基于NEES思想的高校網絡化實驗教學應用探索

黃思凝, 俞然剛, 喬田田, 李 靜, 張艷美

(1. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院, 山東 青島 266580；2. 中國石油大學(華東) 理學院, 山東 青島 266580)

基于NEES思想的高校網絡化實驗教學應用探索

黃思凝1, 俞然剛1, 喬田田2, 李 靜1, 張艷美1

(1. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院, 山東 青島 266580；2. 中國石油大學(華東) 理學院, 山東 青島 266580)

在多數實驗室經費不足的背景下,基于“協同工作,數據共享”理念提出了構建遠程協同實驗系統的解決實驗教學問題思路，介紹了遠程協同實驗系統的教學及科研優勢，分析了應用遠程協同實驗系統解決高校實驗教學面臨問題的可能性,為實現實驗教學乃至實驗室的可持續創新發展提供了有益的探索資料。

協同實驗； 實驗教學改革； 實驗室建設； 數據共享

實驗教學是集理論性、實踐性和創新性一體的綜合性活動，通過實驗教學,能夠加深學生對基礎理論知識的理解，在培養學生掌握基本實驗方法及技能的過程中增強學生動手能力,培養學生的科學精神和創造能力,是提高學生科研素養、動手能力與創新能力的主要手段。然而,我國多數高校培養的學生存在理論知識與實際應用脫節、動手能力差、缺乏運用所學知識分析解決問題的能力[1-3]。因此,高等教育應在強調理論教學的同時,更為有效地進行實驗教學改革,促使學生具備堅實的理論基礎、出色的科學實驗能力,并富有勇于開拓的創新精神。

1 高校結構實驗教學現存不足

1.1 資源分配不均衡

首先,高校間實驗室建設存在不均衡性。實驗室建設是高校發展的重要工作之一,高校之間存在顯著差異,對實驗室建設投入經費差別也較大。湖北省高校2010—2015年實驗室基本情況表明(見表1)[2],部屬8所高校實驗室數量約占湖北省66所高校實驗室總量的20%、總面積的38.4%,5年間這種“不均衡”逐漸拉大,部屬8所高校實驗室新增面積占湖北省高校實驗室總體增量面積的約40.15%。在這種發展趨勢下,大部分高校實驗室建設存在缺乏經費造成教學實驗設備不足、陳舊,亟須升級的問題[4-5]。同時,受傳統辦學模式的影響,高校實驗室之間缺乏協調、各行其是。價格昂貴的實驗室大型儀器重復建設、種類單一,并且儀器設備分散閑置在各個實驗室,不能形成整體優勢。往往要很多學生合用一臺儀器做實驗,在有限的時間內,部分學生根本得不到操作機會。

表1 2010—2015年湖北省實驗室基本情況

其次,經費及人員配置不均衡。一方面,實驗教學經費都依靠學校自身投入,其他經費來源極少,資金有限且實驗單一。同時,指導實驗教師較少,實際參加的學生人數較多,教學效果及質量無法保障。另一方面,科研實驗經費充足,實驗種類較多,覆蓋面廣,但參與人員僅為教師和研究生,人數少卻強度大。

1.2 管理體系不科學

實驗室對本科生基本處于封閉狀態[6],且實驗課時少,如結構實驗課程教學總學時由64學時削減為32學時,其中實驗課時只有8～12學時,學生只能在指定的實驗教學時間進入實驗室,在有限時間內完成規定的任務,學生的動手機會大幅度減小,易出現受時間限制實驗結束較為倉促的現象。另外,對于貴重儀器,學生通常只能觀摩不能實際操作,從而影響了學生對實驗的興趣,無法調動學生主動參與實驗的積極性,致使學生創新能力受到限制,實驗教學總體效果差 。

1.3 實驗教學內容及手段陳舊

實驗教學內容單一化,缺乏研究性、設計性及綜合性。教學實驗內容被限制在固定框架中,大多是驗證理論的實驗,無需學生深入地探索求解,易造成實驗內容乏味,學生對實驗不感興趣,不利于培養學生自主發現問題、理性分析問題及創新解決問題的能力。

教學手段受實驗室建設情況影響較大,部分高校教學設備陳舊,大型設備不足,有限的貴重儀器常常用于科學研究,學生無法參與研究性實驗或參與人員有限,無法做到科教融合,沒有條件為學生的開拓創新提供基礎。

2 基于NEES系統的網格化遠程協同實驗

美國地震工程模擬系統NEES(network for earthquake engineering simulation)具備遠程異地控制及觀測實驗的能力,它將實驗、計算進行分工,整合成數據庫進行全國范圍內地震工程的研究和教育[7]。美國在2004年9月30日將美國全國性的網絡模擬資源進行整合,擁有15～20個散布于各地共享的實驗研究設備站點,支持了美國地震工程的科學研究,并在教育領域進行廣泛合作。日本、韓國、歐盟及我國的臺灣省等國家和地區也相繼開展了遠程協同實驗系統的工程建設[8]。湖南大學建立了資源通用共享的網絡化結構實驗室平臺[9],同期,中國地震局工程力學研究所提出了在我國建設中國版 NEES 的建議書,哈爾濱工業大學、同濟大學、清華大學等協同建設相關的基礎研究[10]。

遠程協同實驗系統的優勢在于,通過互聯網整合了全國各地乃至全球的大型實驗室,通過網絡遠程協同聯網將既有的設備聯合形成新型協同實驗系統,解決同類實驗設備重復建設所造成的資源浪費問題,增加全國范圍內大型設備使用率,最大限度地開發既有資源。遠程協同實驗系統可以將復雜結構分割成多部分,分別在不同實驗室及高性能計算機進行實驗及模擬，見圖1(a),并通過網絡對設備站點實行遠程操作,還可通過互聯網連結高性能計算機和數據存儲設備,建立相關領域的數據庫，見圖1(b)。其所需要資源可通過網絡獲得,如實驗和計算數據可視化的資源等。大型實驗所需時間大大簡化。

3 遠程協同實驗系統對高校實驗教學的影響

3.1 全國或區域范圍內資源共享

首先,在爭創“雙一流”的教育背景下,將經費向優勢學校或學科傾斜,在部分高校內進行大量投資建設國際一流實驗室,并且在全國范圍內進行資源分布調配,避免不必要的重復投入,可節省大量經費。其他高校實驗室建設以解決基本教學應用為主,研究性、綜合性實驗教學內容可通過遠程協同實驗系統進行全國或區域內資源調配,共享實驗室、計算資源,也可在共享的資源數據庫內進行查找分析,避免重復性研究。通過遠程協同系統集成設備站點、網站及數據庫實現實驗設備、實驗數據、計算資源乃至人力資源的共享,實現全國高校的協同工作及綜合分析。

3.2 提出開放實驗室的新模式

傳統開放實驗室模式存在安全隱患,在實驗過程中有非實驗人員在實驗室內流動，需專人進行引導,造成人員浪費[11-12]。且開放性實驗受實驗室空間及儀器占用時間調配等因素的影響,參加人數相對較少,無法做到真正全開放。采用遠程協同系統后,實驗者將不再受時間、空間及安全因素的限制,全國高校的實驗室可以通過互聯網進行合作,安排實驗及協同聯機實驗,學生及教師通過遠程協同系統設備站對實驗進行遠程操控和觀測。采用全網遠程協同系統實驗教學的新模式,受外界干擾因素少,真正做到全面開放。

圖1 聯網實驗示例: 復雜結構實驗和數值模擬的分組及各模塊邏輯關系圖

3.3 改變傳統教學方法,做到科教融合

可將遠程協同實驗系統引入到平時的教學活動中,使更多學生能夠參與其中。在完成基本實驗方法及技能傳授的同時,利用局域網參與其他教師的科研實驗,在實驗過程中形成以實驗教師為主、科研教師及研究生為輔的實驗教學培養過程,解決實驗教師不足的現狀。學生還可以通過遠程協同系統對其他高校設備站點的實驗進行遠程觀測,掌握國內外最新實驗進展動態,開闊學生視野,調動學生實驗興趣。

進一步,還可以引導學生課外研究及大學生創新活動中應用遠程協同系統。由教師提出實際問題,學生查閱數據庫,了解該問題實驗進展是否可以通過已有實驗數據加以解釋,并能自己設計實驗,在系統中提交申請,調配資源進行實驗,最終達到激發學生的創新精神、促進科研思維形成的目的。

此外,加強高校之間的教學與科研合作,推廣優勢學科教學經驗,能更好地促進高校之間的溝通合作。

4 結語

遠程協同實驗系統在實驗教學的嘗試性探索,亦是“互聯網+”技術在實驗教學領域的集成創新,對促進國內教學、科研資源的分布調配具有重要的理論意義和實際價值：

(1) 遠程協同實驗系統使我國高校在教學及科研領域實現實驗資源的共享利用,避免重復建設,提高大型設備使用率。

(2) 利用遠程協同系統增加合作高校之間在教學及科研等方面的信息交流和合作,分享來自國內外優勢學科實驗教學及科研成果,通過溝通、協作,促進新實驗教學方法的研究、開發和推廣。

(3)遠程協同實驗系統提供一個基于互聯網技術為依托的網上數據庫,注重成果的交流和總結,避免重復性研究工作,系統滿足服務于科學研究和教育事業的需要。

References)

[1] 王麗梅.基于創新性應用型人才培養的實驗教學方法研究[J].實驗技術與管理,2014,31(1):19-21.

[2] 馬楠,姜臣林,熊北平.區域高校實驗室發展現狀分析簡[J].實驗技術與管理,2016,33(10):249-251.

[3] 徐明,熊宏齊,吳剛,等.土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設[J].實驗室研究與探索, 2016,35(2):139-142.

[4] 歐陽玉祝,蔣劍波,王廣成.協同創新背景下的實驗教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索, 2016,35(1):173-175.

[5] 曹舜.遠程虛擬仿真實驗平臺設計和構建的研究[D].杭州:浙江大學,2004.

[6] 肖玉巍,高智琛.高校實驗室管理體制改革的探索與實踐[J].實驗室科學,2011,14(2):157-159.

[7] NEES.Network for earthquake engineering simulation[EB/OL].(2004-05-08)[2015-12-15].http://www.nees.org/.

[8] Kim J K. KOCED collaboratory program[C]//Proceedings of the 2004 ANCER Annual Meeting:Networking of Young Earthquake Engineering Researchers and Professionals. 2004:658-674.

[9] 茹繼平,肖巖.美國地震工程模擬網系統NEES計劃及在我國實現遠程協同結構試驗的設想[J].建筑結構學報, 2002, 23(6):91-94.

[10] 郭迅.地震工程試驗聯網最新進展[J].地震工程與工程振動,2006,26(4):37-41.

[11] 袁守亮,馮承恩,王貴兵,等.高校實驗室管理體制改革的實踐與探索[J].陜西師范大學學報(哲學社會科學版),2000(增刊1):290-292.

[12] 黃思凝,郭迅,張敏政,等.鋼筋混凝土結構小比例尺模型設計方法及相似性研究[J].土木工程學報,2012(7):31-38.

Exploration on application in networked experimental teaching in colleges and universities based on NEES conception

Huang Sining1, Yu Rangang1,Qiao Tiantian2, Li Jing1, Zhang Yanmei1

(1. College of Pipeline and Civil Engineering, China University Petroleum, Qingdao 266580， China；2. College of Science, China University Petroleum, Qingdao 266580, China)

Based on the conception of NEES, a thought of the construction of remote cooperative experiment system is presented under the background of the lack of funding for most of the laboratories. First, teaching and research advantages of remote cooperative experiment system are introduced. And then the possibility of applying remote collaborative experiment system to solve the problems is analyzed, which is a beneficial exploration for the experimental teaching and even the sustainable development of laboratory innovation.

cooperating experiment; experimental teaching reform; laboratory construction；data sharing

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.045

2017-01-05

國家自然科學基金項目(11626233)；山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金項目(2014BSE28027)；山東省研究生教育創新計劃項目(SDYY15140)；全國工程專業學位研究生教育自選研究課題(2016-ZX-270)；中國石油大學教改項目(QN201624)

黃思凝(1982—),男,黑龍江明水,博士,講師,主要從事結構抗震及實驗技術研究

喬田田(1983—),男,黑龍江明水,博士,講師,主要從事計算科學技術與應用數學研究.

E-mail：qtthsnxf@126.com

G642.0

A

1002-4956(2017)5-0180-03