新冠疫情背景下传统实验类教学面临的挑战及对策讨论
钟显康 李浩男 扈俊颖
作者简介：1.钟显康，男，重庆人，材料物理与化学博士，西南石油大学石油与天然气工程学院教授、博士生导师，主要从事油气田腐蚀与防护研究;2.李浩男，男，辽宁锦州人，油气井工程在读硕士，主要从事油气田腐蚀与防护研究;3.扈俊颖，女，山东临沂人，材料学博士，西南石油大学石油与天然气工程学院副教授、硕士生导师，主要从事油气田腐蚀与防护研究.
摘 要：高校的理论教学在不断进步，但实验类教学却始终未能摆脱其局限性。在遭遇新冠疫情冲击时，实验类教学缺陷被进一步放大，绝大多数高校实验类教学活动处于长期停滞状态，这严重影响了学生动手操作能力的培养。今后应打破实验资源壁垒，实现实验资源共享，同时采用虚拟现实技术、模拟仿真等对策，让实验教学更好地为提升教学质量服务。
关键词：实验类教学;大数据;设备共享;虚拟现实技术;仿真模拟
中图分类号：G642.0
文献标识码：A 文章编号：2095-5995（2021）03-0036-04
一、研究背景
实验类教学是我国各大高校人才培养的重要组成部分。2019年2月，国务院印发的《中国教育现代化2035》中提出，在2035年之前，要实现我国教育现代化，建设智能化校园，统筹建设一体化智能教学、管理与服务平台，加快信息化时代教育变革。如今，世界各国愈加重视国民的教育水平，在加速国家科技发展的过程中，工程技术人才在实现科技成果转化与产业化中起着重要作用[1]。而实验类教学是否能够取得突破性进展，直接关系到我国工程技术人员培养的质量和高等教育发展的步伐。新冠疫情爆发后，全国各省市自治区启动重大突发公共卫生事件一级响应，我国教育行业在遭遇新冠疫情的冲击时，多数高校为保证理论教学的顺利进行，在全国范围内开始施行互联网线上教学，且逐渐被大众所接受[2]。反观实验类教学，其存在的缺陷在疫情下则被进一步放大。为顺利实施科教兴国、人才强国战略，保持我国高等教育的战略竞争力，提升我国工程技术人才培养质量和工程技术水平，新一轮的实验类教学改革迫在眉睫。
二、实验类教学的重要性
（一）学生理论联系实际的需要
在目前的高校教育体系中，理论教学与实验类教学双管齐下成为主流教育模式[3]。理论教学能使学生深层次地了解事物发展规律及其内在逻辑关系，在以往的教学模式中，理论教学往往占据绝对的主导地位，出现了“重理论，轻实践”的现象，致使很多学生只会“纸上谈兵”，被局限于抽象的理论模型中，忽略了理论联系实际的重要性。随着我国教育体制的改革，高校在兼顾理论教学的同时，加大了对于工程实践及实验类教学的重视程度，纷纷建立相关的工程实训中心以用于学生的生产实践实习，并通过多种方式加强学生在该方面的能力培养。这样的培养模式可以使理论与实际相结合，避免学生出现“高分低能”的现象。
（二）专业人才培养的需要
实验类教学是化学、物理、工程等学科培养专业人才的必然要求，学生必须经过大量的实践训练，以培养现实工作中的动手操作能力。随着社会的不断进步，我国已经进入工业化后期，互联网技术的兴起带动了虚拟经济的发展，但这也导致我国以制造业为主的实体经济面临着巨大挑战[4]。2016年的中央经济工作会议曾强调，应通过推动科技创新来改变我国结构性失调的现状[5]。我国的制造业每年都会涌入大量高校毕业生，而大部分应届毕业生的动手能力以及创新能力相对匮乏，刚入职时需要行业内有经验的员工对其言传身教，但这样很容易使其形成固定的工作模式，很难将在学校中学到的理论知识与实际情况相结合，最终导致难以培养出高素质的专业型人才。目前，我国亟需培养一批具有创造力的、动手操作能力强的高素质专业型人才，以提高我国制造业工人专业素养的平均水平。
三、传统实验类教学所面临的挑战
我国高等院校中常规的实验类教学方式包括实验课程教学、生产实习、工程实训等，旨在加强对学生理论知识与实际操作相结合的能力和创新意识的培养[6]。党的十八大以来，我国加快了对高等教育的改革，对现代教育理念赋予了新的生命，但依然难以突破传统实验类教学中存在的桎梏。
首先，我国教育资源分配不均匀。在经济、教育相对发达的东南沿海地区，部分高校配备成套的设备、场地、模拟基地等供学生进行实际操作，而不具备此条件的高校则无法满足实验类教学方面的需求[7]。虽然国家号召高校与高校之间、高校与企业之间进行设备共享，但目前全国高校的大型设备共享制度并不完善，如何高效、全面的实现设备共享还需重新制定新的政策和措施。
其次，实验资源配置不均衡。实验资源充足的高校和科研机构的实验设备及相关工程实训场地，往往存在一个月甚至是几个月的闲置，而实验资源匮乏的地区连最基本的实践教学需求都无法满足。如果能够有效整合资源、避免实验资源的浪费，那么我国新一代的实验类教学改革进程将进一步加快。
最后，实验类教学难以满足远距离教学的需求。我国幅员辽阔，高校中的学生来自于全国各地，在校时可以统一进行实验类教学，但无法回归校园时，实验类教学任务将会处于停滞状态。传统的实验类教学完全基于施教者与学生应处同一地点这一条件，一旦产生空间上的距离，则无法顺利进行教学。这一点也是限制我国实验类教学发展的重要因素。
2020年初，当疫情突然来袭时，实验类教学的弊端被无限放大。理论教学在疫情期间实行线上教学，教学手段得到了新的发展，但同样的方式在实验类教学上却无法实现。实验类教学是针对学生的实际动手操作能力以及思维创新能力进行的侧重性培养，如果不进行实际操作，就无法达到教学目的。更何况，在工程类科学研究方面，如果没有工程实验设備参与，很多科学研究则根本无法进行。
四、推进实验类教学改革的方法讨论
进入21世纪以来，资源共享、大数据、模拟仿真等成为热议话题。笔者提出以下三种可行的方案，尝试解决实验类教学所遇到的难题。
（一）实验资源共享
我国高等教育正处于快速发展阶段，为保证科研工作和实验类教学工作的顺利进行，高校加快了实验场地和相关配套实验设施的更新换代进程。但在疫情等特殊情况期间，实验设备利用率低、工程实训基地等实验场地长时间闲置等情况屡见不鲜，这造成了资源的浪费。国务院在2015年提出了关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的倡议[8]。经过了多年的努力，我国已经建立了大型仪器设备开放共享平台及相关制度，但其主要针对于50万元以上的大型仪器设备，而对于其他实验设备还未形成统一化管理，实验资源浪费的现状依然没有彻底改变。为应对特殊情况下实验类教学所带来的挑战，亟需开拓新的共享开放模式以及完善相关的运营管理机制。
1.建立有偿使用机制
目前，多数高校的实验设施及工程实训基地只建立了校内各二级学院间的共享机制，不同学院之间可通过校方提供的设备管理平台进行交互使用。但若想实现资源利用最大化，需扩大受众范围，通过实行有偿使用模式实现对外资源共享模式。设备拥有方享有占有权、使用权，制定相关收费标准后可对社会开放。通过实行有偿共享实验资源制度，一方面，可以整合社会资源，避免科研资源的浪费，实现校校合作、校企合作;另一方面，通过有偿共享使用实验设备而得到的费用，可用于实验设备维护维修、日常保养、技术更新改造等，还可用于奖励实验设备的监管技术人员，进一步提高设备拥有方的整体科研水平。
2.优化开放管理政策
在对外开放实验资源时，人员流动量大、实验设备长时间工作以及不规范的操作等因素会导致实验设备的损坏，这也是目前未能大范围实现实验资源共享的原因之一。对此，设备及场地的拥有方在实行有偿使用的同时，应积极制定管理办法和相关配套设施细则、完善设备使用制度和损坏赔偿制度等，将共享实验资源管理机制细化到各个方面。设备使用过程应实现大数据记录，科学安排实验设备的使用时间，避免因负载过大导致实验设备的损坏。
3.加强技术人员培训
在使用实验场地及进行相关的实验操作时离不开专业技术人员的指导和监督，尤其是在对外开放使用时，由于工作强度增加，实验场地及实验设备的监管人员和操作人员的数量也会相应增加。为确保相关实验的顺利进行，应对监管人员和操作人员进行系统的培训和严格的约束。一方面，操作人员应拥有较强的使用本领，对于相关实验设备的熟悉程度应到达一定标准，这样可以在最大程度上避免因人为操作失误对实验设备造成损坏。另一方面，应做好相关工作人员的保密培训工作并同使用方签署保密协议，以此保护使用方的科研成果，避免因科研成果外泄而造成的不良影响。
目前我国的实验资源共享制度还不够完善，不仅需要实验设施及场地的拥有方，如高校、科研院所等建立并完善相关的有偿使用机制，还需要国家加大对实验资源宏观调控的力度，逐步实现全国各地的科研资源均衡发展。
（二）虚拟现实技术（VR技术）
VR技术是多种现代化计算机技术的集合。利用计算机进行数字图像处理，通过计算机图形学和人工智能等对实验室现场进行模拟，把处理好的数据下载到VR眼镜、VR头盔等硬件设备，通过多媒体和传感器等设备技术实现虚拟世界实物化。这些硬件设备作用于受众者的感官，进而在使用者眼前展现出逼真的现实场景[9]。早在1992年，美国东卡罗琳那大学就开始在教育领域尝试VR技术的应用，并确认了虚拟现实技术用于教育行业的可能性[10]。在国内，中国科技大学首先将VR技术应用于几何光学实验的教学;北京航空航天大学通过不断更新VR技术，成功将该技术应用于对飞行员的训练[11]。
在完成信息数据采集工作后，需将现实场景以及实验设备等通过计算机进行数字化处理，使其可以映射于虚拟世界[12]。VR技术不仅可以在疫情期间发挥作用，在疫情结束后的实验类教学中也可以投入使用，尤其是针对一些具有危险性的实验，可以提高操作过程中的安全性。
VR技术应用于实验类教学的关键在于能否建立相对丰富的数据库，数据库的信息越庞大，实验的还原度会越高。数据库的建立并非一朝一夕之功，这需要政府提供政策上的支持，大力鼓励高校间实行联动配合，充分发挥不同高校所擅长的领域。以校为单位，具体到高校实验室，建立完善的数据采集系统，使每一项实验都有所记录，最终将完整数据上传到云端进行分类综合处理。
（三）仿真模拟平台
通过Matlab等进行数据处理编程，可开发出供学生进行线上操作的软件。此类仿真模拟平台通过输入初始数据，经过事先设置好的程序进行处理，模拟现实仪器的功能，最后得出处理结果。孙少华等通过Matlab图形用户界面GUI和Simulink，开发了一种交互式的混合动力汽车整车性能仿真实验平台[13]。该平台是针对于车辆工程这一门课程而设计的。为实现高质量教学，该课程需要理论与实际相结合，若只是进行理论教学，学生在日后实际工作的参与上将会遇到很大困难。考虑到车间环境的安全问题以及实际情况，学生往往很难进行工程实训操作。苏州科技大学曾在空气调节课程中使用“全空气空调系统模拟平台”，该平台安装于学校机房的计算机中，通过在该仿真模拟平台模拟真实场景，可以让学生能加深入地了解空调的内部运行结构，为日后学生的学习提供了理论依据[14]。
相对于利用虚拟现实技术进行实验类教学，仿真模拟平台的可操作性更强，只需要获得使用权限，即可在计算机中进行线上模拟操作。无论是虚拟现实技术还是仿真模拟，都需要有强大的计算机数据处理系统作为支撑，尤其是仿真模拟平台的建立，不仅需要对现有的数据进行处理，还需要专业的编程人员予以技术上的支持，在收集数据资料后将其进行统一整合，将同类实验分类归档进行可视化处理，之后再用专业软件进行最终加工，制作出符合实际操作的程序系统。
五、结语
为加速我国高校教育中实验类教学改革的推进并整合实验设备、实验场地等资源，一方面，高校及相关科研机构应进一步完善建立在有偿使用机制下的资源共享模式，与此同时，国家及政府方面应出台相关鼓励政策，大力提倡实验设备及场地资源的共享;另一方面，高校应充分利用互联网成果所带来的便利，在不同学科中建立仿真模拟平台，做到科学与技术融为一体。與此同时，进一步完善VR技术在实验类教学中的应用，实现在不同场合下教学环境的情景再现，利用互联网技术打破传统实验类教学的空间与地域的限制，形成“互联网+教育”的教学模式，加快在大数据环境下的教育改革进程[15]，使教育具有整体性、创造性和实践性。
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