高校虚拟与开放实验室教学模式探索与实践

高校虚拟与开放实验室教学模式探索与实践【摘要】：Ap:阐述了新形势下探索高校实验室教学模式的重要性，分析Ap了高校实验室的现状与存在的问题，首次提出了高校虚拟实验室与开放实验室相结合的教学模式。通过搭建全开放式实验室软、硬件平台，开发虚拟实验室管理系统，建立了基于网络化的虚拟实验室和现实实验室相结合的开放实验管理系统，取得了良好的效果。【关键词】：Ap：虚拟实验室；开放实验室；教学模式作者简介：高素美（1979-），女，山东济宁人，金陵科技学院机电工程学院，讲师；牟福元（1966-），男，辽宁大连人，金陵科技学院机电工程学院，讲师。（江苏南京211169）基金项目：本文系20__年度江苏省现代教育技术研究课题（项目编号：20__-R-21860）、2021年度金陵科技学院教改课题（项目编号：2021JG_M-01-4）的研究成果。中图分类号：G482文献标识码：A文章编号：1007-0079（20__）16-015102党的十八大报告明确提出要“全面实施素质教育，深化教育领域综合改革，着力提高教育质量，培养学生社会责任感、创新精神、实践能力。”随着我国高等教育进入大众化阶段，高校大学生数量急剧增加，实验仪器设备等实践性教学资不足的问题逐步凸显。如何深化实践教学综合改革，培养大学生的实践能力，是高校当前阶段和今后很长一段时期面临的重要任务。高校实验室作为培养大学生实践能力的重要基地，[1]需要深化管理体制改革，创新管理模式，建立适合高等教育现状的实践教学模式。本文结合金陵科技学院建筑智能化实验教学中心的特点，对高校开放实验室和虚拟实验室相结合的教学模式进行了探索与实践。一、高校实验室现状与存在的问题实验教学是学生发挥积极性、主动性和创造性，进行科学知识验证和科学研究的再创造过程。相对理论教学，高校实验教学以其直观性、实践性、创造性等优点，在培养大学生工程应用能力、动手能力、创新能力等诸多方面发挥着重要作用。目前各高校也较以往更加注重实验教学，但高校实验室在使用形式等方面仍存在一些问题。高校实验教学模式存在的问题随着我国经济增长方式从粗放型向集约型转变，社会对大学生实践能力和工程应用能力提出了更高要求，各行业对应用型人才的知识、能力和素质也有了更高要求。这就要求高校打破学科壁垒，探索新形势下的课程体系、教学内容、教学方法和学习评价体系，[2，3]建立新的实践教学模式。传统的实验教学内容陈旧，学生的知识体系在深度和广度上的构建受到了影响。[4]传统的实验教学系统的构建模式不够完善，限制了学生参与实验的开发和独立操作，学生在实验过程中仅仅停留在根据教师的演示和讲解进行简单的模仿，学生的动手能力和创新思维能力没有得到有效的训练与培养。[5]另外，传统的实验教学仅限于在实验课内规定的时间和地点进行实验，学生只是被动的参与，没有充分发挥其主动性和创造性。高校实验室未开放，在时间和空间上限制了学生创造性的发挥目前很多高校的实验室仍是封闭的，未对学生实现全天候开放，并且实验教学受到理论教学内容及教学计划进程的约束，在有限的实验学时内基本上仍以演示性和验证性实验为主，这种教学模式在很大程度上限制了学生创造性的发挥。近年来，国内很多高校认识到了开放实验室对培养学生实践能力的重要性，进行了一定程度的探索和实践，但能够真正把开放实验教学工作落到实处、进行全方位开放的高校却为数不多。本文从硬件和软件两方面对开放实验室进行了探索与实践。二、本文研究内容本课题将信息技术及虚拟现实技术引入到高校实验教学环节中，对传统的实验教学模式进行了改革和创新，提出通过应用网络技术结合虚拟现实技术构建创新型、自主型和开放性的实验教学模式。学生首先通过网络进入虚拟实验室，对专业学科所涉及的实验室有一个直观、形象的了解，进而选择感兴趣的虚拟实验室进行实验。在虚拟实验结束后，学生已能准确定位学习兴趣，然后通过开放式实验管理系统，申请进入现实实验室进行实验。虚拟实验室和现实实验室相结合的开放式实验管理系统既能克服传统实验教学模式带来的时间、空间上的限制，又能让学生根据学习兴趣，自由、自主的对实验进行选择，有利于因材施教。同时，能充分调动学生的积极性和主观能动性，激励学生进行科学研究的再创造，提高学生的实践能力和创新能力。虚拟实验室系统研究与开发虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实环境中一样完成各种预定的实验项目。虚拟实验室由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。用户可以通过增加新的物体、建立新的实验，并把它们转化成超文本文件来扩充实验室。虚拟实验室系统采用三维虚拟场景，具有更强的表现力，能逼真的模拟真实的实验操作。虚拟实验室系统将计算机技术、软件技术以及网络技术和传统实验仪器结合在起来，改变了实验系统的构建模式，提升了实验仪器的整体性能，突破了实验操作的时空限制，是传统实验方法的变革，是继理论研究和实验研究之后的第三种科学研究方法。虚拟实验室系统研究与开发，即对实验仪器设备进行三维造型，综合运用虚拟仪器技术、ED徽术、网络技术和仿真技术等，构建逼真的三维实验空间，即虚拟实验室。虚拟实验环境为用户提供了一个虚拟的实验课堂，使其能够利用该环境进行实验预习，了解相关的实验仪器资料，并进行虚拟实验。可通过虚拟仪器系统，观察、分析Ap、处理实验结果。全开放式实验系统研究与实践目前越来越多的高校意识到开放实验室对培养学生实践能力和创新能力的重要性，但是没有配套的软件和硬件设施来保障开放实验室运行，无法真正将开放实验室培养模式落到实处。本文将开放实验室分为专业课程课内实验、学科竞赛培训、省市级和校级学生创新实践项目、教师科研项目等几个层次，逐步引导学生真正进入开放实验室。在学生培养上，采用“传帮带”的模式，高年级有经验的学生逐步帮助并带领低年级学生进入实验室，使开放实验室真正“开放”，并成为大学生的科研创新基地。为保障开放实验室运行，自主研发了开放实验室智能管理系统（见图1），并给开放实验室安装了智能门禁系统。全校师生登录开放实验室智能管理系统预约课外实验，通过教师和管理员审核后，在实验开始前半小时内，凭“校园一卡通”即可打开相应实验室。从实验时间上看，实验室全天候开放，学生通过预约可以随时进入实验室进行相关的实验，真正做到了有条理、有层次的开放式管理。建立基于网络化的虚拟实验室和现实实验室相结合的开放实验管理系统在传统实验中引入新理念和新模式的同时，必须辅之以新的管理技术，尤其是面向教学的开放实验项目管理，必须借助现代网络技术平台才能有效开展。本文将虚拟实验室和现实开放实验室有机融合，建立了基于网络化的虚拟实验室和现实实验室相结合的开放式实验管理系统，创新了实践教学模式。虚拟实验室和现实实验室相结合的开放实验管理系统结构图如图2所示。三、本课题研究意义搭建了全开放式实验室管理硬件平台搭建开放式实验室管理硬件平台，实现多级开放的管理模式，不同学科、不同专业的学生可根据学习兴趣、网上预约实验，实现以学生为主体、以学生自我训练为主的实验教学模式。从实验时间上看，实验室全天候开放，学生可以通过预约随时进入实验室进行相关的课外实验。构建了基于网络化的开放式实验管理系统为激励学生学习，创造学生自主实验、个性化学习的实验环境，建立了网络化的实验教学和实验室管理信息平台。学生可以网上申请实验、预习实验、观摩实验，为实验室在时间和空间上加大开放力度奠定了技术基础。开发了虚拟实验室管理系统对实验仪器设备进行三维造型，综合运用虚拟仪器技术、EDAJ术、网络技术和仿真技术等构建了逼真的三维实验空间，即虚拟实验室。开发虚拟实验室和现实实验室相结合的开放式实验管理系统虚拟实验室和开放式实验室相结合，使学生在实验前通过虚拟设备进行相应的实验仿真，更好地了解实验，并通过虚拟设备进行实验创新，准确定位兴趣所在，然后有目的性、针对性地进入开放实验室。虚拟实验室和现实实验室相结合的开放式实践教学模式，创新了实践教学管理模式，是一种适合高等教育实验室现状的实践教学模式。四、结束语可将本课题研究成果推广应用，建立全省乃至全国虚拟实验室网，实现各大高等院校虚拟实验室的资共享、优势互补，做到“足不出户，遍览天下实验室”。【参考文献】：Ap:王峰，鱼静.高校开放实验室与学生创新能力培养[J].实验室研究与探索，2021，30（3）：320-322.廖庆敏，秦钢年.建立开放实验室提高学生的实践能力和创新能力[J].实验室研究与探索，2021，29（4）：162-165.[3]MAZhan-guo，MIAO_ie-_ing，ZHANGFa，netal.E_perimentalstudyintopermeabilityo