云端实验模式思考与探索

    魏忠

    疫情期间，一般的学校均采用了云端直播或者“录播+课程平台”的复课模式，对于实验课程和实践课程采用停课等待复课以后补课的模式。这种模式对于有些理实一体的课程以及理论实践交叉理解的课程非常不利，更重要的是这种对多年形成的教育经验和认知的解构并不利于全面人才的培养。

    通过对数十个双一流学科和大学实验中心充分利用各种“智能化实验教学平台”，实现科研与教学一体化的专业实验教学的观察，笔者总结了云端实验模式，认为其适合部分财经、医学、电子、IT学科，而对于有些学科可以作为借鉴，有待信息化更加发展后逐步贴近。

    ● 实验教学认知模式与方法

    讲习与授课：理实一体课程也好，纯粹实践课程也好，理论讲解、注意事项、实验步骤等必须以讲习与授课方式穿插在实验过程中，这一点与理论课看似没有什么不同，实际还是有区别的，最大的区别在于考试与反馈机制。同时，实验课程的反馈与考试需要形成“刺激—反应”模式，纯粹的课程反馈模式为“刺激—思考—反应”模式，因此实验课程需要的配套的教学平台应该具备及时测验、及时考试、视频考试等更加随堂的模式，而在云端教育可以比实验室更加注重这方面的考核。

    实验示范：微课最初的起源和最重要的作用来源于实验教学。实验教学的微课模式不仅不会有理论教学的碎片化负面作用，反而会促使实验示范与动手交替短周期实践形成头脑和肌肉记忆力的强链接。

    实验准入考试与评价：对于实验的连续性和安全的考虑，很多实验需要具备实验准入的环节。

    动作分解训练：即使没有现实实验室的特殊工具的支持，动作分解训练也基本上能够照常进行，多次重复的动作分解有利于形成学生条件反射的实验动作，在实际的实验室中教师也未必允许学生直接使用真实的实验工具，因此云端实验这个环节照样能够进行。

    虚拟教学：人的眼睛是将二维叠加成三维的图像形成认知印象，理论教学从文字还原成头脑中的实际场景会有很大缺失。而无论是视频图像还是动画分解，都能将不可见的、危险的、费用高的实验变成流程化和可视的片段，再通过高度还原真实实验的虚拟教学系统反馈，达到学生的验证型认知循环。

    仿真教学：仿真教学比虚拟教学更深入一步，眼睛看不到的多维的信息与学生眼睛看到的角度同时进行，通过学生多次重复和多角度观察与真实实验一致的过程，完成综合性而不仅仅是验证的认知循环。

    模拟实验：比仿真更深入一步的是对实验后果变量进行全逻辑的还原，甚至对未知的情况也能通过数字与数据的组合得到结论。模拟实验来源于科学研究方法，可以部分用在创新型实验中。

    远程实验：将现实场景的真实仪器设备、计算条件、软件硬件通过网络远程接入，通过真实的实验反馈，在保证安全的情况下，已经具与有现场实验基本一致的实验条件，并不是所有的实验都支持远程，然而很多科研实验、数字化实验，今后有可能成为主流。

    沉浸教学：将远程实验与各种数字孪生的技术，如虚拟、仿真、模拟、监控结合起来，超越远程，是一种高度混合现实的实验模式。

    协作分组：是在一个综合性实验中以不同角色完成最终任务的学习方式，如果有网络和云端等软件工具支持（如利用实验室管理系统和实践教学平台），效果会更好，记录也更加完备。

    角色竞合：多个小组同一角色的竞争性学习与合作，是现实学习中有经验的实验课教师经常使用的方法，然而授课时间有限，该方法只能偶尔使用，而在云端实验可以得到极大的发挥。

    实验设计：通过学生和教师对实验设计报告的撰写，考核学生掌握和灵活应用的情况，无论是线上还是云端都是一个必需的选项，而云端可以更加方便地通过及时通信工具与学生反馈。

    在线批阅：小学生作业模式与实验课模式在教师批阅上非常相似，都需要实验教师对实验结果、动作、图片等进行红线标注和纠正，需要云端平台提供合适的工具。

    ● 利用云端实验教学平台实现实验复课三种主要模式

    1.远程桌面方式

    准备：将学校已有的機房、基于PC的实验设备配置远程桌面访问（mstsc）模式，统一进行AD账号管理，实现AD账号动态账号接口。

    排课：实验排课服务联动，将接口排入实验课，实现远程桌面访问联动，到时间中断访问重置账号。

    上课：学生可以访问平台获取动态口令，通过学校VPN，连接机房与计算机开展远程实验。教师可访问教师机桌面与学生进行互动，实现近似机房授课的效果。

    2.虚拟桌面方式

    准备：将学校已有的虚拟桌面统一进行AD账号管理，配置虚拟机启动、关闭等接口（目前支持Powershell接口），启动需要访问的虚拟桌面。

    排课：实践教学平台实现实验排课、预约服务联动，将接口排入实验课，设置可预约时段，实现虚拟桌面上课启动访问、预约访问，启动与关闭的联动。

    上课：学生可通过课程平台获取访问入口，通过学校VPN，直接访问虚拟桌面开展远程实验。教师可通过welink/cctalk/钉钉/小鹅通/ZOOM等方式分享桌面，与学生进行互动。

    3.虚拟仿真方式

    全国各高校陆续建立了自己的虚拟仿真项目，教师也积累了虚拟仿真课件，继而可以通过鲁班楼实践教学平台完成实验课的分组、分批、排课，然后将虚拟仿真项目作为实验项目进行预约、开放、共享，以便记录学生行为和进行过程评价。

    准备：配置远程实验模块，将需要访问的虚拟仿真链接加入到配置项中。

    上课：学生可通过访问课程平台获取访问入口，直接访问各类虚拟仿真资源，如虚拟仿真课件、视频资源、慕课资源、SPOC资源等。教师可通过welink/cctalk/钉钉/小鹅通/ZOOM等方式分享桌面，与学生进行互动。

    ● 上海财经大学金融实验课程云端实验复课案例

    疫情期间，上海财经大学实验中心谢老师的一门远程课程，完成了虚拟机和远程实验的翻转课堂教改，比现实环境效果更好，总结如下。

    1.开课前

    实验排课。通过实验室智能管理平台的排课，将课程所需的镜像排进课表，学生可以通过课表看到课程相关的镜像资源。

    作业布置。通过教学平台布置实验作业，将所需的镜像关联到实验项目与远程实验，学生可以提交实验报告，查看远程实验资源。

    2.开课中

    教学互动。教师通过实验系统内含的视频会议系统，通过屏幕分享的方式和学生进行互动。

    在线实验。学生通过课表直接查看并启动可用的虚拟桌面与应用，在课程中进行上机实验，同时可以使用共享云存储空间。

    3.开课后

    课后学生可以通过实验教学平台或实验室智能管理平台的入口，通过镜像预约来完成作业。另外，学生可以通过客户端和HTML5方式登录操作，时间不够可在线延时。

    上海财经大学实验中心通过前期刚刚验收投入使用的智能化实验教学平台，完成了课前实验准备、课中实验教学互动、课后实验作业的完整闭环，这样硬核的能力是值得总结和思考的。