席秋穎,王 旗

(東北大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在全國(guó)高校對(duì)各專業(yè)尤其是理工科學(xué)生的培養(yǎng)計(jì)劃中占有舉足輕重的地位，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高等教育中對(duì)全能型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。近年來(lái)，由于我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平亦取得了巨大的改革成果，具體體現(xiàn)在各高校通過(guò)推進(jìn)本校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的信息化建設(shè)，以及后續(xù)對(duì)已建立的信息化體系不斷進(jìn)行修繕和強(qiáng)化，逐步形成了適應(yīng)本校發(fā)展需求的、符合新時(shí)代教育發(fā)展方針的實(shí)驗(yàn)室信息化管理體系。

新時(shí)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心信息化建設(shè)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為媒介，應(yīng)用系統(tǒng)性的管理模式以及先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行全方面地管控。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)程序?qū)?shí)驗(yàn)中心的軟、硬件設(shè)備進(jìn)行高效集成式管理，有利于管理人員對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)管工作并且提高了工作效率。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也應(yīng)乘上信息化的順風(fēng)車，通過(guò)促進(jìn)課堂教學(xué)與基于信息技術(shù)的自主學(xué)習(xí)深度融合，對(duì)教學(xué)模式等方面進(jìn)行改革[1]，打造出個(gè)性化、動(dòng)態(tài)化、互動(dòng)性的教學(xué)模式，保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得良好的成效。本文以東北大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在信息化建設(shè)方面實(shí)施的一系列舉措為例，旨在通過(guò)對(duì)比信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管理方式，以及將課程資源網(wǎng)絡(luò)化等教學(xué)方式的改革所取得的成效進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)介紹，來(lái)凸顯信息化建設(shè)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心發(fā)展的重要性。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理模式存在的弊端

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中心管理模式中，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的選、排課模塊還是對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的器材管理模塊，大部分均采用人工管理形式。然而，隨著實(shí)驗(yàn)中心的教學(xué)覆蓋面越來(lái)越廣，以及不斷地添加新的儀器設(shè)備帶來(lái)的管理上的困難，這種純?nèi)斯す芾砟Ｊ揭环矫娌痪邆渲贫韧晟菩?，另一方面缺乏設(shè)備管理的秩序性[2]。不能滿足新時(shí)代高等院校培養(yǎng)全面性人才，建設(shè)全面型教學(xué)中心的發(fā)展需求。

以東北大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例，中心每學(xué)期面向全校機(jī)械、自動(dòng)化、采礦、測(cè)繪等工科專業(yè)所開(kāi)設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，教學(xué)覆蓋廣泛，工作量大。若完全采用傳統(tǒng)教學(xué)模式來(lái)管理實(shí)驗(yàn)課程，這對(duì)教師、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員以及學(xué)生都提出了挑戰(zhàn)，集體體現(xiàn)在：

(1)對(duì)教師：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的項(xiàng)目、內(nèi)容繁多，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)難點(diǎn)以及基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)都要對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)督，這使得教師分身乏術(shù)，沒(méi)有辦法兼顧學(xué)生接收能力的差異性[3]，從而無(wú)法高效率、高質(zhì)量地完成教學(xué)任務(wù)。

(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員：實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員除了需要管理各自負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備，并且要根據(jù)各專業(yè)課表人工地找到合適的時(shí)間、地點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)課老師來(lái)安排本學(xué)期的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課，工作量巨大且難以自查。

(3)對(duì)學(xué)生：學(xué)生只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)教材上的文字描述以及操作示意圖對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目形成宏觀的、高維度的概念，這就導(dǎo)致學(xué)生們無(wú)法主動(dòng)地對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容產(chǎn)生興趣，只能機(jī)械地、被動(dòng)地接收書(shū)本知識(shí)。

綜上，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理模式以及教學(xué)模式無(wú)法適應(yīng)新時(shí)代的一流人才培養(yǎng)需求。新時(shí)代信息化建設(shè)可以通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)管理模式的不足之處，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同促進(jìn)教育改革的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的信息化建設(shè)舉措

高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心信息化建設(shè)跟隨現(xiàn)代信息技術(shù)前進(jìn)的步伐，建立了有線或WLAN局域網(wǎng)，并通過(guò)將每個(gè)實(shí)驗(yàn)室分配給專門負(fù)責(zé)信息化管理的技術(shù)人員，讓其在管理過(guò)程中不斷完善實(shí)驗(yàn)室信息基礎(chǔ)建設(shè)，包括設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、軟件等[4]，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定有效地運(yùn)行。

在實(shí)驗(yàn)室管理方面，東北大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心自2017年開(kāi)始，通過(guò)設(shè)置實(shí)驗(yàn)室安全管理規(guī)章制度、實(shí)驗(yàn)室值班制度、實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入制度等管理制度，以及與之相匹配的安全事故應(yīng)急處置預(yù)案，以保障實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、管理和實(shí)驗(yàn)教學(xué)正常運(yùn)行。近幾年，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心又基于“互聯(lián)網(wǎng)+”新思維方式，引入物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術(shù)，按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一管理模式，采用統(tǒng)一的身份認(rèn)證以及完整的安全保障體系，實(shí)現(xiàn)了規(guī)范、高效的管理。并將互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字資源與教學(xué)相結(jié)合，這使得學(xué)生可以方便地使用移動(dòng)電子設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)等操作，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。

具體的實(shí)驗(yàn)室信息化舉措體現(xiàn)在教學(xué)管理系統(tǒng)信息化、課程資源網(wǎng)絡(luò)化以及教學(xué)手段多樣化，如圖1所示。

圖1 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心信息化建設(shè)

2.1 教學(xué)管理系統(tǒng)信息化

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，東北大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開(kāi)設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的選、排課模塊均通過(guò)萬(wàn)欣實(shí)驗(yàn)中心管理系統(tǒng)完成，實(shí)驗(yàn)課程全過(guò)程合理安排，數(shù)據(jù)完整。圖2為實(shí)驗(yàn)中心管理系統(tǒng)的功能模塊，分為實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)排課及預(yù)約、實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理以及學(xué)生用戶中心四個(gè)主要部分。

圖2 物理中心教學(xué)管理系統(tǒng)功能模塊圖示

(1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息管理：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心每個(gè)學(xué)期都會(huì)開(kāi)設(shè)針對(duì)不同年級(jí)不同專業(yè)的物理實(shí)驗(yàn)課程，不同的實(shí)驗(yàn)課程包含有不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)將每學(xué)期的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)大綱等資料上傳至管理系統(tǒng)，就可以直觀簡(jiǎn)潔地管理教學(xué)任務(wù)。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)排課及預(yù)約：數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的分析計(jì)算可以有效避免純?nèi)斯づ耪n時(shí)的課程、時(shí)間、地點(diǎn)等內(nèi)容沖突，大大地減少了時(shí)間、人力資源的消耗。另外，老師和學(xué)生也可以通過(guò)登錄系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)資源的預(yù)約或選擇本學(xué)期的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自主性更大。

(3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理：實(shí)驗(yàn)中心管理系統(tǒng)全面覆蓋了學(xué)生從一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、電子報(bào)告的提交以及最后的成績(jī)導(dǎo)出功能。

(4)學(xué)生用戶中心：當(dāng)負(fù)責(zé)網(wǎng)站建設(shè)和管理工作的老師將本學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課表在系統(tǒng)中排好后，學(xué)生登錄系統(tǒng)就可以看到自己本學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課安排?；蛘咄瑢W(xué)們也可以在老師排好的一系列實(shí)驗(yàn)中選擇自己的課程，再在網(wǎng)站中完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)題，提交電子報(bào)告。

此管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)安排合理化，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)管控流程化。網(wǎng)站欄目能體現(xiàn)中心特色，欄目設(shè)置清晰，內(nèi)容更新及時(shí)。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比較，通過(guò)改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管控流程，不僅減輕了實(shí)驗(yàn)教師的教學(xué)安排工作以及成績(jī)管理工作，同時(shí)也通過(guò)便捷的交互模式增強(qiáng)了師生之間的溝通效率，使得教學(xué)任務(wù)的開(kāi)展更加智能化、多元化。

與此同時(shí)，此系統(tǒng)也具有門禁與開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)和智能物聯(lián)網(wǎng)終端監(jiān)控管理系統(tǒng)用來(lái)確保學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的人身安全。

2.2 課程資源網(wǎng)絡(luò)化

在老師的教學(xué)模式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式都隨著信息化教學(xué)的建設(shè)而不斷變化的背景下，傳統(tǒng)的紙質(zhì)教材不再能滿足師生們的教學(xué)需求，一種新興的，互動(dòng)性強(qiáng)的，為信息化教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生的，適用于各種電子設(shè)備終端的數(shù)字化教材才是被高等教育中的全面型人才培養(yǎng)所需要的。這種數(shù)字化教材以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，將理論、公式、圖像等內(nèi)容轉(zhuǎn)換成視頻、音頻等多媒體形式來(lái)傳播，實(shí)現(xiàn)了高效的知識(shí)傳播。

數(shù)字化新形態(tài)教材是以傳統(tǒng)紙質(zhì)教材為基礎(chǔ)，在保留了紙質(zhì)教材的完整知識(shí)體系的同時(shí)，還通過(guò)將知識(shí)內(nèi)容數(shù)字化，變成學(xué)生更容易更方便接收的圖像、視頻等多媒體形式，用以表達(dá)教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效益[5]。電子教材不再將師生限制在同一時(shí)間空間中，學(xué)生更可以通過(guò)多媒體設(shè)備隨時(shí)訪問(wèn)學(xué)習(xí)老師上傳的學(xué)習(xí)資料，更好更快地促進(jìn)知識(shí)的更新、創(chuàng)新與共享。這一教學(xué)模式在去年突如其來(lái)的疫情中更是在極大程度上緩解了突發(fā)情況對(duì)教育層面的沖擊。

與傳統(tǒng)的紙質(zhì)教材相比，數(shù)字化新教材具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)數(shù)字化新形態(tài)教材素材豐富，形式多元化，能夠滿足不同受眾的需求；

(2)數(shù)字化新形態(tài)教材中的數(shù)字資源可靈活地隨時(shí)進(jìn)行編輯、更新，教材成本低；

(3)數(shù)字化新形態(tài)教材直觀、形象，有助于提高學(xué)習(xí)人員的興趣和效率；

(4)數(shù)字化新形態(tài)教材的數(shù)字資源具有開(kāi)放性，可隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，具有便攜性。

MOOC(Massive Open Online Course，大規(guī)模在線開(kāi)放課程)是近年來(lái)教育界最熱門的話題之一，更被認(rèn)為是“自印刷術(shù)發(fā)明以來(lái)教育領(lǐng)域最大的革新”[6]。這一在線課程的開(kāi)放不僅給高等教育提出了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，更是對(duì)數(shù)字化教材的推廣和完善提出了迫切的需求。

東北大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心積極響應(yīng)課程信息化建設(shè)的號(hào)召，將面向本校理工科學(xué)生的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)成數(shù)字化學(xué)習(xí)資源。該課程以中國(guó)大學(xué)MOOC網(wǎng)站為資源平臺(tái)面向所有學(xué)生開(kāi)放，課程頁(yè)面如圖3所示。由于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門更注重動(dòng)手操作能力的課程，單純的理論講解并不能使得課程效益最大化，MOOC的出現(xiàn)解決了這一難題，學(xué)生只要通過(guò)登錄慕課網(wǎng)站，選擇要學(xué)習(xí)的課程，就可以實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間任何地點(diǎn)觀看實(shí)驗(yàn)操作的視頻，對(duì)比只學(xué)習(xí)書(shū)本上的內(nèi)容可以有更高維度的收獲和了解。學(xué)生自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之后還可以通過(guò)完成平臺(tái)上的測(cè)試題來(lái)檢驗(yàn)自學(xué)成果，并將有關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的疑問(wèn)或者心得體會(huì)通過(guò)留言的方式反饋給老師，這樣的方式縮短了師生之間的交流時(shí)間和距離，提升了教學(xué)質(zhì)量和效率。

圖3 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)MOOC頁(yè)面

與此同時(shí)，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心也在課本上附上了數(shù)字課程資源的二維碼，學(xué)生通過(guò)掃描二維碼的方式亦可學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的視頻內(nèi)容，在不增加額外的印刷費(fèi)用的同時(shí)還擴(kuò)展了書(shū)中內(nèi)容的豐富程度，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。

2.3 教學(xué)手段多樣化

2.3.1 虛擬仿真課程建設(shè)

虛擬仿真課程是在數(shù)字化教材之后教育領(lǐng)域的另一信息化革新成果。該課程以虛擬現(xiàn)實(shí)為技術(shù)載體，將實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，采用軟硬件結(jié)合的方式，協(xié)調(diào)相關(guān)硬件和效應(yīng)設(shè)備形成一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境[7]。同學(xué)們身臨其境地在這樣的虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并通過(guò)手柄、耳機(jī)等輔助工具實(shí)現(xiàn)沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

圖4為東北大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的VR教室實(shí)景圖。

圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室實(shí)景

虛擬仿真課程不僅可以強(qiáng)化教師對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的把控，緩解了實(shí)驗(yàn)室的使用壓力，同時(shí)減輕了管理人員對(duì)儀器實(shí)物的看管工作，提高了工作效率。同學(xué)們也在學(xué)習(xí)過(guò)程中體驗(yàn)到了信息化技術(shù)帶來(lái)的樂(lè)趣，完成了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)，并取得了等價(jià)于甚至優(yōu)于實(shí)際操作環(huán)境中的學(xué)習(xí)效果[8]。

2.3.2 線上直播課程

線上直播課程是一種新型的教學(xué)手段，老師們通過(guò)在軟件平臺(tái)上以直播來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)的方式，這個(gè)方式相比于前面的信息化手段有著更重要的一點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了師生之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，學(xué)生可以以評(píng)論或發(fā)送彈幕的方式即時(shí)與老師進(jìn)行討論交流，建立了新形勢(shì)的教學(xué)模式。

東北大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在疫情期間積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行直播教學(xué)的全新方式，完成了在特殊時(shí)期下教育改革的挑戰(zhàn)。

3 實(shí)驗(yàn)中心信息化建設(shè)成果及展望

在新時(shí)代教育背景下，東北大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心與時(shí)俱進(jìn)，從實(shí)驗(yàn)室管理信息化、課程資源網(wǎng)絡(luò)化以及教育手段多樣化等方面多管齊下，建立了新形勢(shì)的課程教學(xué)模式，由從前的“教師主導(dǎo)，學(xué)生被動(dòng)接受”的傳統(tǒng)模式改為學(xué)生自主、合作、探究式的學(xué)習(xí)模式[9]。將實(shí)驗(yàn)室還給學(xué)生，做到了全面提升了人才培養(yǎng)的質(zhì)量和教學(xué)效率。

高等教育的信息化建設(shè)并不會(huì)止步于此，隨著科技手段的不斷提高，將會(huì)有越來(lái)越多的新興技術(shù)可以應(yīng)用于高校的人才培養(yǎng)計(jì)劃中，只有充分利用好科技力量并將其與實(shí)驗(yàn)室的各種資源相結(jié)合，使信息化管理系統(tǒng)更好地服務(wù)于實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)工作，才能真正意義上地實(shí)現(xiàn)國(guó)家科教興國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，做到創(chuàng)辦一流教育，培養(yǎng)一流人才[10]。因此，將高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的信息化建設(shè)多元化，終身化。