高校虛擬與開放實驗室教學模式探索與實踐【摘要】：Ap:闡述了新形勢下探索高校實驗室教學模式的重要性，分析Ap了高校實驗室的現狀與存在的問題，首次提出了高校虛擬實驗室與開放實驗室相結合的教學模式。通過搭建全開放式實驗室軟、硬件平臺，開發虛擬實驗室管理系統，建立了基于網絡化的虛擬實驗室和現實實驗室相結合的開放實驗管理系統，取得了良好的效果?！娟P鍵詞】：Ap：虛擬實驗室；開放實驗室；教學模式作者簡介：高素美（1979-），女，山東濟寧人，金陵科技學院機電工程學院，講師；牟福元（1966-），男，遼寧大連人，金陵科技學院機電工程學院，講師。（江蘇南京211169）基金項目：本文系20__年度江蘇省現代教育技術研究課題（項目編號：20__-R-21860）、2021年度金陵科技學院教改課題（項目編號：2021JG_M-01-4）的研究成果。中圖分類號：G482文獻標識碼：A文章編號：1007-0079（20__）16-015102黨的十八大報告明確提出要“全面實施素質教育，深化教育領域綜合改革，著力提高教育質量，培養學生社會責任感、創新精神、實踐能力?！彪S著我國高等教育進入大眾化階段，高校大學生數量急劇增加，實驗儀器設備等實踐性教學資不足的問題逐步凸顯。如何深化實踐教學綜合改革，培養大學生的實踐能力，是高校當前階段和今后很長一段時期面臨的重要任務。高校實驗室作為培養大學生實踐能力的重要基地，[1]需要深化管理體制改革，創新管理模式，建立適合高等教育現狀的實踐教學模式。本文結合金陵科技學院建筑智能化實驗教學中心的特點，對高校開放實驗室和虛擬實驗室相結合的教學模式進行了探索與實踐。一、高校實驗室現狀與存在的問題實驗教學是學生發揮積極性、主動性和創造性，進行科學知識驗證和科學研究的再創造過程。相對理論教學，高校實驗教學以其直觀性、實踐性、創造性等優點，在培養大學生工程應用能力、動手能力、創新能力等諸多方面發揮著重要作用。目前各高校也較以往更加注重實驗教學，但高校實驗室在使用形式等方面仍存在一些問題。高校實驗教學模式存在的問題隨著我國經濟增長方式從粗放型向集約型轉變，社會對大學生實踐能力和工程應用能力提出了更高要求，各行業對應用型人才的知識、能力和素質也有了更高要求。這就要求高校打破學科壁壘，探索新形勢下的課程體系、教學內容、教學方法和學習評價體系，[2，3]建立新的實踐教學模式。傳統的實驗教學內容陳舊，學生的知識體系在深度和廣度上的構建受到了影響。[4]傳統的實驗教學系統的構建模式不夠完善，限制了學生參與實驗的開發和獨立操作，學生在實驗過程中僅僅停留在根據教師的演示和講解進行簡單的模仿，學生的動手能力和創新思維能力沒有得到有效的訓練與培養。[5]另外，傳統的實驗教學僅限于在實驗課內規定的時間和地點進行實驗，學生只是被動的參與，沒有充分發揮其主動性和創造性。高校實驗室未開放，在時間和空間上限制了學生創造性的發揮目前很多高校的實驗室仍是封閉的，未對學生實現全天候開放，并且實驗教學受到理論教學內容及教學計劃進程的約束，在有限的實驗學時內基本上仍以演示性和驗證性實驗為主，這種教學模式在很大程度上限制了學生創造性的發揮。近年來，國內很多高校認識到了開放實驗室對培養學生實踐能力的重要性，進行了一定程度的探索和實踐，但能夠真正把開放實驗教學工作落到實處、進行全方位開放的高校卻為數不多。本文從硬件和軟件兩方面對開放實驗室進行了探索與實踐。二、本文研究內容本課題將信息技術及虛擬現實技術引入到高校實驗教學環節中，對傳統的實驗教學模式進行了改革和創新，提出通過應用網絡技術結合虛擬現實技術構建創新型、自主型和開放性的實驗教學模式。學生首先通過網絡進入虛擬實驗室，對專業學科所涉及的實驗室有一個直觀、形象的了解，進而選擇感興趣的虛擬實驗室進行實驗。在虛擬實驗結束后，學生已能準確定位學習興趣，然后通過開放式實驗管理系統，申請進入現實實驗室進行實驗。虛擬實驗室和現實實驗室相結合的開放式實驗管理系統既能克服傳統實驗教學模式帶來的時間、空間上的限制，又能讓學生根據學習興趣，自由、自主的對實驗進行選擇，有利于因材施教。同時，能充分調動學生的積極性和主觀能動性，激勵學生進行科學研究的再創造，提高學生的實踐能力和創新能力。虛擬實驗室系統研究與開發虛擬實驗是指在計算機系統中采用虛擬現實技術實現的各種虛擬實驗環境，實驗者可以像在真實環境中一樣完成各種預定的實驗項目。虛擬實驗室由實驗所依賴的模擬程序、實驗單元、工具和參考資料組成。用戶可以通過增加新的物體、建立新的實驗，并把它們轉化成超文本文件來擴充實驗室。虛擬實驗室系統采用三維虛擬場景，具有更強的表現力，能逼真的模擬真實的實驗操作。虛擬實驗室系統將計算機技術、軟件技術以及網絡技術和傳統實驗儀器結合在起來，改變了實驗系統的構建模式，提升了實驗儀器的整體性能，突破了實驗操作的時空限制，是傳統實驗方法的變革，是繼理論研究和實驗研究之后的第三種科學研究方法。虛擬實驗室系統研究與開發，即對實驗儀器設備進行三維造型，綜合運用虛擬儀器技術、ED徽術、網絡技術和仿真技術等，構建逼真的三維實驗空間，即虛擬實驗室。虛擬實驗環境為用戶提供了一個虛擬的實驗課堂，使其能夠利用該環境進行實驗預習，了解相關的實驗儀器資料，并進行虛擬實驗?？赏ㄟ^虛擬儀器系統，觀察、分析Ap、處理實驗結果。全開放式實驗系統研究與實踐目前越來越多的高校意識到開放實驗室對培養學生實踐能力和創新能力的重要性，但是沒有配套的軟件和硬件設施來保障開放實驗室運行，無法真正將開放實驗室培養模式落到實處。本文將開放實驗室分為專業課程課內實驗、學科競賽培訓、省市級和校級學生創新實踐項目、教師科研項目等幾個層次，逐步引導學生真正進入開放實驗室。在學生培養上，采用“傳幫帶”的模式，高年級有經驗的學生逐步幫助并帶領低年級學生進入實驗室，使開放實驗室真正“開放”，并成為大學生的科研創新基地。為保障開放實驗室運行，自主研發了開放實驗室智能管理系統（見圖1），并給開放實驗室安裝了智能門禁系統。全校師生登錄開放實驗室智能管理系統預約課外實驗，通過教師和管理員審核后，在實驗開始前半小時內，憑“校園一卡通”即可打開相應實驗室。從實驗時間上看，實驗室全天候開放，學生通過預約可以隨時進入實驗室進行相關的實驗，真正做到了有條理、有層次的開放式管理。建立基于網絡化的虛擬實驗室和現實實驗室相結合的開放實驗管理系統在傳統實驗中引入新理念和新模式的同時，必須輔之以新的管理技術，尤其是面向教學的開放實驗項目管理，必須借助現代網絡技術平臺才能有效開展。本文將虛擬實驗室和現實開放實驗室有機融合，建立了基于網絡化的虛擬實驗室和現實實驗室相結合的開放式實驗管理系統，創新了實踐教學模式。虛擬實驗室和現實實驗室相結合的開放實驗管理系統結構圖如圖2所示。三、本課題研究意義搭建了全開放式實驗室管理硬件平臺搭建開放式實驗室管理硬件平臺，實現多級開放的管理模式，不同學科、不同專業的學生可根據學習興趣、網上預約實驗，實現以學生為主體、以學生自我訓練為主的實驗教學模式。從實驗時間上看，實驗室全天候開放，學生可以通過預約隨時進入實驗室進行相關的課外實驗。構建了基于網絡化的開放式實驗管理系統為激勵學生學習，創造學生自主實驗、個性化學習的實驗環境，建立了網絡化的實驗教學和實驗室管理信息平臺。學生可以網上申請實驗、預習實驗、觀摩實驗，為實驗室在時間和空間上加大開放力度奠定了技術基礎。開發了虛擬實驗室管理系統對實驗儀器設備進行三維造型，綜合運用虛擬儀器技術、EDAJ術、網絡技術和仿真技術等構建了逼真的三維實驗空間，即虛擬實驗室。開發虛擬實驗室和現實實驗室相結合的開放式實驗管理系統虛擬實驗室和開放式實驗室相結合，使學生在實驗前通過虛擬設備進行相應的實驗仿真，更好地了解實驗，并通過虛擬設備進行實驗創新，準確定位興趣所在，然后有目的性、針對性地進入開放實驗室。虛擬實驗室和現實實驗室相結合的開放式實踐教學模式，創新了實踐教學管理模式，是一種適合高等教育實驗室現狀的實踐教學模式。四、結束語可將本課題研究成果推廣應用，建立全省乃至全國虛擬實驗室網，實現各大高等院校虛擬實驗室的資共享、優勢互補，做到“足不出戶，遍覽天下實驗室”?！緟⒖嘉墨I】：Ap:王峰，魚靜.高校開放實驗室與學生創新能力培養[J].實驗室研究與探索，2021，30（3）：320-322.廖慶敏，秦鋼年.建立開放實驗室提高學生的實踐能力和創新能力[J].實驗室研究與探索，2021，29（4）：162-165.[3]MAZhan-guo，MIAO_ie-_ing，ZHANGFa，netal.E_perimentalstudyintopermeabilityo