云计算和虚拟技术推动高校专业实验教学发展的研究

郭颖奇

(四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065)

高等教育以实现提高教学质量和培养全面发展的国家建设者为最终目标，为了更好地实现这一目标，特别是现在广泛进行的实验教学改革要更加符合高校实验教学的特点和要求，是高校一直探寻和研究的问题。如今，从以提高效率的管理层面和采用以网络通信、多媒体、虚拟仪器和云计算为代表的先进技术促进教学两个方面，改革一直在并行开展。虽然大多数高校早已不再是基于单机加投影仪的初级实验教学方式，但如何合理高效利用实验设备与环境环节，使之与课堂教学模式，与具体实验项目有机结合，并在整个教学过程中发挥越来越突出的作用，仍然是不断探索和努力的方向。

1 技术推动实验教学发展

我国高校信息化发展的初级阶段主要是以硬件基础设施建设为主，其中包括实验室Intranet联网，建设含有固定多媒体设备的媒体教室，部分高校建成了无线网络(Wireless LAN)为主干网的局域网，并实际应用了网络教学系统。下一阶段发展的设想是在未来若干年内将计算机新技术与高校的理论、实践教学有机结合，建设理想的学习环境和构建全新的学习方式。彻底改变传统的教学结构与教学模式，让新技术成为实验教学方式重要支撑的想法固然可赞，但要实现却需要脚踏实地，依照规律办事。通过长期的实践和摸索，高教工作者们也探索了各种新方法、新模式和新思路。下面简要列举几种有代表性的教学模式及其主要特征，说明在各个时期计算机新技术对实验教学发展的推动作用。

在20世纪90年代，出现了融入网络、通信、数字、传播等信息技术的多媒体教学的应用[1]。多媒体教学是信息技术作为辅助教学工具，将文本、图形、声音、影像等信息综合展现和利用的教学模式。它具有比传统课堂单一教授方式更加突出的交互性、随时性和空间性，极大地丰富了课堂教学的知识量和信息量。时至今日，多媒体教学仍是课堂教学的主要方式之一，并在新技术的发展驱动下不断改革和创新，继续发挥着功效。

其次，是以技术革新为基础的发现式学习和启发式教学。发现式和启发式的教育并非新鲜事物，早在15世纪前，中外教育家就已经提出类似理论。如今，在PPT和CAI课件的辅助下，加上诸如电子黑板、电子教室和远程课堂等信息技术的采用，使得学生可以在其中自由探索、发现并获取大量信息，这有利于培养其思考分析能力，启发以自主学习为目标的实践思维，培养学生的创新精神。因此，在针对学科综合性、边缘性、跨学科的特点，开展自主开放探究式学习方式，和由被动接受知识变为主动获取知识的实验授课模式将成为符合新时期大学生培养要求的新型教育方法[2]。

过去十年中，国内外专家学者倡导培养学生一种叫作 “信息素养”的能力[3]，目的是让学生在学习过程中通过主动地探索发现和亲身体验，学会对大量信息的收集、分析和判断，从而增强思考能力和创造能力。与之相应的是教师依据授课目标、任务特征和学生特点建立一种动态的教学模式，被称之为 “跟踪式”教学[4]。这是建立在以计算机技术为主的高度自动化实验系统的基础上，并在其中有针对性地对学生进行暗示和启发教育。

综上所述，计算机技术的发展给实验教学方式带来了很大影响。本文针对云计算、虚拟技术如何推动高校实验教学发展，并结合高校实验教学的现状进行进一步的阐述。

2 新技术对实验教学的影响

如今虚拟技术、云计算等新技术应用在教学实践的第一线，有效地提升了高校实验水平，增强了教学效果，但与之相应的教学模式和方法的研究还未取得大的突破。究其原因还是存在重硬件轻软件，重建设轻管理的固有思想的禁锢，没有从根本上以发展的眼光和创新的思路来看待现有的实验教学。本文首先从管理的视角分析以虚拟技术和云计算为代表的新技术对实验教学的影响和推动作用，并深入剖析在此过程中面临的问题和矛盾。

2.1 新技术驱动实验教学模式的革新

根据教育部面向21世纪教育振兴行动计划文件指导，学院专业实验中心于2001年启动了 “523实验室工程”建设项目。截止2013年，已筹集近3亿元资金集中力量完成包括创新型综合实验基地、实验中心和专业实验室在内的数十个建设项目。学校从实验教学改革、设备设施、实验教学师资和实验室管理制度等多方面建设彻底改变了本科实验室的落后面貌。学院的专业实验中心在建设中不乏引进和利用了目前的新技术、新设备、新软件等 “三新”装备，如某对象综合测试系统、微机监控试验台、过程控制系统实验装置、电力系统综合自动化试验台、仿真计算软件、智能电网实验平台、机器人系统、新能源发电系统等。这几乎是彻底地改变了专业实验的应用环境和实验内容，也为促进实验教学模式的革新提供了可能和机遇。

另一方面，对学生而言，实验过程已经不再是传统理解中的单机运行，也不只是在网络中进行简单的文件调用和数据访问。实验对计算机技术的应用不仅是在一些基础计算机类课程中，而是在专业课实验中与高新尖的大型实验系统相结合，辅助完成更高层次、更高难度的实践学习。特别是在电气信息学院电气工程学科领域，这些“三新”装备与现有的实验系统进行有机衔接，实现了如实际对象信号采集与控制、大型系统全过程模拟运行、高电压等级或高精度计算机状态控制试验、复杂网络数据运算等相关实验课程和实验项目。这些新实验内容的出现改变了以前有理论授课无实验环节，或是学生只能象征性观摩演示，而没有实际操作的课堂局面，从而大大丰富了实验内容，提高了学生创新能力、动手能力、分析能力，为培养综合能力和高层次人才发挥了不可替代的作用。

可以看到，专业实验教学是一个复杂的、综合的、系统的实践教学过程。新技术的出现逐步提高了实验教学的实践水平，满足了教学发展的需要。

2.2 专业实验教学改革面临的 “三高”矛盾

新的情况总是伴随新的问题出现。在学校推行新的教学计划改革指导方针下，要求更加重视实践环节，并要求实验在专业课教学计划中课时数占比不低于25%。同时加大对实验室建设的投入，添置更多的 “三新”设备，这些工作对实验教学质量的提高起到极大的推动作用。但与之相对应的是 “三高”问题及现象的出现，具体表现为以下3个矛盾。

1)高投入建设的实验室与实验教学效果欠佳的矛盾。

专业类实验课所需的高新设备、高精设备、高价值设备，一般称之为大型及精密贵重仪器设备，四川大学实验室及设备管理处根据 “精密贵重仪器和大型设备管理办法”将其定义为包括但不仅限于单价大于等于10万元的仪器设备 (含国家科委统管的23种设备)。从电气信息学院实际情况看，大精设备价值占设备总价值的1/3，而数量占比却只有总数为2 000余套的2.4%。由此可见，“大精设备”的数量明显偏少，相对于每年近千人的学生规模和近十万学时的实验教学任务，矛盾十分突出，学生人均可使用的仪器比例很低。实验室具备了高技术设备，必然会开出相应的更复杂、难度更大、更高级的实验项目。由于受到实验台套数和其他条件的限制，即使一些专业实验项目采用多人共用一台设备或分组实验的方式，还是达不到实验目标规定的效果[5]。另一方面是高危、高消耗实验的实际开出学时少、项目少，无法达到教学计划的最低比例要求。降低实验要求，减少实验学时必然导致实验效果大打折扣。从某种意义上看，现有的实验教学模式是受制于设备条件与满足教学大纲要求之间最终平衡的结果。

2)创新人才的培养和实验设备资源低效利用的矛盾。

实验室配置不均衡，专业、科研实验室相对独立，设备与项目均无定期交流机制，设备没有充分共享利用，两者之间存在矛盾。实验设备使用率低是目前高校普遍存在的问题，自成系统的“小而全”是实验室自我封闭式管理的产物。由于缺乏沟通和协作，形成了 “谁买、谁管、谁用”的局面，在一定程度上制约了设备的使用率[6]。还有一部分则是因为实验计划学时制定过少，导致某些专用设备使用率不高。某些科研实验室自有设备因为各种原因只面对极少数师生，使用人群过于局限，受众太小。虽然学校已经开展了如卓越工程师计划、创新人才培养改革等教学实践，但由于上述情况的存在，很难说不是导致高层次复合型人才培养难度增加和成本增高的因素之一，无法最大限度地发挥创新教学实践的效用。

3)新技术设备与实验师资队伍建设相对滞后的矛盾。

资源的相互匹配是发展的必要前提。面对技术含量很高的 “大精设备”，对实验教师和实验人员的业务素质与水平要求更高。如果教师没有及时更新知识，吸取新技术和新方法，轻则无法正确指导实验教学，重则还可能引发教学事故。由于对一些设备的购入实验教师没有做好充分的准备，一般而言，为了保证教学安全，使用该类设备时会牺牲部分涉及高危情况的功能。这不仅不能有效地利用设备，而且还无法为学生带来创造性或创新性的学习过程。同时由于没有很好地消化吸收新设备，与之相配套的教学模式和课堂方法也很难形成。学生都是有备而来，会提出各种实质性的问题，作为指导教师，不但要有扎实的理论基础，还要有较强的动手能力与分析解决问题的能力。所以，建立高层次的实验室队伍是为教学服务的根本保证[7]。

3 深化基于虚拟技术和云计算的实验教学

为贯彻落实 “教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见”精神，根据 “教育信息化十年发展规划(2011—2020年)”，2013年8月，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。从2013年到现在，教育部发文指导和推行高校虚拟仿真实验教学建设工作已经5年，高校实验室依托虚拟技术和其他相关计算机技术进行建设工作正如火如荼地进行着。在此背景下，研究基于虚拟技术和云计算的开放性创新实验教学具有重要的现实意义，这既符合计算机技术发展的潮流，也是建设一流综合性大学的需要，符合 “全民创新”的精神宗旨。以下是发展新技术驱动下的实验教学的2点认识。

1)虚拟技术＋云计算服务教学实验。

虚拟现实(virtual veality)，是指利用信息技术手段构造出一个虚拟的环境，用户能够与这个环境交互，从而获得身临其境的感觉[8]。虚拟技术结合虚拟现实在实验教学中可以实现图形多维可视、对象仿真、模拟计算等，通过软件技术和人机交互实现现实教学中不可企及的实验效果。利用响应速度快、具备开放共享的虚拟系统来提升实验室已经成为大家的共识。虚拟化最初的目标是提高机器的使用效率[9]，云计算技术的出现正好增强和完善了这一功能。云计算是基于网络的一种服务提供模式，它通过网络提供动态、易扩展和虚拟化的资源和运算服务。文献[6]概括了虚拟实验室的概念，即指由虚拟技术、网络技术等多媒体技术组成的一类以实现数据采集、分析的远程操作为目的的系统，包括相应的实验室环境、相关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。

因此，虚拟技术＋云计算已成为目前高校建设虚拟实验室的主流技术，具有开发性好、交互性强等特点。在教学实验方面，它不但解决了高校面临的实验设备不足、师资短缺等问题，而且对于一些成本高昂、存在风险，难以在现实操作的实验也提供了模拟现实的学习途径，激发了学生的学习兴趣，深化了学生对知识的理解，教学效果显著，为高校科研工作也做出了重要贡献。

2)更新实验教学观念，深化虚拟实验认识。

受传统的实验观念的影响，很多学校和学生比较注重看得见摸得着的实体实验[11]。某些观点认为虚拟实验虽然具有人机交互的功能，仍然是高科技下只具有可视，但不具可感受和可触碰的影像虚化产物，甚至与早期出现的计算机软件仿真并无本质区别。从思想上把虚拟实验和传统实物实验区别看待，主观认为其只是一种补充和临时替代，没有从发展的角度看待新技术为教学实验带来的革新性改变。

从全国各高校虚拟实验室建设来看，在实验教学中充分开发和使用了虚拟实验技术，兼顾虚拟实验和真实实验的优势，实现了 “虚实结合、优势互补”[12]的教学方法与手段，出现了以此为基础的包括 “自主式” “项目式” “探究式”在内的诸多创新型实验教学模式。湖南第一师范学院的杨建良提出电类基础课程的 “虚实结合”实验教学、海军工程大学的熊先锋等提出基于虚实结合的PLC实验教学仪器设计实验、北京理工大学生命学院的顾昊提出生物学虚实结合实验教学模式研究等实践，都是高教实验创新中利用新技术的代表。深刻领会新技术的思想和特点，努力探索新技术的应用方法，真正做到 “格物致知”才能把高校实验教学建设得更优更好。

4 实验教学模式创新的几点建议

4.1 以目标为导向，创新实验教学

作为培养学生重要实践能力的实验教学需要创新和发展，其过程必须要以目标为导向，以达到提高教学质量为最终目的。实践证明，虚拟技术、云计算等新技术的应用促使了实验教学，特别是虚拟实验的全方位突破，不仅释放了教学潜能，而且还利于学生创新意识的培养，更好地促进新技术融入教学实验。在具体的操作中，要脚踏实地做好实验的每一个步骤。在实验初期，从实验计划到实验教案的预制，从虚拟环境到实际条件的配置，从计算机软硬件的性能、操作方法的提前熟悉到相关的素材、耗材的预先准备等，尽可能地为实验教学创造良好的条件。在实验教学过程中，把实验细节与理论重点紧密地结合在一起，让学生真正在实验中感受验证过程，升华理论知识学习。从而使学生越学越有兴趣，越学越有信心。

4.2 多元化创新实验教学模式

在传统的教学模式中，老师与学生基本是一对多或一对一的教授，这种被动学习方式所存在的不足在很多文章中已有充分论述。新技术为教学改革带来了新机遇，为教学方法和理论的多元化创新提供了可能。 “自主式” “项目式” “探究式”就是这些创新实验方法的典型代表。下面针对两种模式进行举例分析。

1)以 “探究式”教学为例，实验教学是以教师教学为主导，充分发挥学生的主体作用。教师要为学生的主动实验与积极参与创造条件，引导学生大胆思考与探索，从而发现问题、探讨问题、解决问题[13]。探究学习的主体可以是单个学生，也可以是一个学习小组。虚拟实验平台为此提供了便利，学生可以随时参与到实验中进行交流研究。

2) “项目式”教学是指让师生以团队的形式共同实施并完成一个完整的项目而进行的教学活动[14]。学生通过完成 “实际项目”来加强对各种理论知识的理解，虚拟技术和云计算则为 “项目”提供 “实际”的对象和环境，计算机软件和网络技术则为实验提供了物理保障。在这些技术的共同协作下，实验全过程能在最大限度接近现实的基础上完成教学计划的既定内容，极大地丰富了实验教学体系，优化了实验教学资源。

4.3 发展开放共享的专业实验教学

文献[15]提出建立国家教育云服务模式的发展目标:充分整合现有资源，采用云计算技术，形成资源配置与服务的集约化发展途径，构建稳定可靠、低成本的国家教育云服务模式。该规划的中心指导思想是对教学信息资源进行重组、优化与共享，提高实验教学资源的投资效益，实现已大型精密仪器为重点的实验开放新局面。从现实来看，实验的开放共享可以简单的理解为:利用先进的云计算技术将分散的软件资源整合在一起，以现有的硬件终端设备方便地共享这些资源。最新的发展趋势是:云计算的服务模式打破了网络共享资源仅局限于软件资源的局面，拓宽到了硬件资源[16]。从微观视角看，是由其自身学科特点和教学规律决定；从宏观视角看，也是从教育资源合理配置到国有资产的充分发挥效益利用的顶层设计决定的。

对于学校来说，以较少的资金投入，构建高效共享的综合实验室，提高了设备的使用率；对于教师来说，为更加丰富的教学与实验方案的产生提供了可能；对于学生来说，改变了 “重理论、轻实践”的学习态度，提高了学生的理论知识与实践能力。虚拟技术和云计算可以使实验室通过网络虚拟实现跨时空跨学科的任务，完成实验的理论设计和实践，多层次、多角度地对实验设计和结果进行分析，这样既节省了实验时间，又提高了实验效率，促进了创造性思维的发展。当实验室实现全面共享后，如教育 “云”的出现，则能对多种信息源的重组与优化，最终实现大范围、高效率的资源共享。教育信息化建设将进入一个全新的层面。

5 结束语

展望未来，在以云计算和虚拟技术为代表的新技术的驱动下，高校实验教学发展将同其他行业一样进入一个高速的发展时期。无论从硬件还是软件，再到教学模式、授课方式、教学理念和思路都会发生相应的变革。但无论如何变革，高校专业实验发展的中心还是注重学生应用能力的培养和加强实践能力的培养，使学生成为基础扎实、知识面宽、具有创新能力的高素质专门人才。这是深化专业实验教学改革的核心所在。作为高教人应把握核心，顺应潮流，不断探索前行。

[1]刘平.网络、多媒体技术与电大计算机实验教学新变革[J].内蒙古电大学刊，2002(6):20－21.

[2]唐智明，侯渡舟.依托学校学科优势推进管理类本科生培养模式改革[J].西安建筑科技大学学报 (社会科学版)，2007，15(1):114－117.

[3]张峰，邵之倩.论高校学生信息素养能力的培养[J].科技创新导报，2013(8):231.

[4]朱云霞.基于学生综合信息的跟踪式教学模式探索[J].吉林广播电视大学学报，2013(2):68－69.

[5]陈念，沈佐民.地方高校利用现有资源构建虚拟实验教学体系的思考[J].教育与教学研究，2010，24(2):73－74.

[6]张伟.高校实验仪器使用率低的原因与对策[J].中国教育技术装备，2013(18):34－35.

[7]刘世钰.实验教学与学生创新能力之培养[J].教育理论与实践，2008，28(S1):6－6.

[8]李姝博.虚拟现实技术在职业教育中应用的理论研究[J].辽宁高职学报，2013，15(7):13－15.

[9]李树波，罗林，杨艳.云计算与虚拟化技术研究[J].软件导报，2013，12(1):142－145.

[10]周雪松，丰美丽，马幼捷，等.虚拟实验技术的研究现状及发展趋势[J].自动化仪表，2008，29(4):1－4.

[11]吴俊杰.虚拟实验室在高校的应用探讨[J].信息与电脑，2012(1):132－133.

[12]盛苏英.开放式虚实结合实验教学探索与实践[J].实验科学与技术，2014，12(1):98－101.

[13]丁美荣.虚拟实验与真实实验整合的计算机网络研究性实验教学探究[J].实验技术与管理，2011，28(5):163－166.

[14]王崇霞，张剑妹，赵晓丽，等.基于云计算的虚拟项目实验教学模式研究[J].计算机教育，2016，(2):176－177.

[15]教育部.关于印发 《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》的通知[Z].现代教育技术，2012， 22(5):1－1.

[16]王庆.云计算环境下的区域性高校实验教学资源共享[J].实验技术与管理，2014，31(9):187－191.