高校混合式實驗教學的應用研究

馬漢達, 張建明

(江蘇大學 計算機科學與通信工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

實驗教學研究

高校混合式實驗教學的應用研究

馬漢達, 張建明

(江蘇大學 計算機科學與通信工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

高校傳統實驗教學中存在很多問題,而實驗教學在人才培養中具有十分重要的作用。根據混合式學習模式在教學中的應用效果,分析了混合式學習理論應用到實驗教學的技術條件,闡述了在線實驗教學的定義與分類,構建混合式實驗教學的原則、方法和形式,并舉例說明了混合式實驗教學在高校中的應用案例。

在線實驗； 虛擬實驗； 混合式學習； 實驗教學

近年來混合式學習在高等教育領域的發展非常引人注目,CNKI中國知網全文數據庫的檢索結果表明，混合式學習的研究在短短的幾年時間里已經取得一些理論成果,但目前混合式學習仍然處于探索、發展階段[1]。美國賓夕法尼亞州立大學的校長非常強調在線學習和傳統學校教育兩者之間的相互結合,認為這是“當今高等教育領域內一個毋庸置疑的必然發展趨勢”[2]。在國內,何克抗教授于2003年率先闡釋了“混合式學習”的新含義,即把傳統學習方式的優勢和在線學習的優勢結合起來,既要發揮教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用,又要充分體現學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性[3]。李克東教授認為混合式學習是把傳統教學和在線學習2種學習模式有機地整合,以達到降低成本、提高效益的一種教學方式[4]。但目前混合式學習主要是在理論教學方面進行了一些應用,而在實驗教學中的嘗試還不多。混合式實驗是傳統實驗與在線虛擬實驗相結合的實驗方式。目前信息技術的水平,為開展在線虛擬實驗提供了技術條件,也為高校開展混合式實驗教學提供了可能。

1 高校實驗教學模式分析

1.1 傳統實驗教學方式

傳統的實驗教學模式偏重于對所學知識的驗證,具有“三規”的特點,即學生在規定的時間內,使用規定的實驗步驟和方法,完成規定的實驗內容。這種傳統的實驗教學有著固定的模式,強調組織管理的“統一性”、教學內容的“驗證性”、各門課程的實驗之間的“獨立性”,因此造成學生學習的“被動性”[5]。教師詳細地講解實驗內容和實驗步驟,學生只需按指導書的要求按部就班完成實驗,這種實驗教學方式對于知識的理解、實際動手能力的培養,尤其在感知和操作儀器設備方面具有不可替代的作用,在分析問題和解決問題的能力等方面具有一定的效果,但在這種方式下,學生處于被動學習的狀況,獨立思維受到壓抑、思想被固化,對培養學生的創新能力不利。

1.2 在線虛擬實驗的定義及分類

在線實驗是通過互聯網方式,遠程操作網絡虛擬實驗或遠端真實設備開展實驗的方式[6]。虛擬實驗是指使用軟件技術模擬傳統實驗的相關軟硬件操作環境,實驗者在計算機上實驗就像在真實的環境中完成實驗一樣,所取得的實驗效果等價于,甚至優于在真實環境中所取得的效果。基于這個概念,在線虛擬實驗類型主要有軟件共享的虛擬實驗、儀器共享的虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗3類[7-8]。

基于軟件共享的虛擬實驗是以現代教育理論為指導,利用計算機技術、網絡技術、仿真技術以及虛擬現實等技術,將各種實驗箱和相關的測試儀器，通過虛擬的方式“搬”到PC機上、搬上網絡,為學生提供一種全新的實驗空間,學生的實驗可以在本地開展,也可以登錄網絡在線進行。實驗時在PC機上完成連線和測試,完成實驗設計和開發,這種實驗方式是一種純虛擬的實驗,可以不需要任何硬件設備的投入,它是根據實際實驗箱硬件產品開發的,因此,操作方式同實際儀器完全一致,而且可允許學生改善平臺開發者提供的功能,賦予學生一個煥發激情、靈感、智慧,讓他們有好奇心、沉浸感,且能讓他們感受成功喜悅的虛擬環境。其典型代表是某公司的E-Lab硬仿真軟件、華中科技大學的歐陽星明教授的基于固定結構實驗平臺的虛擬實驗軟件[9]。

基于儀器共享的虛擬實驗,它需要相應硬件的支持,是一種虛實結合的實驗方式,該在線實驗方式包括客戶端實驗系統軟件(虛擬實驗面板)、USB- JTAG調試服務器、FPGA計算平臺3部分,其中計算機與USB-JTAG服務器之間通過USB連接。USB-JTAG服務器與FPGA計算平臺通過JTAG進行通信,實驗系統軟件是基于硬件開發的,位于計算機中,為學生提供操作實驗電路的人機交互平臺,具有實驗數據輸入、結果輸出等功能。USB- JTAG調試服務器作為計算機和FPGA之間的互連設備,用于數據解碼以及協議轉換等功能[10]。其結構如圖1所示。

圖1 儀器共享虛擬實驗

基于遠程控制虛擬實驗是使用信息技術、網絡技術、云計算技術將實驗設備網絡化、虛擬化,解決遠程實驗設備接入、控制實驗設備的問題,使用Web技術開發在線實驗教學資源和遠程實驗管理平臺為學生構建的信息化實驗教學環境,方便學生進行自主實驗。學生通過網絡使用專用客戶端軟件或瀏覽器遠程控制儀器設備,在線完成對硬件實驗設備的操作并在線查看實驗結果,從而達到與本地硬件實驗一樣的實驗效果,這是一種虛實結合的在線實驗方式,其結構如圖2所示,包括客戶端計算機、實驗服務器、遠程實驗服務區(大規模開放實驗室MOOL)3部分。如清華大學的基于FPGA的計算機硬件統一實驗平臺[11-12],就是一種共享實驗設備的在線虛擬實驗方式。

圖2 遠程控制虛擬實驗

2 混合式實驗教學模式的構建

2.1 傳統實驗分析

傳統實驗室由于長期以來受到主客觀因素的影響,傳統實驗方式須依賴真實的實驗設備,存在以下問題:

(1) 實驗室處于自我封閉的狀態,缺乏實驗教學資源共享的渠道,沒有形成儀器設備共享的氛圍,沒有一個共享機制,設備資源利用率不高；

(2) 實驗教學以教師為中心,以班級為單位,在同一時間和空間里,學生在教師的指導下去完成實驗,忽視學生是教學的主體,不能激發學生對實驗的求知欲望和創造性；

(3) 創新實踐能力培養欠缺,學生受制于沒有開放的實驗平臺,在空余時間難以施展自主創新的實驗內容,難以體現學生在教學活動中的主體地位和個性差異；

(4) 依賴于傳統實驗設備,實驗設備階段性的使用頻率高,學生在有限的實驗課時里無法充分實驗,實驗效果差,實驗設備故障頻發,維護成本高。

上述這些問題嚴重影響了實踐創新能力的培養,不符合“質量工程”關于人才培養的要求,傳統的實驗教學模式已不能滿足現代教學和實驗的需求,必須尋求新的教學模式。

2.2 在線實驗分析

(1) 在線虛擬實驗不需要或減少了設備資金的投入,損耗少、維護費用低、升級容易、設備的維護更新方便,設備的利用率高；

(2) 在線虛擬實驗可方便地將實驗教學搬進課堂,搬上網絡,實現了理論與實踐的完美融合,真正做到理論與實踐一體化教學,有助于學生實際動手能力和理論聯系實際能力的培養[13]；

(3) 虛擬實驗有效克服了真實環境中的諸多限制,解決了傳統實驗受時間、場地、設備、人員、制度等制約；

(4) 在線虛擬實驗促進了實驗方法、手段的完善,極大地提高了學生的積極性和主動性；

(5) 在線實驗可靈活地增加各種設計性實驗內容,學生根據實驗要求,自行設計實驗方案,不僅能鍛煉學生的獨立構思和設計能力,而且能激發學習的興趣,這樣更有利于培養出具有創新精神和實踐能力的人才。

在如今的MOOC時代,在線實驗的這些優點,解決了MOOC的實驗教學問題,對進一步推進MOOC具有重要的意義。

2.3 混合式實驗教學的構建原則

通過分析傳統實驗與在線虛擬實驗的優缺點,在線虛擬實驗與傳統實驗的教學模式存在較大差異,優缺點明顯,但在人才培養中都具有十分重要的作用,因此,為了取得更好的教學效果,可將傳統實驗與在線虛擬實驗結合起來,相互融合,互為補充,取長補短,本著虛實結合、能實不虛的原則來構建混合式實驗教學模式。

2.4 混合式實驗教學的構建方法

混合式實驗教學模式的構建必須依托傳統的實驗教學設備,滿足開放實驗教學的要求,充分發揮傳統實驗與在線實驗各自的優越性。為了構建混合式實驗教學環境,需在傳統實驗環境的基礎上建立大規模在線開放實驗室(MOOL)[14],為混合式實驗室的構建提供基礎條件。MOOL具有開放和共享的優點:開放可保證全天候開放,學習者可以隨時做實驗,擺脫時空的束縛,有利于營造自主學習環境；共享有利于提高實驗室資源的利用率[15]。

2.5 混合式實驗教學構建形式

根據在線實驗的類型,高校的混合式實驗教學主要有3種形式:第一種是傳統實驗與軟件共享的虛擬實驗相結合的混合式實驗；第二種是傳統實驗與儀器共享的虛擬實驗,這是一種虛實結合的實驗方式，基于真實設備的在線實驗的模式,既能夠真實地操作儀器設備,又解決了傳統實驗方式的開放難題,同時也解決了設備維護困難的問題；第三種是傳統實驗與遠程控制虛擬實驗相結合的混合式實驗教學模式,通過建立大規模在線開放實驗室(MOOL)來實現的實驗教學模式。這3種混合式實驗教學模式是當前實驗室建設的主要目標,是高校實驗室開放和實行開放實驗教學的必由之路,同時也是實驗室開放實踐教學追求的目標。

2.6 混合式實驗教學模式的應用

我校計算機硬件課程開展了混合式實驗教學的嘗試,在數字邏輯電路課程實驗中采用了硬件描述語言為實驗手段的FPGA實驗方式,混合式實驗中采用傳統的FPGA實驗箱與遠程控制虛擬實驗相結合的實驗方式開展實驗教學,其中遠程實驗服務器和實驗儀器24小時不間斷運行,保證了實驗的24小時開放,為學生提供了充分自主的創新實踐的空間。

在計算機組成原理實驗中采用了傳統實驗設備與基于儀器共享的虛擬實驗相結合的混合式實驗方式進行實驗教學。計算機組成原理的傳統實驗是使用FPGA開發板,在線虛擬實驗采用的是基于儀器共享虛擬實驗方式,兩者結合起來開展實驗教學,實驗時利用Quartus II開發系統,將實驗電路下載到實驗遠程的FPGA 或本地的FPGA開發板,學生的實驗驗證操作可以在實驗板上通過輸入、輸出資源來操作,也可以在虛擬實驗面板上進行驗證,實驗效果完全一樣,既能體驗實驗的感性認識和儀器設備的操作能力,又能體驗虛擬實驗的虛擬性、交互性、感知性等特點。

3 結束語

實驗教學是高等教育的重要組成部分,對于學生動手能力、創新能力、綜合素質的培養有著不可替代的作用。將混合式學習的思想應用于實驗教學,利用信息技術將在線實驗應用到高校的實驗教學活動中,構建了混合式實驗教學模式。2年來混合式實驗教學的實踐,有2點體會與大家分享:

(1) 使用混合式實驗教學,突破學生實驗的時空限制,實現高質量實驗教學資源共享,實現了實驗教學的真正開放,有效激發了學生自主學習的積極性,提高了實驗效果、培養學生的實驗興趣,也有利于學生開展探索性、研究性實驗。

(2) 混合式實驗的開展,提高了實驗室軟硬件設備的利用率,降低了教學設備購買維護成本。以前由于物理操作，實驗儀器使用頻繁,容易損壞,而虛擬實驗的使用,實驗者不直接操作儀器,只是通過虛擬實驗面板軟件來操作實驗儀器,極大地提高了儀器設備的使用壽命。

References)

[1] 高傳南.基于混合學習的有效教學研究[D].上海:華東師范大學,2010.

[2] 陳衛東,劉欣紅,王海燕.混合學習的本質探析[J].現代遠距離教育,2010(5):29-31.

[3] 何克抗.從Blending Learning看教育技術理論的新發展(上)[J].電化教育研究,2004(3):1-6

[4] 李克東,趙建華.混合學習的原理與應用模式[J].電化教育研究,2004(7):1-2.

[5] 劉銀萍,彭端,蔣力立.創新實驗教學與傳統實驗教學的比較[J].廣東工業大學學報:社會科學版,2010,10(5):27-30.

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[13] 潘雪濤,鄔華芝,蔡建文,等.創新虛擬實驗教學模式 培養自主學習能力[J].實驗室研究與探索,2014,33(11):72-75.

[14] Gillet D. MOOLS:Maghrebi Open Online Labs[EB/OL].[2014-04-17]. http://react.epfl. ch/page-55862-en.html.

[15] 肖紅霞,陳美蓮,陳惠卿.改革“傳統”實驗模式 開放與共享實驗室資源的研究[J],實驗室研究與探索,2012,29(8):401-404.

Research on application of blended experimental teaching in colleges and universities

Ma Handa, Zhang Jianming

(School of Computer and Communication Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China)

There are many problems existing in the traditional experimental teaching in colleges and universities, and the experimental teaching plays an important role in talent training. According to the application effect of blended learning mode in the teaching, this paper analyzes that the blended learning theory is applied to the technical conditions of the experimental teaching,explains the definition and classification of online experimental teaching,constructing the principles,methods and forms of the blended experiment teaching,and illustrates the application of blended experimental teaching in colleges and universities.

online experiment；virtual experiment；blended learning；experimental teaching

2015- 03- 10

江蘇省高等教育教改研究課題“三結合、三協同”的IT大學生創新創業教育體系的研究與實踐”(2013JSJG142)

馬漢達(1966—),男,江蘇南通,碩士,高級工程師,主要研究方向為云計算、Web信息系統開發與教育信息化以及實驗教學研究.

E-mail：mahd@ujs.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)9- 0170- 03