数字化实验教学探讨
作者:时间:2010-07-02 14:27:55 来源:百度文库 阅读次数:1077次 ]
摘要：高素质创新人才培养是高等教育的一个重要方面，实验教
学是创新能力培养的重要环节。本文论述7如何通过数字化实验，加强实验实训等实践性环节的教学改革，使实验教学自成体系，着眼于促进学生实践和创新能力的
提高进行。
关键词：实验教学；数字化；教学改革；网络； 立体化
从上世纪90年代末起，中国的 高等教育经历了一个快速发展的阶段，逐年扩大的招生规模，使我 国高等院校在校的学生达到了前所未有的程度。大学教育在总体上已经从以前的精英教育过渡到了大众教育。如何坚持教育创新思想、实现培养技术应用型人才的既 定目标，就成为一个十分值得研究的课题。本文就如何通过数字化实验，加强实验实训等实践性环节的教学改革，使实验教学自成体系，着眼于促进学生实践和创新 能力的提高进行了论述。
一、实验教学方法、手段改革的必要性
目前许多高校实验教学普遍存在的问 题是：实验教学设备陈旧，台套数较少，实验内容落后。许多实验仅局限于对所学理论结果进行验证，或开设一些演示实验。有些课程的实验，由于缺少设备，也只 能在计算机上进行仿真。上述问题在一定程度上已经影响到学生对理论知识 的掌握和对理论课程学习的兴趣，更谈不上对学生实践能力的培养。
在实验教学方式上，仍然是传统的教学模式。实验教学一般只是定位于作为理论 教学的一种补充和继续，即处于理论教学的一种附属地位。在实验项目的编排上，以基础实验或演示性实验为主，多属于内容单一、目的为验证课堂所学的实验类 型。在实验的进行方式上，更是采用一种大体固定的模式：即在确定的时间内，让学生根据实验指导书要求，在教师指导下，按既定方法、既定条件，完成实验全过 程。这里所谓实验全过程，学生只需做三件事：即熟悉实验指导书内容、按实验指导书要求进行操作并完成实验报告。而实验指导书是教师精心编写的。在这种状态 下，根本谈不上综合运用知识解决实际问题；实验教学尚未能真正地自成体系。学生在实验中难以获得创造的乐趣和激发更多的创造灵感。同时学生是否把课余时间 能用于研究性、探索性和创新性学习，还缺少更好的引导方法及提供合适的内容与条件，学生在学习中的主观能动性没有充分调动，多数学生处于被动接受知识传授 的状态，这对学生实践能力和创新能力的提高十分不利。
针对这些具体问题和我们的培养目标，从理论和实际操作方法上，我们就实验教学环节的改 革提出了新的方式和方法——即数字化实验教学。
二、数字化实验教学的意义
数字化实验教学是指学 生在数字化实验环境下，以虚实结合的方式，对虚拟实验设备、仿真实验环境、虚实结合的实验对象进行操作，进而达到学习理论、锻炼实验技能、培养创新能力的 目的。
数字化实验教学的基础是数字化实验室。数字化实验室是数字化校园建设中不可缺少的一部分。数字化实验室就是在传统实验室的基础上，利 用先进的计算机技术、网络通信技术、多媒体技术、数字技术、虚拟现实技术等相关的信息加工处理，将现实实验室中的各种实验资源数字化，并通过计算机进行实 验教学管理的综合性和开放型的实验教学环境。它包括实验条件的数字化、实验管理的数字化和相关实验资源的数字化等。
数字化实验教学是实验教 学改革发展的必然。通过数字化的实验条件、丰富的数字化实验资源、高效的数字化实验管理，为学生开辟了“立体化”的学习、求知、探索、创新的场所，形成了 以学生为中心的教学模式，使学生真正变被动学习为主动学习，避免了学生被动接受知识、机械模仿教师的学习状态，实现了学生由不会做到自己做，从简单到复 杂、从观察到分析再到创新的目的。
三、实现数字化实验教学应具备的条件
(一)引入数字化仪器设 备，建立数字化实验硬件环境
数字化仪器设备是数字化实验室不可缺少的条件。数字化实验室不是“虚拟仿真”实验室，不能单纯开展仿真型实验内 容，应该是虚实结合，以实为主的模式。实者作为基础实验知识的学习和基本实验能力的训练；虚者用来开放实验环境，及时应用科技成果和先进实验技术，拓宽实 验的覆盖面。二者的有机结合，使实验室成为培养学生创新能力、开发学生潜能的基地。通过虚拟电子仪器，提高实验室的建设水平，增强实验教学功能。从而 达到以下目的：既能够在数字化实验环境下，完成常规的实验任务，培养学生基本实验方法、实验能力；又可以发挥数字化仪器的优势，拓展传统实验内容，使学生 获取更多的实验知识；还可以通过网络把数字化实验环境扩展出去，使实验室得到有效延伸，大幅度提高实验设备的利用率。
(二)构建以计算机为主体的数字化实验平台
数字化实验室要真正体现出其优势，必须以计算机为主体，把实和虚有机的结合起来。一方面计算机作为控制设备，充分开发数字化仪器的功能，另一方面计算机 搭建起虚拟实验平台，各种仿真环境、应用软件为学生构建了满足求知欲、发挥创造性的大舞台。这些平台有的学生可以直接通过网络运行，有的通过下载到个人电脑上安装运行，为学生在图书馆，在 宿舍均开辟了做实验、搞设计的环境，学生可以自主安排实验内容，自由创造实验系统，使学生完全成了学习的主人。
(三)发挥网 络优势，形成立体化实验教学模式
网络是数字化实验室的神经，它可以保证数字化实验室的高效率运行，达到最佳效果。一方面网络把诸如数字化仪 器设备等硬件资源发散出去，开展远程实验，实现远程控制，充分发挥数字化仪器设备的优势，提高了利用率。远程实验也是远程教育的重要组成部分，实验教学全系统的数字化是实现远程实验的基础和 必要条件。另一方面网络把诸如实验仿真平台、多媒体课件、实验辅导资料等软件资源发散出去，作为实验教学的拓展和补充；使实验知识的学习没有了实验室时间 和空间的概念，完全成为了学生的自觉行动，同时也方便了学生的创造力的发挥和求知欲的满足。
(四)建设现代化管理手段，保障数字化实验顺利开展
数字化管理 是数字化实验教学系统中不可缺少的部分，实验的自主性、灵活性增大，要保证实验效果和实验质量，管理就必须要跟上，应制作相应的网上实验管理系统。利用该 系统能够实现对学生的实验预习、实验自习情况的了解、实现实验预约、解惑答疑、报告提交、实验讨论、自我测试等功能，这样一来既方便了学生在实验室以外学 习时，遇到一般性问题，能得到及时的帮助；又能通过批阅学生的预习报告、查看学生的网上讨论和测试结果，及时了解学生的学习情况，便于有针对性地安排辅 导：同时通过实验预约更好地保证实验场地的合理开放，使学生自主安排实验时间和实验内容。
四、数字化实验可以达到的效果
(一)数字化实验解决了“全开放”实验教学方式的瓶径
数字化实验教学是解决教学方法、学习方法、学习内容、学习时间、学习 空间全面开放的最佳方案，完成并冲破了传统实验教学在内容、时间、空间上的约束，可使我们的开放实验真正实现全方位、全天候。学生可以到实验室来学习实验 知识和锻炼实验技能，也可以通过网络开展实验活动，学生真正成了实验教学的主体，通过自己设计实验内容、安排实验时间、选择实验地点和实验方式，全面培养 学生的创新能力。可以说数字化实验教学使一切能为实验室所用的条件、环境、资源都得到了充分的利用。
(二)实验教学数字化大 幅度拓宽了学生的知识受益面
由于没有了实验条件的限制，实验内容便得到了火幅度地拓展和更新。在保证基础训练的前提下，可以增大设计性实验 的比重，并把设计性实验分为纯仿真性实验和虚实结合型实验，纯仿真性实验要求学生可以进实验室完成，也可以到校园网任何一个终端上去完成。虚实结合型实验 要求除仿真外，必须要到实验室实现实物实验。除此之外还可以留出少量学时，给学生自己安排，完成综合性、自选性实验。
(三) 实验教学的“立体化”提高了实验室的建设效益
通过网络使实验室在时间和空间上得到了全方位的开放，从而实现了实验的“立体化”教学。学生除 了预约进实验室做实验外，更多地是发挥图书馆、网管中心、各计算机终端的作用，一边查阅资料，一边完成实验任务。有的同学在图书馆中通过查阅资料，突然萌 发出设计思路，便立即通过网上实验系统进行方案验证，方案成熟后，即可到实验室形成科技制作。把信息资料、仿真环境、实验设备有机地结合起来，彻底打破了 只有实验室才能开展实验教学、完成实验任务的传统的“立体化模式，把实验室扩展到了校园网络所能达到的每一个节点，实现了实验教学的“立体化”。
关键词：实验教学；数字化；教学改革；网络； 立体化
从上世纪90年代末起，中国的 高等教育经历了一个快速发展的阶段，逐年扩大的招生规模，使我 国高等院校在校的学生达到了前所未有的程度。大学教育在总体上已经从以前的精英教育过渡到了大众教育。如何坚持教育创新思想、实现培养技术应用型人才的既 定目标，就成为一个十分值得研究的课题。本文就如何通过数字化实验，加强实验实训等实践性环节的教学改革，使实验教学自成体系，着眼于促进学生实践和创新 能力的提高进行了论述。
一、实验教学方法、手段改革的必要性
目前许多高校实验教学普遍存在的问 题是：实验教学设备陈旧，台套数较少，实验内容落后。许多实验仅局限于对所学理论结果进行验证，或开设一些演示实验。有些课程的实验，由于缺少设备，也只 能在计算机上进行仿真。上述问题在一定程度上已经影响到学生对理论知识 的掌握和对理论课程学习的兴趣，更谈不上对学生实践能力的培养。
在实验教学方式上，仍然是传统的教学模式。实验教学一般只是定位于作为理论 教学的一种补充和继续，即处于理论教学的一种附属地位。在实验项目的编排上，以基础实验或演示性实验为主，多属于内容单一、目的为验证课堂所学的实验类 型。在实验的进行方式上，更是采用一种大体固定的模式：即在确定的时间内，让学生根据实验指导书要求，在教师指导下，按既定方法、既定条件，完成实验全过 程。这里所谓实验全过程，学生只需做三件事：即熟悉实验指导书内容、按实验指导书要求进行操作并完成实验报告。而实验指导书是教师精心编写的。在这种状态 下，根本谈不上综合运用知识解决实际问题；实验教学尚未能真正地自成体系。学生在实验中难以获得创造的乐趣和激发更多的创造灵感。同时学生是否把课余时间 能用于研究性、探索性和创新性学习，还缺少更好的引导方法及提供合适的内容与条件，学生在学习中的主观能动性没有充分调动，多数学生处于被动接受知识传授 的状态，这对学生实践能力和创新能力的提高十分不利。
针对这些具体问题和我们的培养目标，从理论和实际操作方法上，我们就实验教学环节的改 革提出了新的方式和方法——即数字化实验教学。
二、数字化实验教学的意义
数字化实验教学是指学 生在数字化实验环境下，以虚实结合的方式，对虚拟实验设备、仿真实验环境、虚实结合的实验对象进行操作，进而达到学习理论、锻炼实验技能、培养创新能力的 目的。
数字化实验教学的基础是数字化实验室。数字化实验室是数字化校园建设中不可缺少的一部分。数字化实验室就是在传统实验室的基础上，利 用先进的计算机技术、网络通信技术、多媒体技术、数字技术、虚拟现实技术等相关的信息加工处理，将现实实验室中的各种实验资源数字化，并通过计算机进行实 验教学管理的综合性和开放型的实验教学环境。它包括实验条件的数字化、实验管理的数字化和相关实验资源的数字化等。
数字化实验教学是实验教 学改革发展的必然。通过数字化的实验条件、丰富的数字化实验资源、高效的数字化实验管理，为学生开辟了“立体化”的学习、求知、探索、创新的场所，形成了 以学生为中心的教学模式，使学生真正变被动学习为主动学习，避免了学生被动接受知识、机械模仿教师的学习状态，实现了学生由不会做到自己做，从简单到复 杂、从观察到分析再到创新的目的。
三、实现数字化实验教学应具备的条件
(一)引入数字化仪器设 备，建立数字化实验硬件环境
数字化仪器设备是数字化实验室不可缺少的条件。数字化实验室不是“虚拟仿真”实验室，不能单纯开展仿真型实验内 容，应该是虚实结合，以实为主的模式。实者作为基础实验知识的学习和基本实验能力的训练；虚者用来开放实验环境，及时应用科技成果和先进实验技术，拓宽实 验的覆盖面。二者的有机结合，使实验室成为培养学生创新能力、开发学生潜能的基地。通过虚拟电子仪器，提高实验室的建设水平，增强实验教学功能。从而 达到以下目的：既能够在数字化实验环境下，完成常规的实验任务，培养学生基本实验方法、实验能力；又可以发挥数字化仪器的优势，拓展传统实验内容，使学生 获取更多的实验知识；还可以通过网络把数字化实验环境扩展出去，使实验室得到有效延伸，大幅度提高实验设备的利用率。
(二)构建以计算机为主体的数字化实验平台
数字化实验室要真正体现出其优势，必须以计算机为主体，把实和虚有机的结合起来。一方面计算机作为控制设备，充分开发数字化仪器的功能，另一方面计算机 搭建起虚拟实验平台，各种仿真环境、应用软件为学生构建了满足求知欲、发挥创造性的大舞台。这些平台有的学生可以直接通过网络运行，有的通过下载到个人电脑上安装运行，为学生在图书馆，在 宿舍均开辟了做实验、搞设计的环境，学生可以自主安排实验内容，自由创造实验系统，使学生完全成了学习的主人。
(三)发挥网 络优势，形成立体化实验教学模式
网络是数字化实验室的神经，它可以保证数字化实验室的高效率运行，达到最佳效果。一方面网络把诸如数字化仪 器设备等硬件资源发散出去，开展远程实验，实现远程控制，充分发挥数字化仪器设备的优势，提高了利用率。远程实验也是远程教育的重要组成部分，实验教学全系统的数字化是实现远程实验的基础和 必要条件。另一方面网络把诸如实验仿真平台、多媒体课件、实验辅导资料等软件资源发散出去，作为实验教学的拓展和补充；使实验知识的学习没有了实验室时间 和空间的概念，完全成为了学生的自觉行动，同时也方便了学生的创造力的发挥和求知欲的满足。
(四)建设现代化管理手段，保障数字化实验顺利开展
数字化管理 是数字化实验教学系统中不可缺少的部分，实验的自主性、灵活性增大，要保证实验效果和实验质量，管理就必须要跟上，应制作相应的网上实验管理系统。利用该 系统能够实现对学生的实验预习、实验自习情况的了解、实现实验预约、解惑答疑、报告提交、实验讨论、自我测试等功能，这样一来既方便了学生在实验室以外学 习时，遇到一般性问题，能得到及时的帮助；又能通过批阅学生的预习报告、查看学生的网上讨论和测试结果，及时了解学生的学习情况，便于有针对性地安排辅 导：同时通过实验预约更好地保证实验场地的合理开放，使学生自主安排实验时间和实验内容。
四、数字化实验可以达到的效果
(一)数字化实验解决了“全开放”实验教学方式的瓶径
数字化实验教学是解决教学方法、学习方法、学习内容、学习时间、学习 空间全面开放的最佳方案，完成并冲破了传统实验教学在内容、时间、空间上的约束，可使我们的开放实验真正实现全方位、全天候。学生可以到实验室来学习实验 知识和锻炼实验技能，也可以通过网络开展实验活动，学生真正成了实验教学的主体，通过自己设计实验内容、安排实验时间、选择实验地点和实验方式，全面培养 学生的创新能力。可以说数字化实验教学使一切能为实验室所用的条件、环境、资源都得到了充分的利用。
(二)实验教学数字化大 幅度拓宽了学生的知识受益面
由于没有了实验条件的限制，实验内容便得到了火幅度地拓展和更新。在保证基础训练的前提下，可以增大设计性实验 的比重，并把设计性实验分为纯仿真性实验和虚实结合型实验，纯仿真性实验要求学生可以进实验室完成，也可以到校园网任何一个终端上去完成。虚实结合型实验 要求除仿真外，必须要到实验室实现实物实验。除此之外还可以留出少量学时，给学生自己安排，完成综合性、自选性实验。
(三) 实验教学的“立体化”提高了实验室的建设效益
通过网络使实验室在时间和空间上得到了全方位的开放，从而实现了实验的“立体化”教学。学生除 了预约进实验室做实验外，更多地是发挥图书馆、网管中心、各计算机终端的作用，一边查阅资料，一边完成实验任务。有的同学在图书馆中通过查阅资料，突然萌 发出设计思路，便立即通过网上实验系统进行方案验证，方案成熟后，即可到实验室形成科技制作。把信息资料、仿真环境、实验设备有机地结合起来，彻底打破了 只有实验室才能开展实验教学、完成实验任务的传统的“立体化模式，把实验室扩展到了校园网络所能达到的每一个节点，实现了实验教学的“立体化”。
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