工科专业数字化实验开展的现状及对策研究

常江 巩雪 任婵媛

摘    要：近年来，媒体融合技术发展迅速，传统意义上的多媒体虚拟技术已逐渐被形式更加多样、交互性更好的新媒体取代。将多种媒体形式与传播媒介相融合，依托互联网开展数字化实验设计及实施，成为实验教学研究的新方向和热点。文章从工科专业实验开展中遇到的问题出发，从加强实验内容的数字化设计、实现实验内容与媒体介质的融合及构建数字化实验平台三个方面提出了完善工科数字化实验的对策，为后续开展相应教研实

践奠定了基础。

关键词：数字化实验;工科;媒体融合;对策

中图分类号：G642.3          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2019）010-0055-02

数字化实验是以真实实验为基础，借助计算机来完成部分或全部功能的实验[1]。国际上数字化实验主要有两类：一类是微型计算机实验室，另一类是虚拟仿真实验室。自1984年美国马萨诸塞州剑桥学院技术研究中心的Tinker提出数字化实验构想以来，经过三十多年的不断发展，数字化实验在远程实验室建设、数字化实验技术整合和开发研究方面取得了大量的成果。我国也在1999年左右开始了以虚拟实验教学为代表的数字化实验探索。

新媒体技术以数字技术、计算机技术和现代通信技术为基础，是一个多种产业技术整合的动态产物，随着互联网技术的进一步发展，呈现出PC和多种移动终端如手机、平板电脑的不断融合。传统意义上的多媒体虚拟技术已经逐渐被形式更加多样、交互性更好的新媒体取代。

将多种媒体形式和传播媒介相融合，依托互联网开展数字化实验设计和实施，成为实验教学研究的新的方向和热点。数字化实验研究一直是自然科学、技术学、工程学及数学学科领域研究的重点。在媒体融合背景下的开放式的数字化实验是一种高层次的自主性的合作实践过程。在这种开放式的实验过程中，从选题到资料收集整理，再到研究方案确定、实验过程实施，最后形成实验成果，整个过程始终是以学生为中心，以学生自主和主动的参与为基础，学生经历的不仅仅是一个实验的过程，体会更多的是科研的方法[2]。

将传统的实验课程内容与现有的多种媒体形式相结合，通过不同的媒介形式进行传播推送，将传统的实验过程以数字化的形式进行再现和实施，充分利用互联网技术和信息数字化优势，将实验内容和过程以多种形式展现，从实验内容的网络平台视频演示到仪器设备的仿真操作，从实验室的网络预约到实验过程的交互式交流，从实验结果的可视化数据呈现到实验成绩的有效评价等方面开展研究和实践，能够有序地把媒体及互联网技术引入到开放式实验过程中，将会为最大限度地发挥学生自主性、积极性和创造性奠定良好的基础。在媒介融合背景下构建合理的实验教学模式和实验管理模式，能够有效地提高工科专业实验室的信息化建设程度，方便实验室的开放式管理，有效提高教学资源的共享利用率，可以显著提高人才培养和实验教学质量[3]。

一、当前工科专业实验开展的现状

对哈尔滨商业大学现有的实验教学开展情况，尤其是对工科专业专业课实验教学的实施过程进行分析，不难发现，传统的实验课程或者简单的虚拟实验已经无法满足现有教学的需求。

1.随着学生数量的迅速增加，实验设备的补充不到位。实验台套数不足，造成分组实验中，单组学生人数过多。以哈尔滨商业大学印刷工程专业为例，原有的5人一组的纸张性能测试实验，目前基本上为8人以上。在有限的实验学时中，只能减少单个学生的测试任务量。学生在一次实验过程中，只能对单一样品进行单次测量，以小组为单位进行数据整合分析。学生对不同试样测试过程和测试结果的直观感受减少，不同实验数据间人为的数据误差增大，学生后续的实验数据分析不准确或凑结果的现象增多。

2.由于学生实际操作时间的减少，学生更多的是在规定时间内完成规定动作，按照实验指导书上步骤，完成实验内容。留给学生开放式的设计实验，或者试错的时间几乎没有。这就造成了学生在实验课后，也只是做过实验，知道实验流程而已，而对于为什么要这么做、否则会有什么样的结果等问题缺少思考。同时，师生之间有效的交流减少，教师要在尽可能短的时间内完成基本实验过程的讲解，再加上学生课前预习效果并不好，使部分学生在实验开始阶段并不能有效地完成实验任务，教师无法针对实验过程中存在的问题进行及时的反馈。

3.对学生实验的成绩评价形式单一，更多地以实验报告的形式完成。学生把更多的精力投放到实验后数据的处理和实验报告的书写上。而对于实验过程、仪器设备的调试和操作关注度不够，实际训练的目的并未达到。

4.由于现有的实验室条件无法实现7天×24小时实时开放，加之学生缺乏足够的实验操作训练、部分实验内容和实验设备也不能随时使用，造成实验室开放不够，设备利用率不足。很多设备仅仅面向一个专业一门课程，造成了严重的浪费。以学生开展科创活动实验为例，学生在进行实验之前，需要教师花大量时间进行仪器使用培训和实验流程演示，学生综合利用设备的能力不够。

以上现象实际上是传统实验开展过程中的通病，尤其是在传统的课堂讲授+实验室操作这样的教学模式下，学生对实验内容的理解，开放性的思考和交互式的信息反馈效果不好，造成学生对实验课兴趣不高，理解不深等问题。这也从一定程度上造成了培养应用型人才的工科专业开设最多的是验证性实验，而综合性和设计性实验开设数量较少，质量较差。虽然在一些课程中开展了多媒体演示或者虚拟实验的实践和研究，但是由于媒体形式单一，缺乏内容间的联系，缺乏师生间交互信息的反馈，实际效果一般，仍有較大的提升和研究空间。

二、完善工科专业实验的对策

在对现阶段研究成果进行分析的基础上，笔者认为针对实验内容的数字化设计、实验内容与媒体介质的融合和数字化实验平台的构建三个方面进行研究及实践能够在实验室数字化实现过程中解决一定问题，起到一定的作用。

（一）加强实验内容的数字化设计

在现有实验内容中，并不是所有内容都适合数字化实验过程，所以实验内容的选择对最终的实验效果有很大影响。对相关的实验要进行整合加工，设计开放性更强的实验方案。对于一些设计性、验证性实验，不要求学生进行一步步的实验模仿，而是基于一定实验内容的教学要求，由学生设計实验方法、步骤及整个实验流程，让学生按此步骤自行实验和探究，最后完成实验任务。

（二）实现实验内容与媒体介质的融合

媒介与实验内容的融合取决于实验教学的要求。针对传统实验教学中，信息传播形式单一、教师对学生单向信息传递等问题，在实验开展的不同阶段，选择不同形式的媒介和媒体形式对实验内容进行加工，突出内容特征，加强信息的传递和反馈效果[4]。

（三）构建数字化实验平台

根据现有实验开展过程中对多媒介数字化实验的预期要求，实验平台应该包括以下几部分内容。

1.数字化资源库模块，主要包含数字化实验教学资料，实验操作过程的各实验状态的图片或视频。以上内容以多媒体素材创作平台为基础进行设计，以云平台为发布媒介。针对前期实验要求，多媒体素材加工后，可针对PC、手机、平板电脑等终端进行整合，以手机网站、公众号、APP、H5等形式进行推送[5]。

2.虚拟实验教学模块，以交互式动画或虚拟显示技术的形式虚拟实验环境，能对虚拟的仪器和器材进行模拟操作，对测试数据情况进行反馈。学生在完成预习内容的情况下，在实际实验室操作之前，可以在虚拟实验条件下完成个性化实验设计和合理性验证。这一方面保证学生实验预习效果;另一方面，在现有的实验台套数和实验学时较少的情况下，能够把更多的时间投入到有效的实验操作中。充分利用网络环境，解决实验设备台套数少的问题。对目前实验项目内容进行分析研究，对其测试的指标和过程进行分类，探讨数字化实验项目选择的依据，数字化实验的参数指标，是本项目研究的首要问题。

3.实验信息反馈模块，交互性是多媒介融合下数字化实验的核心。学生预习效果的反馈，实验过程中设备信息的采集和显示，实验数据的整理和图形化呈现，学生实验结果、实验报告的提交和教师审查反馈都要依靠信息反馈功能来实现。

建立一个适合于工科专业实验课程的、依托多媒介传播形式的数字化实验流程和平台，实现基本功能要求。充分调动学生积极性，引导学生创新思维，培养创新能力。优化现有的实验教学手段和方法。利用灵活性、自主性更强的实验教学手段和方法，满足学生实验需要。

参考文献：

[1]戚丽丽.数字化光学实验平台的设计与研究[D].郑州：    郑州大学，2017.

[2]李瑾，张宁，云霄.新工科背景下工科生自主学习力的    深度构建——以X大学“现代密码学”SPOC翻转课堂    为例[J].高等工程教育研究，2018，（5）.

[3]韩文佳，杨桂花，陈嘉川，等.新工科背景下工科专业实验    教学体系的构建与实践[J].大学教育，2018，（9）.

[4]罗俊.互联网时代传播格局的重构及其新挑战[J].学术    论坛，2018，（4）.

[5]朱震华.VR技术在课堂中的应用[J].电子技术与软件    工程，2018，（20）.