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(wǎng)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(shù)實驗室經(jīng)費不足的背景下,基于“協(xié)同工作,數(shù)據(jù)共享”理念提出了構(gòu)建遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)的解決實驗教學問題思路，介紹了遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)的教學及科研優(yōu)勢，分析了應用遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)解決高校實驗教學面臨問題的可能性,為實現(xiàn)實驗教學乃至實驗室的可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展提供了有益的探索資料。

協(xié)同實驗； 實驗教學改革； 實驗室建設； 數(shù)據(jù)共享

實驗教學是集理論性、實踐性和創(chuàng)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(chǔ)理論知識的理解，在培養(yǎng)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(yǎng)學生的科學精神和創(chuàng)造能力,是提高學生科研素養(yǎng)、動手能力與創(chuàng)新能力的主要手段。然而,我國多數(shù)高校培養(yǎng)的學生存在理論知識與實際應用脫節(jié)、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(diào)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(chǔ)、出色的科學實驗能力,并富有勇于開拓的創(chuàng)新精神。

1 高校結(jié)構(gòu)實驗教學現(xiàn)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(fā)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(jīng)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(shù)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(fā)展趨勢下,大部分高校實驗室建設存在缺乏經(jīng)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(tǒng)辦學模式的影響,高校實驗室之間缺乏協(xié)調(diào)、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(yōu)勢。往往要很多學生合用一臺儀器做實驗,在有限的時間內(nèi),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(jīng)費及人員配置不均衡。一方面,實驗教學經(jīng)費都依靠學校自身投入,其他經(jīng)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(shù)較多,教學效果及質(zhì)量無法保障。另一方面,科研實驗經(jīng)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(shù)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(tài)[6],且實驗課時少,如結(jié)構(gòu)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(nèi)完成規(guī)定的任務,學生的動手機會大幅度減小,易出現(xiàn)受時間限制實驗結(jié)束較為倉促的現(xiàn)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(diào)動學生主動參與實驗的積極性,致使學生創(chuàng)新能力受到限制,實驗教學總體效果差 。

1.3 實驗教學內(nèi)容及手段陳舊

實驗教學內(nèi)容單一化,缺乏研究性、設計性及綜合性。教學實驗內(nèi)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(nèi)容乏味,學生對實驗不感興趣,不利于培養(yǎng)學生自主發(fā)現(xiàn)問題、理性分析問題及創(chuàng)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(chuàng)新提供基礎(chǔ)。

2 基于NEES系統(tǒng)的網(wǎng)格化遠程協(xié)同實驗

美國地震工程模擬系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫進行全國范圍內(nèi)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(wǎng)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(lǐng)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(qū)也相繼開展了遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)的工程建設[8]。湖南大學建立了資源通用共享的網(wǎng)絡化結(jié)構(gòu)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(yè)大學、同濟大學、清華大學等協(xié)同建設相關(guān)的基礎(chǔ)研究[10]。

遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)的優(yōu)勢在于,通過互聯(lián)網(wǎng)整合了全國各地乃至全球的大型實驗室,通過網(wǎng)絡遠程協(xié)同聯(lián)網(wǎng)將既有的設備聯(lián)合形成新型協(xié)同實驗系統(tǒng),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(nèi)大型設備使用率,最大限度地開發(fā)既有資源。遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)可以將復雜結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡對設備站點實行遠程操作,還可通過互聯(lián)網(wǎng)連結(jié)高性能計算機和數(shù)據(jù)存儲設備,建立相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫，見圖1(b)。其所需要資源可通過網(wǎng)絡獲得,如實驗和計算數(shù)據(jù)可視化的資源等。大型實驗所需時間大大簡化。

3 遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)對高校實驗教學的影響

3.1 全國或區(qū)域范圍內(nèi)資源共享

首先,在爭創(chuàng)“雙一流”的教育背景下,將經(jīng)費向優(yōu)勢學?；?qū)W科傾斜,在部分高校內(nèi)進行大量投資建設國際一流實驗室,并且在全國范圍內(nèi)進行資源分布調(diào)配,避免不必要的重復投入,可節(jié)省大量經(jīng)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(nèi)容可通過遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)進行全國或區(qū)域內(nèi)資源調(diào)配,共享實驗室、計算資源,也可在共享的資源數(shù)據(jù)庫內(nèi)進行查找分析,避免重復性研究。通過遠程協(xié)同系統(tǒng)集成設備站點、網(wǎng)站及數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實驗設備、實驗數(shù)據(jù)、計算資源乃至人力資源的共享,實現(xiàn)全國高校的協(xié)同工作及綜合分析。

3.2 提出開放實驗室的新模式

傳統(tǒng)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(nèi)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(diào)配等因素的影響,參加人數(shù)相對較少,無法做到真正全開放。采用遠程協(xié)同系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)進行合作,安排實驗及協(xié)同聯(lián)機實驗,學生及教師通過遠程協(xié)同系統(tǒng)設備站對實驗進行遠程操控和觀測。采用全網(wǎng)遠程協(xié)同系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)實驗示例: 復雜結(jié)構(gòu)實驗和數(shù)值模擬的分組及各模塊邏輯關(guān)系圖

3.3 改變傳統(tǒng)教學方法,做到科教融合

可將遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)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(wǎng)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(yǎng)過程,解決實驗教師不足的現(xiàn)狀。學生還可以通過遠程協(xié)同系統(tǒng)對其他高校設備站點的實驗進行遠程觀測,掌握國內(nèi)外最新實驗進展動態(tài),開闊學生視野,調(diào)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(chuàng)新活動中應用遠程協(xié)同系統(tǒng)。由教師提出實際問題,學生查閱數(shù)據(jù)庫,了解該問題實驗進展是否可以通過已有實驗數(shù)據(jù)加以解釋,并能自己設計實驗,在系統(tǒng)中提交申請,調(diào)配資源進行實驗,最終達到激發(fā)學生的創(chuàng)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(yōu)勢學科教學經(jīng)驗,能更好地促進高校之間的溝通合作。

4 結(jié)語

遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)在實驗教學的嘗試性探索,亦是“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在實驗教學領(lǐng)域的集成創(chuàng)新,對促進國內(nèi)教學、科研資源的分布調(diào)配具有重要的理論意義和實際價值：

(1) 遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)使我國高校在教學及科研領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)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(xié)同系統(tǒng)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(nèi)外優(yōu)勢學科實驗教學及科研成果,通過溝通、協(xié)作,促進新實驗教學方法的研究、開發(fā)和推廣。

(3)遠程協(xié)同實驗系統(tǒng)提供一個基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托的網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫,注重成果的交流和總結(jié),避免重復性研究工作,系統(tǒng)滿足服務于科學研究和教育事業(yè)的需要。

References)

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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(yōu)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(chuàng)新計劃項目(SDYY15140)；全國工程專業(yè)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(jié)構(gòu)抗震及實驗技術(shù)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(shù)與應用數(shù)學研究.

E-mail：qtthsnxf@126.com

G642.0

A

1002-4956(2017)5-0180-03