新冠疫情下美国的远程实验教学改革——以密歇根大学为例

一、引 言

众所周知，实现大学教育目标的一个重要途径就是通过实践主线串联起学生所学的分散知识[1]，因此实验教学对于大学生尤其是工科大学生进行有效学习的意义非常重要。疫情影响下，在线实验课程能不能达到手工实验同等的效果，能不能提高学生的动手能力，这是国内高校和美国大学都要面临的教学问题。

在新冠病毒流行与全美之际，为了应对危机，美国众多高校及时做出了封校措施，并同时推出了一系列的在线教育措施。密歇根大学安娜堡分校是密歇根大学系统的旗舰校区，是位于美国密歇根州的一所世界顶尖著名公立大学。作者疫情期间正在美国密歇根大学安娜堡校区访学，疫情发生后，学校及时地停止了一切课堂教学活动，改为在线教学，开始通过在线课程应对危机。作者经历了密歇根大学由课堂教学转为在线教学的过程，调研了密歇根大学的在线教学的情况。密歇根大学在线教学起步较早，目前形成了一整套线上教学系统和成熟的教学方法，其中有很多新颖的教学经验是值得国内高校借鉴的。

同美国很多著名高校类似，密歇根大学始终强调跨学科协同教学，强调多学科间的融合，促进学生在多学科间取长补短，这种做法是密歇根大学教学的主要特色。疫情下，这种在线教学方式体现的更加明显，因为它适应了目前科学研究的多学科发展需求，学生可以接触到各学科相关研究内容的最新进展，促使自身寻找对应研究目标的学科间的结合点，培养学生从不同研究方面质疑、批判和提出问题的能力。跨学科的教学方式不仅提供了学生的知识面，也给教师提供了相互学术和教学的沟通平台，互通有无，相互促进[2]。本文将从多个方面分析密歇根大学安娜堡校区的在线实验教学特点，以期给出国内高校的在线实验教学的改革建议。

二、全面开放丰富的在线教学与科研资源

在2020年3月18日给教职员工的电子邮件中，密歇根大学校长马克·施利斯瑟（Mark Schlissel）承认新冠疫情的大流行“使我们的个人和职业生活颠倒了，这也是我们共同面对，相互支持和帮助我们的挑战。十年前由于网络速度和网络视频会议技术的限制，我们不能实现好的在线教学，但目前的相关技术已经解决了这些问题，使教学变得更加容易”。

图1为密歇根大学校园网的远程工具资源的分类说明，相关资源不仅免费使用，而且校方自动按学生的ID 进行了自动注册。

图1 密歇根大学远程工具框架

疫情发生后，密歇根大学迅速建立了远程教学技术平台，通过平台丰富了远程教学资源，加强了在线教学管理。主要体现在三个方面：

第一，视频共享平台Zoom和VoiceThread 是密歇根大学网上教学的重要平台。在疫情之前他们已经组织了有效的平台使用的培训，学生也很熟悉这两个平台，可以配合教师进行课程的学习。

第二，密歇根大学在线教学平台的基础是良好的服务工作，即针对在线教学可能碰到的问题提供了充足的服务。bluejeans和Google meeting是学校推荐的两款在线会议软件，学校为每个师生自动注册了以学校邮箱的用户名称，免费使用两款正版的会议软件。同时，为解决在线教学中碰到的即时问题，学校还安排了专职人员进行工作时间的网络即时聊天和电话服务。

第三，构建富有爱心的在线实验课堂文化。由于线上和线下教学的很大不同点在于线上教学重点在于师生间的面部或语言交流，无法有效的进行肢体交流。肢体交流是线下实验课程的重要优势，因此在肢体和面部交流间建立沟通的方式便是线上教学尤其的关键。这需要师生在线上交流时融入更加有效的肢体交流，营造更为真实的交流环境。

以作者所在的密歇根大学药学院的计算生物学系为例，在实验前，学生需要进行短暂的组会，讲述本次试验的原理、手段和目的。生物信息学实验中学生准备的对于新冠病毒分子结构实验查询学习的课件，以及他们演示的视频界面如图2所示。

图2 远程实验前的准备视频会议界面

三、虚拟实验室的开放

密歇根大学始终注重发展虚拟实验室的可移动性和即时性。Pad 是学生的主要远程教学设备，通过预装的适应于各专业虚拟实验室的APP，学生可以完成实验准备和实验数据的提交，同时很多APP 都含有不同程度的数据处理功能，可以自动分析实验数据供学生和教师查看。另外，学校还配备了统一的云终端来永久存储实验数据。

学校封闭后，及时开放了各虚拟实验室和对应的硬件支持。这种支持硬件包括各种远程遥控装置和物联网通信装置，同时还架设了通过网络工具和虚拟现实技术的实验室，可以通过虚拟仪器进行在线实验和数据共享。

密歇根大学从电气、机械、临床医学等动手能力要求较强的专业，再到供应链管理、金融投资、计算机编程等实训需求较大的专业，目前都相应建立了虚拟仿真实验室。在新冠疫情影响下正发挥着替代实际实验室的作用。以信息控制类实验室为例，主要包括虚拟现实和虚拟仿真两个方面的建设。

市、县民政部门分别成立督查组，及时跟进衔接工作进展情况，督促各地按照《方案》要求，全面做好衔接工作，落实乡镇人民政府是审核城乡低保救助申请的主体责任，落实责任追究。对低保工作不研究、不安排、不督查，存在应保对象救助不及时、不准确，“漏保”“错保”“人情保”现象，导致群众意见大，工作中执行政策走样，违规问题突出、滥用职权、玩忽职守、徇私舞弊，甚至引发重大舆情的，严肃追责问责。

1.人性化的虚拟现实实验室

来自密歇根大学信息学院的叶米斯·博鲁莫（Yemisi Bolumole）教授早在2015年就在她的物流和运输管理课程中使用了VDI（虚拟桌面系统）进行教学。在该虚拟系统中，学生可以通过笔记本电脑、平板电脑或智能手机随时访问“实验室”。

在空间设计上，密歇根大学高度互动性计算机教育中心（Hi—CE）的课题负责人拜瑞·费舍曼（Barry Fishman）博士提出了运用视频游戏营造学习环境、运用技术支持教师学习、基于标准的系统性的学校改革[3]，将创新的教室设计并命名为“参与和主动学习的房间”（Rooms for Engaged And Active Learning，REAL）[4]，如图3所示。

图3 虚拟实验室结构

REAL 空间具有一个教员站，房间周围有四个平板显示器，每张桌子上都有双平板显示器。通过这种具有引导性的交互式空间，推动建立起具有协作、动手能力、计算机介入的学习氛围与讨论环境。

2.在线课程(MOOC)的虚拟仿真实验室

密歇根大学的研究人员开放了基于Lab-VIEW 创建的用于信息物理系统大规模开放在线课程（MOOC）的虚拟仿真实验室[5]。信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。它是虚拟数字世界和实体物理世界的融合，跟工业物联网的本质基本一致，其根本的目的就是智慧制造[6-7]。

密歇根大学的虚拟仿真实验室不仅让学生能将真实机器人仿真、使用编程方法进行开发和调试、硬件控制等操作，在无需访问物理实验室或任何特定的NI 硬件的情况下在虚拟仿真实验室平台的在线学习平台（MOOC）上操作，还实现了该平台能对学生的操作情况进行自动打分的功能[8]。研究人员使用LabVIEW 软件开发了两个组件：一个是部署在虚拟或真实硬件上的模块化控制程序，学生们可以使用C 或LabVIEW 状态图模块开发与平台独立的代码；二是开发了独立运行的简易应用程序，提供直观易懂的GUI 来进行仿真、测试、提供自动反馈，通过自动评分机来进行评分。

3.在虚拟实验教学中进行跨学科学习与协同教学的融合

跨学科教学是密歇根大学的教学特征。密歇根大学认为多学科间的融合不仅是科学研究的需要和趋势，也是大学教育改革的重点。新冠疫情发生后，由于利用在线教学平台可以较为容易地将各学科的教师进入平台进行教学[9]，为此，密歇根大学在二级学院建设、设施建设、教师及管理等方面进行了大力改革，

密歇根大学的教学改革的思想主要以美国著名高等教育改革家塔潘（Henry Philip Tappan）提出的目的观、教师观与自治观为指导，进行多学科协同发展[10]。协同化实验教学需要多学科教师间组成实验教学团队，共同设计实验，组合不同的远程实验教学工具，综合分析各个实验阶段给出的实验数据，评价学生实验成绩。这种方式可以最大化利用各类在线实验资源。

图4 生物信息学实验课程的跨专业课程分布

表1 生物信息学实验课程的跨专业学生分布

四、协同化实验教学改革方式

1.合作课程

合作课程由具有相关经验的教师共同设计、讲授。如作者所在的计算生物学系，“生物信息学”是重要的专业基础课程，它涵盖了计算机、数学和生物学专业。在国内，越来越多的工科也开设了相关课程，但是往往缺乏和生物学专业的融合。在密歇根大学，该门课程是由各专业教师共同授课，共同安排各自的授课内容，并充分基于跨学科的理念进行授课。

2.集合式课程

协同式实验教学需要多门课程共同参与，从而构成课程集合。实验课程分为课前、课中和课后三个阶段，课前主要按照学生讨论的方式讲解实验内容，课中安排学生的虚拟实验，课后以研讨会的方式融合多学科的观点[11]。众所周知，美国高校的教学是小班授课，通常一个班级的学生不超过30人，这样便易于安排研讨和学生讲解环节。如“游戏开发”导论这门实验课程，便采用了多个阶段进行实验安排，各部分实验都涉及到了游戏开发的各个阶段。如游戏策略部分注重了游戏文化，游戏用户界面部分涉及到了游戏的艺术性设计，游戏设计部分涉及到了人工智能和软件开发，游戏商业开发则涉及到了游戏的盈利模式，等等。这几部分平时单独开设，但是每周都会安排一至两天时间，将这几门课程整合在一起，进行联合讲授或实验活动[12]。

3.链接课程模式

同美国很多高校采用的讨论式教学手段类似，密歇根大学同样采用了学生预先分析、教师结合学生的分析情况进行实验教学的方式。以密歇根大学计算生物学系为例，张扬（Yang Zhang）教授是国际著名的蛋白质结构分析学家，也是作者的指导教师。他在讲述面对本科生开设的生物信息学课程时，便非常强调学生的课程预习。在每节课程结束时，他会布置下节课的预习内容，通常预习要求是某篇著名的学术论文。他按学号顺序安排两位学生在下节课以PPT 形式讲解论文，讲解时间是20分钟并安排10分钟答疑时间，该做法类似与国内高校的本科生答辩做法。这种高强度的学习要求极大地提升了学生的学习质量，也保证了教师教学质量，这有利于不同教师根据学习情况进行适时的教学推进，有效地链接各门课程，组建学习组群。

4.以创新实践为目标的在线教学

密歇根大学在教学中始终坚持以实践为目标的实践教学理念。以电气与计算机工程专业为例，它注重提供给本科生参与教授的科研工作的机会。这类似中国矿业大学信息与电气工程学院的大学生科研训练计划，让对科学研究感兴趣的本科生参与到科研团队中。电气与计算机工程专业的多数课程和实践结合紧密，学生在一个学期中需要至少完成2个创新制作。在疫情发生后，由于学院实验室关闭，学生被迫进行在线实验和通过Zoom 进行科研组会来探讨科研项目。各项创新制作的评价强调的是学生在创新课题的参与程度，并没有像国内那样以考试为最后的评价标准。

为更好地让学生参与项目的研制，系里专门开设了项目设计（Design projects）课程，教学目标是更好地帮助学生学习进行创新项目的开发，进入项目运行的全流程。这门课程是密歇根大学的特色课程，受到了学生的广泛欢迎。课程中每个知识点是独立的项目开发，需要学生寻找最适合消费者的产品设计方案和商业营销策略。该课程进行网上授课后，能够利用会议平台更方便地进行师生交流，方便指导教师和课程协调员对学生提出的问题进行指导。但是课程无法为项目提出最优的解决方案，导师仅考虑设计结果的合理性做出评价，而不考虑具体细节以提升学生的想象空间和创造力。

工业训练（Industrial assignments）也是配合项目设计课程开设的辅助课程，其教学目标是为高年级的本科生开设的，培养学生如何学会将自己的创新制作投向市场的能力。本课程是和企业合作的项目，学生还可通过企业面试进入企业学习、锻炼，并可作为联合培养的方式和企业合作办学。通过这门课程，学生可以获得在企业环境中锻炼的机会，把课堂上学到的知识和自己在项目设计课程中的作品在企业中实现。学生在企业的实习工作中不仅可以重新思考未来工程领域的学习和工作方向，还可以通过阅读大量的工程论文来提高科技论文的写作水平。

五、对我国高校实验室在线教育的几点启示

1.提高重视程度，制定引入计划

首先院校应当充分重视在线实验教学，将在线实验教学的改革作为教学改革项目中的重要内容。一方面要强调在线实验课程的建设问题，挖掘优秀的在线实验教学资源和工具；另一方面要增强和完善在线开放实验室的实验教学模式，按照学校的学科发展方向，制定按照专业和学科发展方向的在线实验教学改革计划，努力覆盖全部专业。

2.增加经费支持，建立激励政策

在线实验开放课程的建设需要投入相当的建设资金，国内院校需要积极地给予经费支持，并按年度给予经费安排，通过资金投入来激励在线实验教学改革的方向。建设完成后还需要建立稳定的监督和验收督导小组进行课程的全程跟踪，以确保达到开放课程的建设标准，由此提升教师对于在线实验教学改革的重视程度。

此外，各高校需要建立在线实验教学的绩效体系。其一，对于在线实验教学课程的建设效果上，各高校需要建立课程学习效果的评价体系，以学校的教育技术中心和网络中心为依托进行在线教学的培训活动，研究在线实验课程学习的评价方法，设计实验课程考核的试题库及采用仿真工具达到的仿真效果的评价。其二，要制定课程的验收规范，并且持续跟踪3年内的学生课程学习效果。对于批准的在线开放课程项目需要进行定期评审，按照评审结果设定颁发奖项与奖金，以激励课程负责人，从而进行更加优质的在线课程改革。

3.加强教师培训，提升课程水平

在线实验课程的建设需要在硬件和软件上投入大量资金，并建立相应的在线课程的管理机构，制定详细的管理制度。不同于理论课程的在线学习，在线实验课程不仅使用了虚拟软件和视频软件，而且还会用到某些可以远程控制的实验装置，因此需要组织教师进行培训，以加强教师在线实验教学的技术水平。疫情发生前，很多国内高校在线实验教学水平较低，主要原因是国内实验强调的是学生参与的手工实验，往往忽视了在线实验。以中国矿业大学为例，虽然电工电子教学实验中心已经自主开发了虚拟仪器仿真系统，可以进行在线的数字电子技术实验，但是由于学生更青睐于线下实验，采用虚拟仪器仿真系统进行实验并没有全面实行。国内大多数高校都存在类似情况。当疫情发生后，突然间，在线实验教学便成为了唯一选项，这种突然变化使国内高校的在线实验教学存在着或多或少的技术问题和学生的适应问题。因此，我们应当学习以密歇根大学为代表的美国高校的实验开放教学方法和培训方式，以提升我国的在线实验课程建设水平。

4.开启混合教学，推动学生参与

对于国内工科类院校，大学生创新能力的提高往往放到了重要的位置，而创新能力提高的前提是需要有扎实的理论基础，其次是具备优秀的动手实践能力。传统课堂教学模式中主要缺点是缺乏有效的师生交流，而网络教学的主要缺点是缺乏师生面对面的交流，这两种缺陷限制了学生在教师的技术指导下进行有效地创新项目训练。因此国内高校的在线实验教学改革应当搭建“线上”和“线下”相结合的混合教学体系。上课前，需要教师发布本次实验的要求和需要掌握的背景知识，解答预习中的问题；需要学生提前自主选择时间预习实验内容，通过预习掌握本次实验的原理和方法。课程开始后，除了传统的实验教学手段外，教师还需要鼓励学生的独立思考精神，对提出的创新做法和问题给出适当加分。疫情发生后，线上实验反而给师生间搭建了信息传递的途径，教师可以一对一地和学生进行实验情况交流，有利于理论课成绩不好的学生增加学习兴趣，增进师生间的情感交流。在线实验课程结束后，学生需要根据实验中记录的数据进行分析。这种分析不仅包括在线平台提供的自动分析结果也应当包含学生自我的数据分析。除了数据处理，学生还需要完成规定问题的解答和实验心得，并完成实验报告的提交。

通过以上的在线实验教学手段，可以转变传统实验课程的教学方式，可以规范学生的预习、课上学习和课下报告的时间点，可以让师生在教学的过程中瞬间进行一对一的交流，等等。

5.完善评价机制，提升课程质量

实验课程的在线开放课程平台平台不仅要满足完善的在线教学任务，更重要的是建立完善的课程学习评价机制，来评判学生的学习质量。传统的实验课程评价方式是以学生实验的时间和规定实验的完成度来评价的，虽然有设计性实验，但是最终设计性实验也归为几种定性的实验方案，所以目前国内高校传统的实验评价方式还是一种“标准答案”的评价方法。在网络平台上搭建的在线实验由于无法看到学生做实验的身体行为，所以学生的实验操作是无法直接评价的。我们可以发挥平台的时间控制优势，设置师生交流时间、学生提问时间和有效问题次数等量化指标来作为评价标准。此外，还应当可以设定学生自评、实验小组互评和教师评价等评价环节，这样可以让学生通过互评找到自身实验的不足之处，从而提升自身的实验能力，并缓解教师繁重的在线答疑任务。综上，在线实验平台应提供多种科学的且易于实现的评价环节，这样教师可以根据自身教学特点通过组合来构建自身的评价机制，提升课程质量。

六、总结

疫情影响下，密歇根大学和美国多个著名大学做法相同，都及时地封闭了学校，进行了在线教学，这种做法同国内高校所提出的“停课不停学”相同[13-14]。由于密歇根大学在新冠疫情发生前边进行了充分的在线实验教学准备，在线上工具和线上资源上都有着系统性的准备。例如在线上工具方面，密歇根大学在充分发挥针对实验器具的虚拟性实验外，还采用虚拟现实技术缩短现实实验和模拟实验间的差距。

密歇根大学利用疫情造成的在线教学契机进行了多学科在线实验教学，有效地扩展了学生的知识面，增强学生的创新能力。由于学生的创新产品主要是面对不同领域的问题而提出解决方案，所以通常对协同式教学方式非常欢迎，会主动参与教学活动。因此，这种教学模式对跨学科协同教育带来了契机，对我国大学实验教育带来了新的改革思路。