杜明剛, 張仲伍

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾　041004)

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普通高?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)研究

杜明剛, 張仲伍

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾041004)

高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)是高校教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)室是開發(fā)學(xué)生潛能的重要平臺(tái)。普通高校建設(shè)高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)室存在資金和技術(shù)障礙,難以滿足師生的教學(xué)和科研需求。利用“互聯(lián)網(wǎng)+”建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”,集聚了虛擬實(shí)驗(yàn)室和開放實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn),具有提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果、擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室功能、降低實(shí)驗(yàn)成本和提高實(shí)驗(yàn)室人員積極性的優(yōu)勢(shì)。

互聯(lián)網(wǎng)+； 開放實(shí)驗(yàn)室； 虛擬實(shí)驗(yàn)室

隨著我國(guó)信息技術(shù)的成熟與發(fā)展,“互聯(lián)網(wǎng)+”成為推動(dòng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生活、生態(tài)和環(huán)境發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力[1],國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見則從國(guó)家層面上闡釋了互聯(lián)網(wǎng)在在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活中的重要性,互聯(lián)網(wǎng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略,標(biāo)志著我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的來臨。馬化騰認(rèn)為“互聯(lián)網(wǎng)+”是以互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ),利用信息通信技術(shù)與各行業(yè)的跨界融合而形成新生態(tài)[2]?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”成為人類社會(huì)發(fā)展的新機(jī)遇、新引擎[3]?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域,對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+”工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、金融、服務(wù)業(yè)、旅游業(yè)、能源、金融、社會(huì)管理以及精準(zhǔn)扶貧等進(jìn)行了探索,取得良好的研究成果[4-6]。高校實(shí)驗(yàn)室通過展示、演示與操作,使得抽象原理生動(dòng)化和瑣碎知識(shí)系統(tǒng)化,是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)和動(dòng)手能力、規(guī)范學(xué)生科學(xué)思維、強(qiáng)化學(xué)生科研范式、啟迪創(chuàng)新能力的重要平臺(tái)和途徑[7]。近年來,為促進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)我國(guó)教育發(fā)展的新形勢(shì),眾多學(xué)者對(duì)實(shí)驗(yàn)室改革進(jìn)行了研究,從實(shí)驗(yàn)室存在的問題、建設(shè)、管理和實(shí)驗(yàn)教師培訓(xùn)等方面進(jìn)行了探索,提出科學(xué)合理的改革建議[8-10],其中對(duì)建設(shè)開放實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了細(xì)致的研究,認(rèn)為開放實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室是世界一流實(shí)驗(yàn)室普遍做法,可以規(guī)避傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室利用低效、資源浪費(fèi)、安全隱患等問題,可以解決我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)器材缺乏帶來的限制等問題,是我國(guó)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)發(fā)展方向[11-12]。

近年來,高校開放實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)取得了良好的效果。但是,開放實(shí)驗(yàn)室難以解決學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)過程差異性的需求,重復(fù)實(shí)驗(yàn)成本高。而虛擬實(shí)驗(yàn)室難以取得“真實(shí)操作”的體驗(yàn)效果,同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)室開放度也不高。本文擬以山西師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室為例,運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”,探討開放實(shí)驗(yàn)室與虛擬實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合的互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)途徑。

1　山西師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室存在的問題

山西師范大學(xué)創(chuàng)建于1958年,是國(guó)家中西部重點(diǎn)建設(shè)高校。學(xué)校坐落在臨汾市。學(xué)?，F(xiàn)有全日制本科生15 000余人,研究生3 200余人；設(shè)有22個(gè)學(xué)院,58個(gè)本科專業(yè)。建有戲劇戲曲、三晉文化、黃河民俗3個(gè)博物展館,擁有4個(gè)重點(diǎn)研究基地,1個(gè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,各學(xué)科均建設(shè)有專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。與全國(guó)普通高校一樣,山西師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室存在以下問題。

(1) 高端先進(jìn)儀器匱乏,難以滿足學(xué)生需求。雖然近年來國(guó)家加大了對(duì)普通高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)支持力度,山西師范大學(xué)爭(zhēng)取到國(guó)家援建資金和實(shí)驗(yàn)器材,但是歷史欠賬太多,所需資金量太大,許多急需的儀器難以一步到位,另外山西師范大學(xué)難以承擔(dān)過多和過高的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行成本,實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)全面開放。

(2) 實(shí)驗(yàn)室封閉私用,實(shí)驗(yàn)器材閑置。由于實(shí)驗(yàn)室管理理念的落后,山西師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與多數(shù)普通高校實(shí)驗(yàn)室一樣,實(shí)驗(yàn)室是以學(xué)院為單位的封閉使用,甚至以學(xué)科為單位,不對(duì)其他學(xué)院開放,存在著生命科學(xué)學(xué)院的植物標(biāo)本,地理科學(xué)學(xué)院難以使用,或者地理科學(xué)的土壤標(biāo)本,生命學(xué)院不能共享等現(xiàn)象。一方面存在著學(xué)院實(shí)驗(yàn)器材的不足導(dǎo)致學(xué)生無法完成實(shí)驗(yàn),另一方面存在著實(shí)驗(yàn)器材閑置。

(3) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)時(shí)間受到教學(xué)大綱限制,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少,集體演示內(nèi)容多,學(xué)生單獨(dú)操作項(xiàng)目少,實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，難以實(shí)現(xiàn)分類指導(dǎo)和差異性教學(xué)。學(xué)生難以根據(jù)自己的需求進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn),在反復(fù)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證猜想,發(fā)現(xiàn)規(guī)律,洞察學(xué)科奧秘。

(4) 專職實(shí)驗(yàn)室人員缺乏。由于普通高校重視教學(xué)工作,在職稱、獎(jiǎng)勵(lì)等方面向教學(xué)一線人員傾斜,專職實(shí)驗(yàn)人員往往評(píng)聘職稱難度增加,獎(jiǎng)金等待遇低,導(dǎo)致專職實(shí)驗(yàn)人員缺乏,部分實(shí)驗(yàn)室由在校大學(xué)生或者研究生擔(dān)任,由于專業(yè)知識(shí)的限制,導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差。

2　“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)設(shè)計(jì)

2.1“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)思路

借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室,對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。同時(shí),實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室面向全體學(xué)生和實(shí)驗(yàn)人員的全面開放。讓學(xué)生和實(shí)驗(yàn)人員在虛擬實(shí)驗(yàn)室反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)分析和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。同時(shí),建立開放實(shí)驗(yàn)室,聯(lián)合社會(huì)和高校,高校之間的實(shí)驗(yàn)室面向全體學(xué)生和實(shí)驗(yàn)人員全面開放,學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相當(dāng)?shù)奶摂M實(shí)驗(yàn)后,在開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物操作,體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)過程,在具體的實(shí)驗(yàn)操作中,發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題,開發(fā)學(xué)生的內(nèi)在潛能。具體構(gòu)建見圖1。

圖1　“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”構(gòu)建示意圖

2.2建立聯(lián)合開放實(shí)驗(yàn)室

開放實(shí)驗(yàn)室是指以實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與資料、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和考核完全開放,學(xué)生根據(jù)自己的需求,通過預(yù)約,在任意時(shí)間來實(shí)驗(yàn)室做自己準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,也可以做自帶的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[14]。高校聯(lián)合開放實(shí)驗(yàn)室分為3個(gè)層次,一是學(xué)校與社會(huì)實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合開放,二是高校與高校實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合開放,三是學(xué)校內(nèi)各院系實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合開放。

建設(shè)聯(lián)合開放實(shí)驗(yàn)室需要頂層設(shè)計(jì),由教育廳、社會(huì)實(shí)驗(yàn)室主管部門等共同設(shè)計(jì)聯(lián)合開放實(shí)驗(yàn)室的管理制度,科學(xué)高效管理實(shí)驗(yàn)室的各類開放資源及其實(shí)施效果,細(xì)化實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)定以及儀器設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)等。

建設(shè)適應(yīng)開放實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教師團(tuán)隊(duì),建設(shè)一支責(zé)任心強(qiáng)、有奉獻(xiàn)精神的實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍，著力提高設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)的比重的同時(shí),允許學(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣、愛好和特長(zhǎng)自主設(shè)計(jì),增加個(gè)性化內(nèi)容，并結(jié)合重大科研課題、創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、社會(huì)熱點(diǎn)問題等開設(shè)實(shí)驗(yàn),增加前瞻性、應(yīng)用性、探索性內(nèi)容[10-11]。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上,打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中按學(xué)科劃分的界限,按照學(xué)科群的研究層次和學(xué)生的知識(shí)階次,將各門課程進(jìn)行重組,建立由基礎(chǔ)到前沿、由接受知識(shí)型到培養(yǎng)綜合能力型，最終到獨(dú)立思考、探究創(chuàng)新型的培養(yǎng)模式; 在實(shí)驗(yàn)方式上,根據(jù)不同學(xué)科專業(yè)要求和不同學(xué)生實(shí)際,采用分類別、分層次、模塊化的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[8]。

2.3建設(shè)聯(lián)合虛擬實(shí)驗(yàn)室

通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),采用計(jì)算機(jī)仿真、虛擬儀器技術(shù),對(duì)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬,建設(shè)聯(lián)合虛擬實(shí)驗(yàn)室。主要包括建立高新儀器和大型設(shè)備的功能、原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與操作規(guī)程虛擬模塊,建立實(shí)驗(yàn)室常見的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)常用藥品、實(shí)驗(yàn)流程以及操作、實(shí)驗(yàn)原理虛擬模塊,建設(shè)分析儀器的構(gòu)造和特點(diǎn)以及使用過程中需要注意的問題和事項(xiàng)模塊,建設(shè)實(shí)驗(yàn)操作流程模塊。聯(lián)合虛擬實(shí)驗(yàn)室與學(xué)生的移動(dòng)手機(jī)、電腦等智能設(shè)備無縫連接,讓學(xué)生隨時(shí)隨地獲得實(shí)驗(yàn)室各種信息,包括實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備功能、操作規(guī)則、管理制度和實(shí)驗(yàn)器材消耗等情況。

2.4建設(shè)實(shí)驗(yàn)室專業(yè)人員、任課教師和學(xué)生互動(dòng)平臺(tái)

利用互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室專業(yè)人員、任課教師和學(xué)生互動(dòng)平臺(tái),首先,學(xué)生可以查詢聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備分布情況,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室情況決定申請(qǐng)最合適的實(shí)驗(yàn)室；二是學(xué)生利用這個(gè)平臺(tái),可以把自己的想法、創(chuàng)意和困惑與實(shí)驗(yàn)室專業(yè)人員和教師進(jìn)行交流,得出最可行的實(shí)驗(yàn)方案；三是實(shí)驗(yàn)室專業(yè)人員和任課教師利用這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行指導(dǎo)和評(píng)判學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)；最后，教師和實(shí)驗(yàn)室專業(yè)人員利用這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行模擬操作實(shí)驗(yàn),給有需求的學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)過程和操作注意事項(xiàng)。

3　“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”優(yōu)勢(shì)分析

3.1提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果

“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”提供了充足的實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)資料；以及不受時(shí)間、地點(diǎn)限制的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,學(xué)生可以在任選時(shí)間和空間進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),極大地?cái)U(kuò)展了學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)空范圍；提供了與實(shí)驗(yàn)專業(yè)人員和教師交流平臺(tái),大大增加了學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)獲得知識(shí)和能力的機(jī)會(huì)。學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間選擇實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行基本技能訓(xùn)練、選修實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),可以及時(shí)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的新思想和新思路。通過“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”,學(xué)生將在單位時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證、領(lǐng)會(huì)和掌握到更多的知識(shí),實(shí)驗(yàn)效率大大提高。

3.2擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)室的功能

“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”使得高校與社會(huì)、高校與高校以及高校內(nèi)部各院系之間的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)聯(lián)合和開放。 聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室打破了學(xué)院與社會(huì)、校際、院際實(shí)驗(yàn)室之間的封閉,實(shí)現(xiàn)了有限資源條件下的效率最大化。學(xué)生可以靈活、充分地利用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室不再是僅僅滿足本學(xué)校、本學(xué)院學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求,而且也滿足了不同學(xué)校、不同學(xué)院的學(xué)生實(shí)驗(yàn)的需求。實(shí)驗(yàn)室功能取得倍增效果。

3.3降低了實(shí)驗(yàn)成本

“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”在實(shí)驗(yàn)前通過交流平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)室專職教師和任課教師進(jìn)行了充分交流和探討,專職人員和教師可以利用交流平臺(tái)進(jìn)行講解和虛擬演示,學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作,了解儀器、分析實(shí)驗(yàn)操作過程中存在的問題以及需要注意的關(guān)鍵點(diǎn),也可以首先在虛擬實(shí)驗(yàn)室預(yù)實(shí)驗(yàn)自己設(shè)計(jì)項(xiàng)目。經(jīng)過虛擬實(shí)驗(yàn),掌握了實(shí)驗(yàn)技巧和實(shí)驗(yàn)規(guī)律,修正了實(shí)驗(yàn)步驟，則在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室操作中,大大降低實(shí)驗(yàn)失誤和失敗,從而降低了儀器設(shè)備損壞率,節(jié)約了資源,降低了實(shí)驗(yàn)成本。

3.4提高了實(shí)驗(yàn)隊(duì)員的工作積極性

“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”形成了實(shí)驗(yàn)室專職人員、實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生“三位一體”的共同體,對(duì)實(shí)驗(yàn)室專職人員提出了更高的要求,促進(jìn)了專職人員積極鉆研業(yè)務(wù)的熱情。同時(shí),也促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室專業(yè)人員與學(xué)生一起探索科學(xué)知識(shí)的氛圍,通過實(shí)驗(yàn)交流活動(dòng),激發(fā)專職人員的科研興趣,達(dá)到培養(yǎng)提高能力效果,成為創(chuàng)新型人才。

4　結(jié)語

“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理和技術(shù)創(chuàng)新的產(chǎn)物,是實(shí)驗(yàn)室從供給側(cè)改革到需求側(cè)變革的重要?jiǎng)?chuàng)新嘗試?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”的建設(shè)涉及到高校與社會(huì)、高校與高校之間及其各個(gè)部門實(shí)驗(yàn)資源的整合與信息化,改變了教師、實(shí)驗(yàn)室專職人員和學(xué)生之間的單向、被動(dòng)聯(lián)系,取而代之的是三者之間有機(jī)、多向的聯(lián)系。激發(fā)了教師、專職人員和學(xué)生的研發(fā)興趣和激情,提高了實(shí)驗(yàn)室促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升的作用?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)室”是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要頂層設(shè)計(jì)、認(rèn)真研究和科學(xué)規(guī)劃。

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[10] 陳群,李建楠,劉玉峰,等.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理現(xiàn)狀及對(duì)策[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2011,9(1):138-140.

[11] 史天貴,彭紹春,蘭山,等. 高校實(shí)驗(yàn)室綜合改革的思考[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(2):1-3.

[12] 徐志瑋. 美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科研評(píng)估和啟示:以美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為例[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(1):201-206.

Research on construction of “Internet + laboratory” in ordinary colleges and universities

Du Minggang, Zhang Zhongwu

(College of Geography Science,Shanxi Normal University,Linfen 041004,China)

The laboratory teaching is a major part of university education,and a high-level laboratory is a platform for developing students’ latent potential. However,some financial and technique problems exist in the construction of a high-level laboratory for ordinary universities. Using the “Internet+” technology to construct an “Internet+laboratory” contains the advantages of both open laboratory and virtual laboratory,which can improve the students’ experimental effect,expand the laboratory function,reduce the experiment cost and stimulate the laboratory staff initiative.

Internet+; open laboratory; virtual laboratory

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.063

2016-03-27修改日期：2016-05-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30871483)

杜明剛(1965-),男,山西臨汾,實(shí)驗(yàn)師,主要從事實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理.

E-mail：dumg966@163.com

G482

A

1002-4956(2016)9-0239-03