建筑材料參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件的開發(fā)

宋春紅　趙麗妍

【摘要】開發(fā)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)資源對于現(xiàn)代遠程高等教育開展實驗教學(xué)起著巨大的作用。文章分析了網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)資源的主要形式及特點，針對演示實驗教學(xué)課件學(xué)生參與較少、虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)與遠程控制實驗教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)費用較高且開發(fā)周期較長的問題，提出了參與型演示實驗的形式，著重介紹了大連理工大學(xué)現(xiàn)代遠程高等教育對建筑材料參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件的開發(fā)情況，總結(jié)了完成情況以及存在的問題，旨在為現(xiàn)代遠程高等教育網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)資源建設(shè)提供參考。

【關(guān)鍵詞】建筑材料；參與型演示實驗；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件

【中圖分類號】G420【文獻標(biāo)識碼】A【論文編號】1009－8097(2012)09－0116－04

引言

國家中長期教育改革與發(fā)展規(guī)劃中，明確提出高等教育要“強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)”，現(xiàn)代遠程高等教育作為我國高等教育的重要組成部分，無疑也應(yīng)將此作為教育改革的一個重點。現(xiàn)代遠程高等教育主要定位于應(yīng)用型人才培養(yǎng)，學(xué)生大多為在職從業(yè)人員，本身都在隨崗實踐，但隨崗實踐不能取代實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)作為現(xiàn)代遠程高等教育實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，是實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。通過實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅能使學(xué)生掌握實驗的基本方法和基本技能，提高實際操作能力，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、分析能力及創(chuàng)新能力，使學(xué)生的實踐綜合素質(zhì)得到普遍的提高。實驗教學(xué)還可幫助學(xué)生理解和鞏固所學(xué)知識，對培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)、實事求是的科學(xué)態(tài)度和探究問題的科學(xué)方法都具有重要意義。

然而，現(xiàn)代遠程高等教育開辦多年來，工科教學(xué)一直存在瓶頸，主要原因就在于實驗教學(xué)環(huán)節(jié)難以落實。目前，大多數(shù)高校的現(xiàn)代遠程高等教育避免開設(shè)實踐要求強的工科專業(yè)，少數(shù)在現(xiàn)代遠程高等教育開設(shè)工科專業(yè)的高校，帶有實驗功能的遠程教學(xué)平臺極少，且開設(shè)的實驗種類和實驗深度都不及普通高校。由于現(xiàn)代遠程高等教育師生在時間和空間上相分離，學(xué)生分散在全國各地，量大面廣，再加上工學(xué)矛盾，將所有學(xué)生全部集中到高校實驗室來完成真實實驗不太現(xiàn)實，而很多校外學(xué)習(xí)中心因場所或儀器設(shè)備缺乏不能提供真實實驗的教學(xué)條件，導(dǎo)致現(xiàn)代遠程高等教育照搬傳統(tǒng)真實實驗教學(xué)模式存在難以實施的困難，實驗教學(xué)無疑成了現(xiàn)代遠程高等教育的薄弱環(huán)節(jié)。為此，迫切需要開發(fā)適用于現(xiàn)代遠程高等教育的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)資源。

一網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)資源的主要形式及特點

現(xiàn)代遠程高等教育網(wǎng)上實驗常見的形式主要包括演示實驗、虛擬實驗與遠程控制實驗，與之相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)資源包括演示實驗教學(xué)課件、虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)與遠程控制實驗教學(xué)系統(tǒng)。

1、演示實驗教學(xué)課件

演示實驗教學(xué)課件是指將真實環(huán)境中的實驗教學(xué)過程拍攝成錄像后制作的實驗教學(xué)課件。這樣的演示實驗教學(xué)課件，既有教師講解，又有教師對整個實驗的演示操作過程，效果直觀形象，同學(xué)們可以在網(wǎng)上學(xué)習(xí)演示實驗教學(xué)課件，并按照實驗要求完成實驗報告。如此使學(xué)生掌握整個實驗的目的、內(nèi)容、步驟以及操作過程，加深對理論知識的理解，特別演示實驗教學(xué)課件還可以展現(xiàn)實驗室中難以觀察到的實驗現(xiàn)象及與之相應(yīng)的實際應(yīng)用，擴大了學(xué)生的視野，開闊了學(xué)生的思路，能夠取得真實實驗不能取得的一些功效。演示實驗教學(xué)課件投入成本低，制作周期短，雖然缺乏學(xué)生親自操作實驗與讀取實驗數(shù)據(jù)的過程，無法達到和真實實驗教學(xué)相同的效果，但還是能夠為學(xué)生提供如同在實驗室觀看實驗一般身臨其境的感受，使學(xué)生對實驗有一個全面的了解與認(rèn)識，因此可以作為目前現(xiàn)代遠程高等教育實驗教學(xué)的一種非常重要的教學(xué)資源。

2、虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)是指利用計算機技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等在計算機上建立虛擬實驗室環(huán)境，提供可操作的虛擬實驗儀器，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過接近真實的人機交互界面完成實驗，同時提供網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的一體化管理功能。如北京郵電大學(xué)已開發(fā)出計算機網(wǎng)絡(luò)、信號與系統(tǒng)、電路分析、數(shù)字電路、模擬電路、高頻電子線路、Linux操作系統(tǒng)等虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)一方面允許網(wǎng)絡(luò)學(xué)生同時在線操作實驗，另一方面可以將復(fù)雜的實驗過程抽象化，將實驗儀器簡單化，大大提高了網(wǎng)絡(luò)實驗的可操作性。但是虛擬實驗本身存在一定問題：一，虛擬實驗只能模擬出驗證類實驗，所得到的數(shù)據(jù)多為預(yù)先設(shè)計好的；二，無論采取哪種技術(shù)都將不同程度的面對交互性不足、控件下載或開發(fā)維護費用高等難題；三，難以完成大量實驗的快速更新和修復(fù)，加大了現(xiàn)代遠程高等教育網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)資源的開發(fā)費用。

3、遠程控制實驗教學(xué)系統(tǒng)

遠程控制實驗教學(xué)系統(tǒng)是利用計算機多媒體技術(shù)和通訊技術(shù)，將異地實驗室真實的實驗設(shè)備及控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成圖像、聲音、狀態(tài)等，并通過多種媒介方式傳輸?shù)綄W(xué)生計算機中，參加實驗的學(xué)生可以在自己的計算機中按規(guī)則控制操作遠程控制實驗室中的實驗設(shè)備，而實驗設(shè)備執(zhí)行操作的過程和結(jié)果又實時地回傳給學(xué)生，使參加實驗的學(xué)生如同身臨其境，取得和親自到實驗室現(xiàn)場做實驗相同的效果，這可實現(xiàn)各高校實驗設(shè)備最優(yōu)化的組合，做到資源共享。如大連理工大學(xué)電工教研室與麻省理工大學(xué)合作，與之建立了遠程網(wǎng)上實驗基地。在大連理工大學(xué)校內(nèi)設(shè)置服務(wù)器與麻省理工實驗中心的實驗室相連。每位學(xué)生可以在任意一個計算機終端登錄校內(nèi)服務(wù)器，訪問麻省實驗室。同學(xué)們可以在終端設(shè)置實驗參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)遠程控制麻省理工大學(xué)實驗室的真實儀器。實驗室完成操作后會在短時間內(nèi)將實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)返回至該學(xué)生所使用的終端。但遠程控制實驗對傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有著比較高的要求，比如要求全部實驗儀器的電氣化以及較高的可控性，普通的工科網(wǎng)絡(luò)教育實驗很難達到這一標(biāo)準(zhǔn)，且一個實驗室無法同時接受多組學(xué)員在線操作，為應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的要求，必須建設(shè)多個實驗室。這些都是限制遠程控制實驗在現(xiàn)代遠程教育體系下發(fā)展的瓶頸。

二參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件開發(fā)的必要性

工科專業(yè)的實踐性和應(yīng)用性很強，涉及的實驗種類也很多，以土木工程專業(yè)為例，包含的常規(guī)實驗項目就有三十多項。目前國內(nèi)現(xiàn)代遠程高等教育主要圍繞醫(yī)學(xué)、機械、電子、通信、計算機類主要專業(yè)課程進行了虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)，且開發(fā)的實驗項目較少，而遠程控制實驗教學(xué)系統(tǒng)則主要應(yīng)用于控制學(xué)科領(lǐng)域，應(yīng)用范圍較窄。因此，現(xiàn)有的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)和遠程控制實驗教學(xué)系統(tǒng)，遠遠滿足不了現(xiàn)階段工科專業(yè)遠程實驗教學(xué)的要求。由于虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)和遠程控制實驗教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)費用較高且開發(fā)周期較長，現(xiàn)階段不可能對現(xiàn)代遠程高等教育工科專業(yè)的實驗教學(xué)全部實現(xiàn)虛擬實驗教學(xué)或遠程控制實驗教學(xué)，還需要進行大量的演示實驗教學(xué)。因此，工科專業(yè)演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件的開發(fā)成為現(xiàn)階段我國現(xiàn)代遠程高等教育的必要選擇。

考慮到單純的演示實驗教學(xué)課件通常只是讓學(xué)生觀看實驗過程與現(xiàn)象，學(xué)生參與較少，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，為此，大連理工大學(xué)現(xiàn)代遠程高等教育結(jié)合工科專業(yè)實驗的特點及其實際辦學(xué)條件，提出了參與型演示實驗的形式，該實驗形式除了讓學(xué)生觀看實驗過程與現(xiàn)象外，還需要學(xué)生參與其中，即通過鼠標(biāo)或鍵盤操作讀取實驗數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)記錄與處理，最終完成實驗報告。該實驗形式除了不能讓學(xué)生真實操作實驗外，在聽取教師講解實驗、觀察實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)讀取與處理以及實驗報告書寫方面都使學(xué)生獲得了和現(xiàn)場真實實驗一樣的體驗。實現(xiàn)參與型演示實驗教學(xué)需要配備相應(yīng)的參與型演示實驗教學(xué)課件。為此，需要進行參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件的開發(fā)。

三建筑材料參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件開發(fā)

為實現(xiàn)參與型演示實驗教學(xué)，大連理工大學(xué)現(xiàn)代遠程高等教育利用近兩年的時間進行了部分工科專業(yè)參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件的開發(fā)，主要開發(fā)環(huán)節(jié)包括確定參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件制作的要求與內(nèi)容、書寫實驗錄制腳本、現(xiàn)場實驗錄制、實驗課件后期制作與配音等。這里主要就其中的建筑材料參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件的開發(fā)與完成情況進行論述。

1、課件制作的要求與內(nèi)容

(1)課件制作的要求

①為滿足不同基礎(chǔ)和不同理解能力學(xué)生的不同需求，要求教師對實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒瀮x器與設(shè)備、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理等內(nèi)容作詳細講解，讓學(xué)生知其所以然、有理有據(jù)可依。

②為營造出與學(xué)生親自參加實驗操作相近的氛圍和效果，要求實驗操作規(guī)范、詳細。

③為準(zhǔn)確、無誤地將整個實驗過程展現(xiàn)給學(xué)生，要求推敲各細節(jié)的表現(xiàn)手段，充分利用多種技術(shù)，使實驗過程更直觀、細節(jié)部分更突出。

④為便于學(xué)生準(zhǔn)確讀取實驗數(shù)據(jù)，觀測實驗現(xiàn)象，并將其填寫到實驗報告中，要求注重實驗結(jié)果與實驗現(xiàn)象的展示方式。

(2)課件制作的內(nèi)容

建筑材料參與型演示實驗選自于建筑材料課程中最基本、最重要的實驗內(nèi)容，即水泥實驗與混凝土實驗，其中水泥實驗包括水泥技術(shù)性質(zhì)與力學(xué)性能檢驗，混凝土實驗包括混凝土技術(shù)性質(zhì)和成型養(yǎng)護方法、混凝土拌合物性能、力學(xué)性能檢驗與評定。課件內(nèi)容主要包括實驗?zāi)康摹嶒炓罁?jù)、實驗儀器與設(shè)備、原材料及實驗原理講解，實驗過程及實驗結(jié)果展示，實驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果評定，實驗報告書寫等幾個方面。不同于一般專業(yè)的實驗，由于建筑材料實驗操作細節(jié)多，對不同的細節(jié)需采用不同的手段來更好的表現(xiàn)。因此，大連理工大學(xué)現(xiàn)代遠程高等教育在實驗視頻錄制前就對各細節(jié)的表現(xiàn)方式進行了精心設(shè)計，旨在更簡明生動地展示實驗過程，更直觀地觀測到實驗現(xiàn)象和結(jié)果，最終讓學(xué)生更容易、更深入地理解和掌握實驗內(nèi)容。

2、課件完成情況及存在問題

(1)完成情況

經(jīng)過對實驗內(nèi)容的細致分析，分別對不同實驗步驟、過程和現(xiàn)象進行了具體表現(xiàn)形式的設(shè)計，課件在配有實驗操作視頻的同時，重點內(nèi)容以演示文稿輔助展示，同時還配有教師的連貫講解，清晰流暢，視頻、音頻、文稿及實驗報告高度關(guān)聯(lián)。主要優(yōu)點總結(jié)如下：

①結(jié)合視頻、音頻、文字、圖片、多媒體技術(shù)等手段來全面展現(xiàn)整個實驗過程。課件的屏幕由視頻區(qū)、導(dǎo)航區(qū)、演示文稿展示區(qū)三個區(qū)域構(gòu)成，如圖1所示。通過演示文稿來展示實驗?zāi)康摹⒁罁?jù)、原理、儀器與設(shè)備、材料、步驟、結(jié)果、數(shù)據(jù)處理與分析等理論內(nèi)容及靜態(tài)實驗結(jié)果；通過視頻部分來展示詳細的實驗操作及實驗現(xiàn)象；通過導(dǎo)航條便于學(xué)生找到相應(yīng)的實驗內(nèi)容，使學(xué)生根據(jù)興趣和對實驗的理解情況自主選擇相應(yīng)的內(nèi)容進行重復(fù)觀看，增加了課件的可讀性。

②采用“畫中畫”的方式來同步突出展示一些重要的細節(jié)操作，使實驗過程更直觀、細節(jié)部分更突出，如圖2所示。

③對于重點內(nèi)容進行指示性說明，最大程度地表達清楚實驗結(jié)果，如圖3所示。

④實驗講解非常細致，基本每一條注意事項及每個實驗結(jié)果及讀數(shù)方法都在演示文稿中配有文字說明。

⑤不同于一般演示實驗，建筑材料參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件將實驗結(jié)果詳盡地展示出來了，學(xué)生可直接在視頻或演示文稿中讀到詳細的實驗數(shù)據(jù)，填寫到實驗報告中。

(2)存在的問題

①實驗結(jié)果的“單一化”。由于參與型演示實驗的操作過程源于一個獨立的實驗，其實驗結(jié)果是確定的。因此，觀看參與型演示實驗課件的每個學(xué)生得出的實驗結(jié)果和結(jié)論也必定是相同的，這就造成了實驗結(jié)果的單一化。

②全程，“無錯誤”操作。由于參與型演示實驗只展示了一個正確的操作過程，無法反映實驗結(jié)果的隨機性，也無法表現(xiàn)學(xué)生在親自參加現(xiàn)場實驗過程中所遇到的實際問題，只能使學(xué)生被動地接受“正確、順利”完成實驗這一現(xiàn)實，也就不便于更好地發(fā)現(xiàn)問題。

四結(jié)論與展望

諸如建筑材料這類實踐性和應(yīng)用性較強的工科實驗，經(jīng)過對實驗內(nèi)容和表現(xiàn)形式的精心設(shè)計，開發(fā)出來的參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件在一定程度上彌補了一般演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件的不足，滿足了目前現(xiàn)代遠程高等教育網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的需求，達到與學(xué)生親自進行真實實驗操作相類似的效果，且參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件可以重復(fù)觀看，應(yīng)用性和實用性更強。但是從其實驗過程的正確性和單一性上來看，也存在一定的局限，無法完全達到學(xué)生參加現(xiàn)場實驗的效果。

針對前面所提到的問題，大連理工大學(xué)現(xiàn)代遠程高等教育將對參與型演示實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件進行進一步完善：

(1)進一步利用多種技術(shù)手段，使學(xué)生不僅可以在屏幕上看到詳細的實驗展示過程，還可以對部分內(nèi)容進行虛擬操作，針對學(xué)生的錯誤操作，系統(tǒng)給出錯誤提示和分析結(jié)果，并給出相應(yīng)的改進建議，由學(xué)生進行改進后繼續(xù)實驗，直至合格。

(2)進一步完善教學(xué)實驗數(shù)據(jù)庫，組成具有多個結(jié)果的實驗，使學(xué)生能夠?qū)Σ糠謱嶒瀮?nèi)容進行個性化設(shè)計，比如選擇不同指標(biāo)的實驗材料，使用不同的處理方法，進而得出幾類相對不同的實驗結(jié)果，這樣可以在增加網(wǎng)絡(luò)實驗隨機性、個性化的同時，同時增加實驗課的趣味性，學(xué)生的創(chuàng)新能力也會得到相應(yīng)的培養(yǎng)。