。有些課程的實驗，由于缺少設備，也只 能在計算機上進行仿真。上述問題在一定程度上已經影響到學生對理論知識 的掌握和對理論課程學習的興趣，更談不上對學生實踐能力的培養。
　　在實驗教學方式上，仍然是傳統的教學模式。實驗教學一般只是定位于作為理論 教學的一種補充和繼續，即處于理論教學的一種附屬地位。在實驗項目的編排上，以基礎實驗或演示性實驗為主，多屬于內容單一、目的為驗證課堂所學的實驗類 型。在實驗的進行方式上，更是采用一種大體固定的模式：即在確定的時間內，讓學生根據實驗指導書要求，在教師指導下，按既定方法、既定條件，完成實驗全過 程。這里所謂實驗全過程，學生只需做三件事：即熟悉實驗指導書內容、按實驗指導書要求進行操作并完成實驗報告。而實驗指導書是教師精心編寫的。在這種狀態 下，根本談不上綜合運用知識解決實際問題；實驗教學尚未能真正地自成體系。學生在實驗中難以獲得創造的樂趣和激發更多的創造靈感。同時學生是否把課余時間 能用于研究性、探索性和創新性學習，還缺少更好的引導方法及提供合適的內容與條件，學生在學習中的主觀能動性沒有充分調動，多數學生處于被動接受知識傳授 的狀態，這對學生實踐能力和創新能力的提高十分不利。
　　針對這些具體問題和我們的培養目標，從理論和實際操作方法上，我們就實驗教學環節的改 革提出了新的方式和方法——即數字化實驗教學。
　　
　　二、數字化實驗教學的意義
　　
　　數字化實驗教學是指學 生在數字化實驗環境下，以虛實結合的方式，對虛擬實驗設備、仿真實驗環境、虛實結合的實驗對象進行操作，進而達到學習理論、鍛煉實驗技能、培養創新能力的 目的。
　　數字化實驗教學的基礎是數字化實驗室。數字化實驗室是數字化校園建設中不可缺少的一部分。數字化實驗室就是在傳統實驗室的基礎上，利 用先進的計算機技術、網絡通信技術、多媒體技術、數字技術、虛擬現實技術等相關的信息加工處理，將現實實驗室中的各種實驗資源數字化，并通過計算機進行實 驗教學管理的綜合性和開放型的實驗教學環境。它包括實驗條件的數字化、實驗管理的數字化和相關實驗資源的數字化等。
　　數字化實驗教學是實驗教 學改革發展的必然。通過數字化的實驗條件、豐富的數字化實驗資源、高效的數字化實驗管理，為學生開辟了“立體化”的學習、求知、探索、創新的場所，形成了 以學生為中心的教學模式，使學生真正變被動學習為主動學習，避免了學生被動接受知識、機械模仿教師的學習狀態，實現了學生由不會做到自己做，從簡單到復 雜、從觀察到分析再到創新的目的。
　　
　　三、實現數字化實驗教學應具備的條件
　　
　　(一)引入數字化儀器設 備，建立數字化實驗硬件環境
　　數字化儀器設備是數字化實驗室不可缺少的條件。數字化實驗室不是“虛擬仿真”實驗室，不能單純開展仿真型實驗內 容，應該是虛實結合，以實為主的模式。實者作為基礎實驗知識的學習和基本實驗能力的訓練；虛者用來開放實驗環境，及時應用科技成果和先進實驗技術，拓寬實 驗的覆蓋面。二者的有機結合，使實驗室成為培養學生創新能力、開發學生潛能的基地。通過虛擬電子儀器，提高實驗室的建設水平，增強實驗教學功能。從而 達到以下目的：既能夠在數字化實驗環境下，完成常規的實驗任務，培養學生基本實驗方法、實驗能力；又可以發揮數字化儀器的優勢，拓展傳統實驗內容，使學生 獲取更多的實驗知識；還可以通過網絡把數字化實驗環境擴展出去，使實驗室得到有效延伸，大幅度提高實驗設備的利用率。
　(二)構建以計算機為主體的數字化實驗平臺
　　
　 　數字化實驗室要真正體現出其優勢，必須以計算機為主體，把實和虛有機的結合起來。一方面計算機作為控制設備，充分開發數字化儀器的功能，另一方面計算機 搭建起虛擬實驗平臺，各種仿真環境、應用軟件為學生構建了滿足求知欲、發揮創造性的大舞臺。這些平臺有的學生可以直接通過網絡運行，有的通過下載到個人電腦上安裝運行，為學生在圖書館，在 宿舍均開辟了做實驗、搞設計的環境，學生可以自主安排實驗內容，自由創造實驗系統，使學生完全成了學習的主人。
　　
　　(三)發揮網 絡優勢，形成立體化實驗教學模式
　　網絡是數字化實驗室的神經，它可以保證數字化實驗室的高效率運行，達到最佳效果。一方面網絡把諸如數字化儀 器設備等硬件資源發散出去，開展遠程實驗，實現遠程控制，充分發揮數字化儀器設備的優勢，提高了利用率。遠程實驗也是遠程教育的重要組成部分，實驗教學全系統的數字化是實現遠程實驗的基礎和 必要條件。另一方面網絡把諸如實驗仿真平臺、多媒體課件、實驗輔導資料等軟件資源發散出去，作為實驗教學的拓展和補充；使實驗知識的學習沒有了實驗室時間 和空間的概念，完全成為了學生的自覺行動，同時也方便了學生的創造力的發揮和求知欲的滿足。
　　
　　(四)建設現代化管理手段，保障數字化實驗順利開展
　　數字化管理 是數字化實驗教學系統中不可缺少的部分，實驗的自主性、靈活性增大，要保證實驗效果和實驗質量，管理就必須要跟上，應制作相應的網上實驗管理系統。利用該 系統能夠實現對學生的實驗預習、實驗自習情況的了解、實現實驗預約、解惑答疑、報告提交、實驗討論、自我測試等功能，這樣一來既方便了學生在實驗室以外學 習時，遇到一般性問題，能得到及時的幫助；又能通過批閱學生的預習報告、查看學生的網上討論和測試結果，及時了解學生的學習情況，便于有針對性地安排輔 導：同時通過實驗預約更好地保證實驗場地的合理開放，使學生自主安排實驗時間和實驗內容。
　　
　　四、數字化實驗可以達到的效果
　 　
　　(一)數字化實驗解決了“全開放”實驗教學方式的瓶徑
　　數字化實驗教學是解決教學方法、學習方法、學習內容、學習時間、學習 空間全面開放的最佳方案，完成并沖破了傳統實驗教學在內容、時間、空間上的約束，可使我們的開放實驗真正實現全方位、全天候。學生可以到實驗室來學習實驗 知識和鍛煉實驗技能，也可以通過網絡開展實驗活動，學生真正成了實驗教學的主體，通過自己設計實驗內容、安排實驗時間、選擇實驗地點和實驗方式，全面培養 學生的創新能力。可以說數字化實驗教學使一切能為實驗室所用的條件、環境、資源都得到了充分的利用。
　　
　　(二)實驗教學數字化大 幅度拓寬了學生的知識受益面
　　由于沒有了實驗條件的限制，實驗內容便得到了火幅度地拓展和更新。在保證基礎訓練的前提下，可以增大設計性實驗 的比重，并把設計性實驗分為純仿真性實驗和虛實結合型實驗，純仿真性實驗要求學生可以進實驗室完成，也可以到校園網任何一個終端上去完成。虛實結合型實驗 要求除仿真外，必須要到實驗室實現實物實驗。除此之外還可以留出少量學時，給學生自己安排，完成綜合性、自選性實驗。
　　
　　(三) 實驗教學的“立體化”提高了實驗室的建設效益
　　通過網絡使實驗室在時間和空間上得到了全方位的開放，從而實現了實驗的“立體化”教學。學生除 了預約進實驗室做實驗外，更多地是發揮圖書館、網管中心、各計算機終端的作用，一邊查閱資料，一邊完成實驗任務。有的同學在圖書館中通過查閱資料，突然萌 發出設計思路，便立即通過網上實驗系統進行方案驗證，方案成熟后，即可到實驗室形成科技制作。把信息資料、仿真環境、實驗設備有機地結合起來，徹底打破了 只有實驗室才能開展實驗教學、完成實驗任務的傳統的“立體化模式，把實驗室擴展到了校園網絡所能達到的每一個節點，實現了實驗教學的“立體化”。