鐘顯康 李浩男 扈俊穎

作者簡介：1.鐘顯康，男，重慶人，材料物理與化學(xué)博士，西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要從事油氣田腐蝕與防護研究;2.李浩男，男，遼寧錦州人，油氣井工程在讀碩士，主要從事油氣田腐蝕與防護研究;3.扈俊穎，女，山東臨沂人，材料學(xué)博士，西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事油氣田腐蝕與防護研究.

摘 要：高校的理論教學(xué)在不斷進步，但實驗類教學(xué)卻始終未能擺脫其局限性。在遭遇新冠疫情沖擊時，實驗類教學(xué)缺陷被進一步放大，絕大多數(shù)高校實驗類教學(xué)活動處于長期停滯狀態(tài)，這嚴重影響了學(xué)生動手操作能力的培養(yǎng)。今后應(yīng)打破實驗資源壁壘，實現(xiàn)實驗資源共享，同時采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、模擬仿真等對策，讓實驗教學(xué)更好地為提升教學(xué)質(zhì)量服務(wù)。

關(guān)鍵詞：實驗類教學(xué);大數(shù)據(jù);設(shè)備共享;虛擬現(xiàn)實技術(shù);仿真模擬

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A 文章編號：2095-5995（2021）03-0036-04

一、研究背景

實驗類教學(xué)是我國各大高校人才培養(yǎng)的重要組成部分。2019年2月，國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》中提出，在2035年之前，要實現(xiàn)我國教育現(xiàn)代化，建設(shè)智能化校園，統(tǒng)籌建設(shè)一體化智能教學(xué)、管理與服務(wù)平臺，加快信息化時代教育變革。如今，世界各國愈加重視國民的教育水平，在加速國家科技發(fā)展的過程中，工程技術(shù)人才在實現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化中起著重要作用[1]。而實驗類教學(xué)是否能夠取得突破性進展，直接關(guān)系到我國工程技術(shù)人員培養(yǎng)的質(zhì)量和高等教育發(fā)展的步伐。新冠疫情爆發(fā)后，全國各省市自治區(qū)啟動重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件一級響應(yīng)，我國教育行業(yè)在遭遇新冠疫情的沖擊時，多數(shù)高校為保證理論教學(xué)的順利進行，在全國范圍內(nèi)開始施行互聯(lián)網(wǎng)線上教學(xué)，且逐漸被大眾所接受[2]。反觀實驗類教學(xué)，其存在的缺陷在疫情下則被進一步放大。為順利實施科教興國、人才強國戰(zhàn)略，保持我國高等教育的戰(zhàn)略競爭力，提升我國工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量和工程技術(shù)水平，新一輪的實驗類教學(xué)改革迫在眉睫。

二、實驗類教學(xué)的重要性

（一）學(xué)生理論聯(lián)系實際的需要

在目前的高校教育體系中，理論教學(xué)與實驗類教學(xué)雙管齊下成為主流教育模式[3]。理論教學(xué)能使學(xué)生深層次地了解事物發(fā)展規(guī)律及其內(nèi)在邏輯關(guān)系，在以往的教學(xué)模式中，理論教學(xué)往往占據(jù)絕對的主導(dǎo)地位，出現(xiàn)了“重理論，輕實踐”的現(xiàn)象，致使很多學(xué)生只會“紙上談兵”，被局限于抽象的理論模型中，忽略了理論聯(lián)系實際的重要性。隨著我國教育體制的改革，高校在兼顧理論教學(xué)的同時，加大了對于工程實踐及實驗類教學(xué)的重視程度，紛紛建立相關(guān)的工程實訓(xùn)中心以用于學(xué)生的生產(chǎn)實踐實習(xí)，并通過多種方式加強學(xué)生在該方面的能力培養(yǎng)。這樣的培養(yǎng)模式可以使理論與實際相結(jié)合，避免學(xué)生出現(xiàn)“高分低能”的現(xiàn)象。

（二）專業(yè)人才培養(yǎng)的需要

實驗類教學(xué)是化學(xué)、物理、工程等學(xué)科培養(yǎng)專業(yè)人才的必然要求，學(xué)生必須經(jīng)過大量的實踐訓(xùn)練，以培養(yǎng)現(xiàn)實工作中的動手操作能力。隨著社會的不斷進步，我國已經(jīng)進入工業(yè)化后期，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起帶動了虛擬經(jīng)濟的發(fā)展，但這也導(dǎo)致我國以制造業(yè)為主的實體經(jīng)濟面臨著巨大挑戰(zhàn)[4]。2016年的中央經(jīng)濟工作會議曾強調(diào)，應(yīng)通過推動科技創(chuàng)新來改變我國結(jié)構(gòu)性失調(diào)的現(xiàn)狀[5]。我國的制造業(yè)每年都會涌入大量高校畢業(yè)生，而大部分應(yīng)屆畢業(yè)生的動手能力以及創(chuàng)新能力相對匱乏，剛?cè)肼殨r需要行業(yè)內(nèi)有經(jīng)驗的員工對其言傳身教，但這樣很容易使其形成固定的工作模式，很難將在學(xué)校中學(xué)到的理論知識與實際情況相結(jié)合，最終導(dǎo)致難以培養(yǎng)出高素質(zhì)的專業(yè)型人才。目前，我國亟需培養(yǎng)一批具有創(chuàng)造力的、動手操作能力強的高素質(zhì)專業(yè)型人才，以提高我國制造業(yè)工人專業(yè)素養(yǎng)的平均水平。

三、傳統(tǒng)實驗類教學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)

我國高等院校中常規(guī)的實驗類教學(xué)方式包括實驗課程教學(xué)、生產(chǎn)實習(xí)、工程實訓(xùn)等，旨在加強對學(xué)生理論知識與實際操作相結(jié)合的能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[6]。黨的十八大以來，我國加快了對高等教育的改革，對現(xiàn)代教育理念賦予了新的生命，但依然難以突破傳統(tǒng)實驗類教學(xué)中存在的桎梏。

首先，我國教育資源分配不均勻。在經(jīng)濟、教育相對發(fā)達的東南沿海地區(qū)，部分高校配備成套的設(shè)備、場地、模擬基地等供學(xué)生進行實際操作，而不具備此條件的高校則無法滿足實驗類教學(xué)方面的需求[7]。雖然國家號召高校與高校之間、高校與企業(yè)之間進行設(shè)備共享，但目前全國高校的大型設(shè)備共享制度并不完善，如何高效、全面的實現(xiàn)設(shè)備共享還需重新制定新的政策和措施。

其次，實驗資源配置不均衡。實驗資源充足的高校和科研機構(gòu)的實驗設(shè)備及相關(guān)工程實訓(xùn)場地，往往存在一個月甚至是幾個月的閑置，而實驗資源匱乏的地區(qū)連最基本的實踐教學(xué)需求都無法滿足。如果能夠有效整合資源、避免實驗資源的浪費，那么我國新一代的實驗類教學(xué)改革進程將進一步加快。

最后，實驗類教學(xué)難以滿足遠距離教學(xué)的需求。我國幅員遼闊，高校中的學(xué)生來自于全國各地，在校時可以統(tǒng)一進行實驗類教學(xué)，但無法回歸校園時，實驗類教學(xué)任務(wù)將會處于停滯狀態(tài)。傳統(tǒng)的實驗類教學(xué)完全基于施教者與學(xué)生應(yīng)處同一地點這一條件，一旦產(chǎn)生空間上的距離，則無法順利進行教學(xué)。這一點也是限制我國實驗類教學(xué)發(fā)展的重要因素。

2020年初，當疫情突然來襲時，實驗類教學(xué)的弊端被無限放大。理論教學(xué)在疫情期間實行線上教學(xué)，教學(xué)手段得到了新的發(fā)展，但同樣的方式在實驗類教學(xué)上卻無法實現(xiàn)。實驗類教學(xué)是針對學(xué)生的實際動手操作能力以及思維創(chuàng)新能力進行的側(cè)重性培養(yǎng)，如果不進行實際操作，就無法達到教學(xué)目的。更何況，在工程類科學(xué)研究方面，如果沒有工程實驗設(shè)備參與，很多科學(xué)研究則根本無法進行。

四、推進實驗類教學(xué)改革的方法討論

進入21世紀以來，資源共享、大數(shù)據(jù)、模擬仿真等成為熱議話題。筆者提出以下三種可行的方案，嘗試解決實驗類教學(xué)所遇到的難題。

（一）實驗資源共享

我國高等教育正處于快速發(fā)展階段，為保證科研工作和實驗類教學(xué)工作的順利進行，高校加快了實驗場地和相關(guān)配套實驗設(shè)施的更新?lián)Q代進程。但在疫情等特殊情況期間，實驗設(shè)備利用率低、工程實訓(xùn)基地等實驗場地長時間閑置等情況屢見不鮮，這造成了資源的浪費。國務(wù)院在2015年提出了關(guān)于國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器向社會開放的倡議[8]。經(jīng)過了多年的努力，我國已經(jīng)建立了大型儀器設(shè)備開放共享平臺及相關(guān)制度，但其主要針對于50萬元以上的大型儀器設(shè)備，而對于其他實驗設(shè)備還未形成統(tǒng)一化管理，實驗資源浪費的現(xiàn)狀依然沒有徹底改變。為應(yīng)對特殊情況下實驗類教學(xué)所帶來的挑戰(zhàn)，亟需開拓新的共享開放模式以及完善相關(guān)的運營管理機制。

1.建立有償使用機制

目前，多數(shù)高校的實驗設(shè)施及工程實訓(xùn)基地只建立了校內(nèi)各二級學(xué)院間的共享機制，不同學(xué)院之間可通過校方提供的設(shè)備管理平臺進行交互使用。但若想實現(xiàn)資源利用最大化，需擴大受眾范圍，通過實行有償使用模式實現(xiàn)對外資源共享模式。設(shè)備擁有方享有占有權(quán)、使用權(quán)，制定相關(guān)收費標準后可對社會開放。通過實行有償共享實驗資源制度，一方面，可以整合社會資源，避免科研資源的浪費，實現(xiàn)校校合作、校企合作;另一方面，通過有償共享使用實驗設(shè)備而得到的費用，可用于實驗設(shè)備維護維修、日常保養(yǎng)、技術(shù)更新改造等，還可用于獎勵實驗設(shè)備的監(jiān)管技術(shù)人員，進一步提高設(shè)備擁有方的整體科研水平。

2.優(yōu)化開放管理政策

在對外開放實驗資源時，人員流動量大、實驗設(shè)備長時間工作以及不規(guī)范的操作等因素會導(dǎo)致實驗設(shè)備的損壞，這也是目前未能大范圍實現(xiàn)實驗資源共享的原因之一。對此，設(shè)備及場地的擁有方在實行有償使用的同時，應(yīng)積極制定管理辦法和相關(guān)配套設(shè)施細則、完善設(shè)備使用制度和損壞賠償制度等，將共享實驗資源管理機制細化到各個方面。設(shè)備使用過程應(yīng)實現(xiàn)大數(shù)據(jù)記錄，科學(xué)安排實驗設(shè)備的使用時間，避免因負載過大導(dǎo)致實驗設(shè)備的損壞。

3.加強技術(shù)人員培訓(xùn)

在使用實驗場地及進行相關(guān)的實驗操作時離不開專業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)和監(jiān)督，尤其是在對外開放使用時，由于工作強度增加，實驗場地及實驗設(shè)備的監(jiān)管人員和操作人員的數(shù)量也會相應(yīng)增加。為確保相關(guān)實驗的順利進行，應(yīng)對監(jiān)管人員和操作人員進行系統(tǒng)的培訓(xùn)和嚴格的約束。一方面，操作人員應(yīng)擁有較強的使用本領(lǐng)，對于相關(guān)實驗設(shè)備的熟悉程度應(yīng)到達一定標準，這樣可以在最大程度上避免因人為操作失誤對實驗設(shè)備造成損壞。另一方面，應(yīng)做好相關(guān)工作人員的保密培訓(xùn)工作并同使用方簽署保密協(xié)議，以此保護使用方的科研成果，避免因科研成果外泄而造成的不良影響。

目前我國的實驗資源共享制度還不夠完善，不僅需要實驗設(shè)施及場地的擁有方，如高校、科研院所等建立并完善相關(guān)的有償使用機制，還需要國家加大對實驗資源宏觀調(diào)控的力度，逐步實現(xiàn)全國各地的科研資源均衡發(fā)展。

（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)）

VR技術(shù)是多種現(xiàn)代化計算機技術(shù)的集合。利用計算機進行數(shù)字圖像處理，通過計算機圖形學(xué)和人工智能等對實驗室現(xiàn)場進行模擬，把處理好的數(shù)據(jù)下載到VR眼鏡、VR頭盔等硬件設(shè)備，通過多媒體和傳感器等設(shè)備技術(shù)實現(xiàn)虛擬世界實物化。這些硬件設(shè)備作用于受眾者的感官，進而在使用者眼前展現(xiàn)出逼真的現(xiàn)實場景[9]。早在1992年，美國東卡羅琳那大學(xué)就開始在教育領(lǐng)域嘗試VR技術(shù)的應(yīng)用，并確認了虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于教育行業(yè)的可能性[10]。在國內(nèi)，中國科技大學(xué)首先將VR技術(shù)應(yīng)用于幾何光學(xué)實驗的教學(xué);北京航空航天大學(xué)通過不斷更新VR技術(shù)，成功將該技術(shù)應(yīng)用于對飛行員的訓(xùn)練[11]。

在完成信息數(shù)據(jù)采集工作后，需將現(xiàn)實場景以及實驗設(shè)備等通過計算機進行數(shù)字化處理，使其可以映射于虛擬世界[12]。VR技術(shù)不僅可以在疫情期間發(fā)揮作用，在疫情結(jié)束后的實驗類教學(xué)中也可以投入使用，尤其是針對一些具有危險性的實驗，可以提高操作過程中的安全性。

VR技術(shù)應(yīng)用于實驗類教學(xué)的關(guān)鍵在于能否建立相對豐富的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的信息越龐大，實驗的還原度會越高。數(shù)據(jù)庫的建立并非一朝一夕之功，這需要政府提供政策上的支持，大力鼓勵高校間實行聯(lián)動配合，充分發(fā)揮不同高校所擅長的領(lǐng)域。以校為單位，具體到高校實驗室，建立完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使每一項實驗都有所記錄，最終將完整數(shù)據(jù)上傳到云端進行分類綜合處理。

（三）仿真模擬平臺

通過Matlab等進行數(shù)據(jù)處理編程，可開發(fā)出供學(xué)生進行線上操作的軟件。此類仿真模擬平臺通過輸入初始數(shù)據(jù)，經(jīng)過事先設(shè)置好的程序進行處理，模擬現(xiàn)實儀器的功能，最后得出處理結(jié)果。孫少華等通過Matlab圖形用戶界面GUI和Simulink，開發(fā)了一種交互式的混合動力汽車整車性能仿真實驗平臺[13]。該平臺是針對于車輛工程這一門課程而設(shè)計的。為實現(xiàn)高質(zhì)量教學(xué)，該課程需要理論與實際相結(jié)合，若只是進行理論教學(xué)，學(xué)生在日后實際工作的參與上將會遇到很大困難?？紤]到車間環(huán)境的安全問題以及實際情況，學(xué)生往往很難進行工程實訓(xùn)操作。蘇州科技大學(xué)曾在空氣調(diào)節(jié)課程中使用“全空氣空調(diào)系統(tǒng)模擬平臺”，該平臺安裝于學(xué)校機房的計算機中，通過在該仿真模擬平臺模擬真實場景，可以讓學(xué)生能加深入地了解空調(diào)的內(nèi)部運行結(jié)構(gòu)，為日后學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了理論依據(jù)[14]。

相對于利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行實驗類教學(xué)，仿真模擬平臺的可操作性更強，只需要獲得使用權(quán)限，即可在計算機中進行線上模擬操作。無論是虛擬現(xiàn)實技術(shù)還是仿真模擬，都需要有強大的計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作為支撐，尤其是仿真模擬平臺的建立，不僅需要對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進行處理，還需要專業(yè)的編程人員予以技術(shù)上的支持，在收集數(shù)據(jù)資料后將其進行統(tǒng)一整合，將同類實驗分類歸檔進行可視化處理，之后再用專業(yè)軟件進行最終加工，制作出符合實際操作的程序系統(tǒng)。

五、結(jié)語

為加速我國高校教育中實驗類教學(xué)改革的推進并整合實驗設(shè)備、實驗場地等資源，一方面，高校及相關(guān)科研機構(gòu)應(yīng)進一步完善建立在有償使用機制下的資源共享模式，與此同時，國家及政府方面應(yīng)出臺相關(guān)鼓勵政策，大力提倡實驗設(shè)備及場地資源的共享;另一方面，高校應(yīng)充分利用互聯(lián)網(wǎng)成果所帶來的便利，在不同學(xué)科中建立仿真模擬平臺，做到科學(xué)與技術(shù)融為一體。與此同時，進一步完善VR技術(shù)在實驗類教學(xué)中的應(yīng)用，實現(xiàn)在不同場合下教學(xué)環(huán)境的情景再現(xiàn)，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打破傳統(tǒng)實驗類教學(xué)的空間與地域的限制，形成“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的教學(xué)模式，加快在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的教育改革進程[15]，使教育具有整體性、創(chuàng)造性和實踐性。

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