基于探究式学习的在线实验设计与研究*

姚 俊，程 华, 应卫勇

(华东理工大学 网络教育学院，上海 200237)

基于探究式学习的在线实验设计与研究*

姚 俊，程 华, 应卫勇

(华东理工大学 网络教育学院，上海 200237)

在线实验对于工科远程教育、多校区之间的实验教学和高校间实验共享都有重要的意义。作为新型的实验形式，在线实验不是传统实验的简单网络化，其在实验过程中强调在线探究式学习策略以及对学习者实验行为的记录与反馈，在基于数据整合与分析的基础上对其进行在线评价。这种思想体现于在线实验设计、开发到实施的整个过程，对于在线实验中实现工程化的实验教学理念有着重要作用。该文以国内外典型在线实验课程的设计和开发为例，主要从实验方案探究学习、实验操作过程探究学习等方面来说明探究式策略于在线实验中的应用，以及如何基于过程考核体系来评价在线实验中探究式学习的效果。

在线实验；探究式学习；在线评价体系

一、引言

在线实验对于工科远程教育、多校区之间的实验教学和高校间实验共享都有重要的意义。因此，实验课程的开发和应用必须适应在线学习环境下的特点，采用适合在线学习特点的探究式实验方法，通过在线引导学生在实验方案、实验过程等方面的探究，并对实验过程进行全程监控，实现探究式学习过程的记录和考核，为实验评价提供科学依据，同时能在智能化数据分析与挖掘的基础上，进行实验模块的进一步优化，根据个人能力和专业特点为学生提供个性化的实验教学方案，真正实现工程化的实验教学理念[1]。

在线实验是通过互联网方式，远程操作网络虚拟实验或远端真实设备，开展实验的方式。相对于传统实验教学模式，在线实验存在以下优势：

(1)为在线学习学生提供了实验解决方案，克服了在线学习的学生居住地理位置分散、集中安排实验时间实施困难的问题，学生即使不能到现场也能完成实验。

(2)降低实验成本，克服了传统实验设备价格较高，设备的套数有限，在数量和质量上都难以保证学生使用的问题。

二、在线实验的探究设计

在线实验模拟了现场实验的场景，但却不是现场实验的简单网络化移植，实验设计本身发生了较大变化。由于在线实验的互联网支持和计算机模拟等特点可以更好地提供一个促进思考和探究的环境，系统能在线记录学生的独立操作，为评价提供科学的依据，并可在此基础上通过数据挖掘和优化，调整实验设计，充分发挥学生的能动性，能适应不同水平和能力学生的要求。基于以上特点，笔者设计了与现场实验存在较大区别的在线实验探究式学习模式。

培养学生的工程思维和能力是实验设计的核心问题。由于CDIO模式继承和发展了工程教育改革的理念，系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的标准，因此，我们主要基于CDIO的理念来设计在线实验模式和方法，强调工程实践环境中探与究的学习来实现CDIO的全过程，使得学生以更多元的方式进行工程实践训练[2]。

CDIO是以构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运作(Operate)为四个主线过程，综合地考虑专业基础知识、个人和职业的技能及团队协作与沟通的技能，及在整个企业、社会环境下进行四个主线过程以达到全面提升工程实践能力的培养过程[3]。

CDIO模式中的构思和设计环节主要针对学生的工程宏观分析能力，而实现和运作环节主要针对学生的工程微观分析和操作能力。作为一个缩小版的工程实践过程，在线实验的实验方案的设计实际上就是构思和设计过程，而实验过程就是实现和运作过程[4]。因此，探究式学习主要体现在实验方案探究与实验过程的探究两个方面。以下我们将通过远程教育高校开发的典型实验来具体说明其设计理念。

(一)实验方案探究设计

实验方案的探究主要培养学生的工程宏观分析能力。在传统的实验教学模式下，实验按照统一的方案展开，学生没有选择性。这种教学模式适用于理论验证性的实验，但在以培养学生工程能力为主的实验中，就会压制学生的想象力和主动探究的意识。因此，实验方案探究是实验教学策略的最重要部分。

实验的主要目的是认识和探索理论规律，掌握工程技能，应该以问题为驱动开展实验方案的探究，学生对于老师提出的问题，以分析问题和解决问题为出发点，经过认真思考和研究，自主制定实验方案，通过搭建实验对象，准备仪器设备、测量各种工况下的数据，整理和判断实验数据和结果的正确性。这就要求实验具有基于工程的实际背景设计，学生才可能在这种开放性的实验环境下，对多种可能的实验方案展开探究。

英国开放大学的实验“能量转换(Energy Conversion)”是典型的实验方案探究型实验。实验设计背景是铜的工业化生产，实验问题是如何从铜矿石经过多个环节得到电解铜[5]。

教师首先要求学生设计基本方案。学生在实验前1个月必须预习，由4人组成的实验小组需要集体制定实验方案，由于实验问题本身的开放性，实验方案也并不是确定的，指导老师只给出一些建议。从粉碎矿石到解析出铜的多步实验步骤中，有多种途径可以完成实验，学生们集体讨论得到设计方案。在实验过程中，方案根据实际情况还继续修正。

完成基本方案设计以后，实验完成过程也是实验方案探究过程。学生在实验室边实验、边观察、边记录、边讨论，每个实验环节都要求去解答或解决一些相关的问题，如粉碎的效率、溶解浓度以及电解效率等，部分环节还要到计算机上进行数学模型的求解。实验过程中进行观察记录和模型预测，最后对实验结果进行验证。 实验结束后，学生还必须根据本星期实验情况，做口头报告(Presentation)，教师根据学生预习和作业情况、实验过程的表现以及口头报告，给出实验课程的最终评价[6]。

可以看出，整个实验过程就是针对如何从铜矿石得到电解铜的这个具有工程背景的问题，在不断探究的过程中制定和实施实验方案的过程，这对学生工程宏观分析能力的培养大有裨益。

(二)实验过程探究

实验过程探究主要培养学生的工程微观分析与操作能力。传统工科专业的实验操作基本是按部就班地完成，对于故障分析与解决、规范操作等重要技能以及如何培养学生的工程意识、工程能力、创新能力还较少涉及，这显然不能满足工程应用型人才的培养需求。

实验过程探究式是在实验过程中，教师给学生一定的引导和提示，让学生自己通过观察、思考、动手实施等途径去独立探索和研究，自行实现实验过程的教学策略。概括起来，在实验过程探究中，学生需要在实验过程中自主发现问题，分析问题，实施和运行，真正实现探与究的学习过程。

在工程实际环境中，观察与发现各种现象、分析现象之间的联系。因此在线实验系统会较为真实地模拟这些现象，学生经过现象分析，确定现象发生的内因与外因；结合理论进行讨论，明确调节目标与调节手段，形成解决方案。实验系统设计必须便于讨论和方案设计。

华东理工大学DCS实验是较为典型的实验过程探究型实验。实验主要培训学生DCS操作能力和故障处理能力。由于DCS系统本身的大多数操作都是基于计算机的操作，因此网上实验课程的界面仿真DCS系统的计算机控制部分操作的界面(如图1所示)。以下用一个简单的故障处理实验来说明实验过程探究的实验。

图1 DCS实验界面

在实验中，设计了一个常见的故障处理，在图1的界面中，学生观察到粗丙酮塔T-601顶温度仪表TI-6006出发异常过高报警，系统要求学生调节至正常运行温度73.0-80.0℃。

在观察到异常过高报警后，学生将按照所学知识和工程常识，作出如下分析：粗丙酮塔顶温度上升可能有4三个工艺方面的原因，分别是加水量过大、回流量过小或再沸器回水量过小，也有可能是仪表自身故障因素。

既然存在这三种可能，就必须通过其他观察和分析来确定故障原因，因此学生首先需分别检查相关三个仪表，即加水量仪表FRC-6015，回流量仪表FR-6019，E-601再沸器回水仪表FRC-6014，以确定仪表正常工作。学生观察到回流量仪表FR-6019读数偏小，就可以判断出是因为回流量不足造成塔顶温度升高。

在通过观察分析找到故障原因后，学生根据工艺理论，确定解决方案，即增大塔顶回流量，需要调节FR-6019仪表。在工程环境中，不能进行一步到位的调节，以免造成大的扰动，需逐步小范围调整，边调边等。因此学生在实施解决方案，必须仔细阅读操作守则，将温度调节至正常运行温度的整个操作过程必须符合现场操作规范。

操作实施时，首先将LRC-6023改为手动控制，每次增加调节阀阀位必须小于2%—这是操作守则要求的，如果学生超出这个阀位标准进行调节，训练中系统将给出警告，在考试中则行为将被记录，作为扣分依据。每次调节后系统会根据数学模型的计算将相应仪表调至相应位置，学生一边观察表显示情况一边调解，直至塔顶温度恢复到73.0-80.0℃，最后将LRC-6023设置为自动控制。

可以看出，此实验在整个故障处理过程中，并不像普通课程实验制定严格的步骤，而是让学生根据工程实际情况，通过自主观察分析来制定解决方案，然后根据操作规范来一边观察一边操作运行，整个课程设计与教学过程较好地体现了探究式的教学策略。

三、基于过程考核的在线评价体系

对实验学习成果进行全面评价是在线实验的重要环节，这样才能对学生探究式学习过程进行科学合理的评价。传统现场实验模式中以数据处理和实验报告结果来评价只能作为在线实验中评价模式的参考。

对于参加实验的学生，主要应考虑的因素是其在实验的准备情况、在实验过程中探与究的情况，即观察问题和分析问题的准确性，设计方案的优劣，操作实施过程的规范性、和其他同学交流情况，以及对理论知识的掌握能力和应用能力，因此必须据此建立新的实验评价体系，即基于实验过程考核的评价体系。

在线实验评价体系主要分为理论掌握情况、实验操作能力、合作交流能力，其中实验操作能力是最为重要的指标。理论掌握情况主要考察预习思考题，实验操作能力包括是否选择了正确的仪器或仪表、设计方案是否适当、操作目标是否达到、操作过程是否规范、数据处理与实验报告是否符合要求等都可以作为实验过程考核的指标。同时，每一门实验课程提供BBS建立单门实验的学习社区，学习者就一些问题难题发帖，由专门的辅导教师回答问题，并确认学习者所发的有效帖数等。

其中实验操作规范是较为特殊的指标，在工程实际中，操作规范化及其重要，否则将引来灾难性后果。因此，必须设定一个阀值，学生如果出现较为严重的操作规范问题，不论其他指标分数如何，都将判定为不合格，我们定义为罚指标。

本文选取上述7个指标因子构成学生实验教学的基本评价指标体系,并依次设其为A1，A2，…，A7，其中A6为罚指标因子，如表1所示。

表1 实验过程考核参数指标

通过在线实验系统中自动记录实验仪器选取、操作等参数，对学生实验过程进行跟踪。结合在线实验平台的应用，在实践中我们采用了一个有七个参数的指标体系，包括预习思考题分数、实验仪器选取、实验方案正确性，操作规范性、数据处理、实验报告、在学习社区的交流情况。对这七个参数赋予不同的权重就可以得到该学生的最终成绩，下面分项说明一下每个指标的含义。

由于每个指标因子只反映了学生实验学习的某个方面的特征，各学校可以根据本校实际情况规定指标因子及其特征值，以及罚指标因子的规定。表1显示的是华东理工大学指标因子的重要性规定，并因此为权重来加权学生实验的综合得分,其数学模型如下：

其中A为各项指标权重，X为学生各项指标得分。

在指标体系中，各项指标的权重大致说明了其重要性，这七个参数基本上涵盖了学生从准备到完成全过程的表现情况，对每一个指标赋于权值并最终得到终结性评价课程成绩，各项指标的加权和就是实验评价分数。

少数指标虽然权重并不高，由于在工程实践中具有重要意义，低于一定分数整个实验过程将评价为不合格。比如在前文提到的DCS实验中，在多次出现不规范操作并且在系统警告后仍然出现2次以上不规范操作，整个实验过程将被判定为不合格。

对于通过经验方式得到的实验过程考核评价体系，在经过一定的数据积累以后，可以进行智能化的处理和分析，为学生提供更优化的实验方案。比如在DCS实验中，通过对学生实验过程数据的分析，得出每个学生的优缺点，如表2所示。

表2 在线实验评价实例

在选取的两个学生中，甲学生虽然分数略高，但操作相关的指标得分都不高，因此在后续实验中，主要给该学生提供注重操作及规范的实验，比如开关机实验和某些故障处理实验。而乙学生操作和动手能力较好，但不注意理论和实验设计，以及数据处理等工作，在后续实验中，应多推送理论学习的模块，提醒学生注意数据处理和实验报告的完成。

四、在线实验系统的设计框架

作为在线实验系统核心部分的探究式学习模式以及相应的在线评价体系设计完成以后，在线实验系统框架基本构筑完毕。在线实验系统应本着简单、适用、高效的原则，实行通用化、标准化、智能化、人性化的设计思想。学生可以通过在线实验平台在教师的指导下进行实验教学的全过程，而在线实验平台则通过记录学生在线上参加的实验过程、实验练习以及培训交流等情况，实现对学生实验情况的全程跟踪管理和对学生实验教学需求的全面掌握。

在线实验设计的基本架构如图2所示。可以看出，在框架核心部分的业务层中，支持探究式学习过程是贯穿设计始终的问题，所以应改变原先某些实验只是为验证理论的设计，把发现问题、分析问题、设计解决方案、实施解决方案的探究式思路在实验教学中实现。同时需要学生在各个环节的实验过程进行完整的记录，作为其是否按照教学思想完成实验内容进行考核的依据，同时还可以通过智能化的数据分析和数据挖掘，为学生提供经过优化的个性化实验教学模块。

图2 实验平台总体设计方案

组件层和服务层和平台软硬件设计相关，在其他文章中有详细介绍，本文不再赘述[7-10]。

五、结论

在线实验与传统 实验的教学模式存在较大差异，因此在实验设计与开发中，应充分考虑在线学习环境下的特点，实施在线探究式学习策略，利用网络与计算机技术的优势，在基于对实验过程进行全程监控的基础上建立在线评价系统，为评价探究式学习结果提供科学的依据，同时能在智能化数据分析与挖掘的基础上，进行实验模块的进一步优化。基于探究式学习设计框架的在线实验是一种新型的实验形式，在整个实验过程中注重培养学生工程化理念，在工科远程教育、多校区之间的实验教学和高校间实验共享中得到了广泛的应用。

[1]Eileen Scanlon.Remote experiments, re-versioning and re-thinking science learning [J].Computers & Education,2004,43(8):153-163.

[2]Ferguson Clive,Brodie Lyn,Endean Mark,Goodhew Peter,Palmer Stuart. An investigation into the adoption of CDIO in distance learning[R]. Loughborough, UK:IEEE2008 International Conference on Innovation, Good Practice and Research in Engineering Education,2008.

[3]查建中.面向经济全球化的工程教育改革战略—兼谈CDIO工程教育模式实施 [J].高等工程教育研究，2010,(11)：2-7.

[4]Crawley, E., Malmqvist, J., Ostlund, S. and Brodeur, D. Rethinking Engineering Education-The CDIO Approach[M]. New York :Springer Science + Business Media,2010.

[5]Endean Mark,Weidmann George, Armstrong David,Moffatt Jim,Nixon Tony,Reuben Bob. Team project work for distance learners in engineering-challenges and benefits[J]. Engineering Education,2008,3(2):11-20.

[6]程华，姚俊等.中英远程教育实验课程的个案与比较研究[J].中国电化教育，2012,(7): 42-47.

[7]Yao Jun, Cheng Hua.Practice and Exploration of distance engineering education[R]. Shanghai:2009 International Symposium on Total Engineering Education,2009.

[8]王华忠, 程华, 姚俊.基于Internet的过程控制远程实验系统开发[J].实验室研究与探索,2009,28(7):72-74.

[9]王华忠，程华，姚俊.一种虚实结合的远程实验系统[J].华东理工大学学报(自然科学版),2012,(2):205-209.

[10]Cheng Hua, Yao Jun. Standardization of Experimental Course Development on Internet[R].Shanghai: 2009 International Symposium on Total Engineering Education, 2009.

姚俊：讲师，研究方向为计算机网络和现代远程教育（13641679131）。

程华：副研究员，研究方向为计算机网络和现代远程教育。

应卫勇：教授，研究方向为化学工程和现代远程教育。

2014年5月2日

责任编辑：马小强

Design and Research of Online Experiment Based on Inquiry-based Learning

Yao Jun, Cheng Hua, Ying Weiyong

(College of Distance Education, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237)

Online experiment is important for distance engineering education, multi-campus experiment course and between universities experiment sharing. As a new form of experiment, online experiment is not a simple network laboratory transplanted from traditional one. Online inquiry-based learning strategy and online record and feedback is emphasized in the whole process of design, development and implementation, and it also includes online assessment based on data integration and analysis. This plays an important role for the implementation of engineering ideas. In this paper, based on the design and development of typical online experiments in China and UK, the implementation of inquiry-based Learning strategy in the online experiment is illustrated on the experiment scheme inquiry and experiment operation process inquiry, and the construction of process assessment system to evaluate the result of inquiry-based Learning in the online experiment.

Online Experiment;Inquiry-based Learning;Online Assessment System

G434

A

1006—9860(2014)09—0100—05

* 本文系教育部项目“高等学校继续教育课程学分标准及质量内涵和学分转移制度与机制的研究及应用”(项目编号：教高函[2011]6号) 系列课题之一“理工类课程(含实验)互选互认的研究与实践”(课题编号：CECC06)成果。