高校实验教学技术发展

宋大鹏

0 引言

实验是高等教育中学生认识世界和学习知识的重要实践活动之一，高等学校的实验室在培养学生素质、创新和实践能力方面有着不可替代的作用。自建立高等教育体系以来，高校实验室得到了不断发展，现已成为高校进行科学研究、实验教学、学术交流、培育高水平人才和成果产出的重要基地，其建设和发展也成为反映高校科研水平、教学水平和现代化管理水平的重要标志。

目前，对高校实验室的建设和管理方面的研究和关注较多，但从技术发展的角度关注较少。因此，本文从应用技术的视角出发，对高等学校实验室的发展历程和未来趋势进行回顾和研究，具有较强的参考价值和现实意义。

从20 世纪20年代我国高校开展实验教学至今，已有100年的历史。纵观我国高校实验室的发展，以技术应用为划分标准，大致经历了工业时代、电子仪器阶段、计算机阶段和虚拟现实四个阶段。

1 机械时代

1952年，我国政府大规模调整了全国高等学校的院系设置，形成了以“工学”为主的中国大学教育的基本格局。在院校分布和专业设置调整的同时，国内众多高校在原来的基础上开展了实验教学，高校实验室得以建立和发展。

当时国内多数高校为适应社会发展，专业设置以工学为主，开展实验教学的主要目的是为学生提供实践动手机会。与之相应，实验教学主要任务是为工学专业学生提供各种生产实践教学设备，便于学生掌握和理解应用型知识。基础学科专业实验教学教具、设备等受当时生产制造技术发展水平的限制，用于实验教学的多为实物或原理仿真模型，如在高校中物理学专业中的力学实验教具、机械部件实体模型和人体或生物的器官的放大实物仿真模型等。在此阶段，高校实验室的仪器、设备和设施以工业生产的原型设备或工业加工的教学产品为主。

由于实验用的设备或教具为工业生产的产物，故可以称此时期的实验室为“机械时代”高校实验室。

2 电子装备阶段

20 世纪80年代开始，电子技术飞速发展，电子产品不断涌现，形成迅猛发展的电子行业。适逢我国高等教育的迅速发展时期，电子技术也大大影响了我国的高等教育，促进了高校实验室的快速发展。首先，为适应社会的发展和需求，全国众多高校相继开设了电子专业及相关应用等前沿专业，开展了相关的科研，原有的实验室无论是在规模上还是在基础设施上都远远满足不了快速发展的专业需求。电子技术大大促进了电子实验室的建设和发展，出现了一大批以电子仪器设备为实验教学核心设备的高校实验室。其次，电子技术的产业化也为高校实验室提供了新的技术手段。原来采用工业生产手段生产的实验教具、设备改为采用电子技术手段实现后，性能大大提高。无法展示的物理、自然现象等可以通过电子技术的声、光、电等多种手段得以展现，大大提高了实验教学的效果。再次，电子技术为科研工作提供了新型的工具。作为科研的主体，高校实验室也迫切地需要大量的先进的电子仪器来满足科研人员的需求，如电子显微镜在物质探测方面的应用、射电望远镜在天文学中的进展等。

电子技术的蓬勃发展，极大地促进了电子及其他的专业发展。它将传统的工业实验设施、设备和教具等实验用品由电子设备代替和更新，为高校实验室的发展提供了有力的保障，使得全国迅速出现了众多以电子设备及应用的为代表特征的高校实验室。

3 计算机阶段

20 世纪90年代，计算机硬件和软件技术的发展与普及，为高校实验室的建设和发展提供了良好的工具和支撑平台。同时期，我国高等教育迎来了飞跃式发展，各高校专业建设日新月异，招生规模飞速增长。规模的快速的扩张对师资、环境等提出了更高的要求，高校的实验教学在管理、教学上承受着前所未有的巨大压力。在此大环境下，计算机技术一经出现，迅速地在高校实验室得到广泛的应用。

计算机技术为高校实验教学提供了新的、与传统不同的实现手段- - 计算机分析与测试。与传统的实验相比，计算机能提供新的、多样性的分析手段和性能优异的测试平台。它可以把原来由人工进行的计算采用程序的方式进行，提高了运算效率，实现复杂的计算过程，不但增强了传统的工学实验教学，也为数学、物理和社会学、理学、医学等专业提供了高效的计算手段和呈现方式，大大扩展了实验教学的覆盖的专业范围。

高校招生规模的不断扩大，对实验教学产生了巨大的压力，使得高校实验室管理有了更高的要求。计算机由于具有强大的计算和数据存储能力，在高校实验室的管理中快速普及。对于日常繁重和琐碎的实验课程设置和安排，计算机能有良好的性能，为实验课的编排、考核和实验课程的管理提供了平台，大大提高了高校实验室的使用效率；在高校实验室的设备管理、人员管理方面，计算机也有不错的表现。随着实验室规模的不断扩大，设备数量越来越多，种类越来越复杂，管理成了实验室中的重要工作。各种计算机管理信息系统的出现，解决了原来人工管理的难题，也使得高校实验室的管理呈现了规范化，促进了实验室的发展。如今，实验室的计算机管理水平成了衡量高校实验室建设的重要标志之一。

随着科技的不断发展，计算作为继理论和实验之后的新的科学研究手段出现在高校的科学研究工作中。高校许多专业涉及的研究领域，包括气象预报和灾害预警、生态模拟与环境控制、材料科学与电子器件设计、工业和工程中的数值模拟等，都提出了计算的大量需求。高校实验室作为科研的主要承担者，其提供的计算能力也直接影响到了科研的进程。随着国家对高校科研不断重视，支持力度不断增加，各高校实验室不断购进用于科学计算设备，计算能力大幅提升。计算机及辅助设施也成为高校实验室的基础设施。

从计算机进入实验室开始，此阶段高校实验室的应用技术以“计算机分析与测试”为基本特征，开启了高校实验室的新阶段。

4 虚拟现实（VR）阶段

虚拟现实自20 世纪90年代开始出现，经历了快速发展期（1990- 1999）和突破性技术频发期（2000- 至今），已在各个领域展现出巨大的活力。2016年，随着虚拟现实技术的不断成熟和产业化，虚拟现实产品和应用系统呈现爆发性增长，被称为“VR 元年”。作为能改变未来的黑科技，虚拟现实技术对高等教育领域包括高校实验室产生了极大的冲击。

随着国家高等教育教学改革的不断深入和我国高等教育的发展，各高校和各学科的定位都发生了巨大的变化。作为学校综合实力标志之一的实验教学在高校教学中的地位不断提高，高校实验室的建设也由原来的数量需求转为高质量、高技术含量的质量需求。不仅仅在工学直接相关的学科，在医学、社会科学等学科中，都对实验教学和高校实验室的建设和发展提出了更高的要求。

VR（虚拟现实）作为一种新的人机交互手段，为实验教学提供了新的、颠覆性的手段。虚拟现实技术带来的如平面展示转化为三维或沉浸式全角度观察、真实场景中互动训练和身临其境的学习感受等新方式，大大提高了实验教学的质量，为高等院校实验教学提供了全新的、前所未有的新手段。

2016年教育部出台政策鼓励全国各高校开展虚拟现实实验教学项目，投入了大量资金在全国范围内建设虚拟现实实验教学平台，这一举措促进了虚拟现实技术在高校实验室的开展。虚拟旅游实训、医学虚拟内窥镜仿真、虚拟设备原理展示及虚拟诊断等一大批优质的实验项目出现在了高校实验教学中。在众多的学科中出现了多种教学应用虚拟现实系统，如Simposia公司的虚拟内镜训练系统可模仿气管镜、胃通过力反馈手术装置在气管、食道的三维模型中进行手术操作；北师大教育部虚拟现实工程实验的V- Learning 系统可通过体验式教学提高教学效果；虚拟数字博物馆为学生提供仿真度极高的文物、遗址等实验用品等。

虚拟现实技术的发展也大大促进了高校实验室的建设和发展。如今，许多高校成立了虚拟仿真实验室，开展新一轮的实验教学改革。此阶段的特征是在高校实验室中出现以虚拟现实技术为基础的、与专业相结合的教学系统和设施为代表，可以称之为高校实验室的“VR 时代。”

5 结束语

科学技术是第一生产力，其在高校实验室中的应用反映出不同时期高校科研和实验教学的进步和发展。纵观高校实验室的技术变革可以看出，科学技术正在不断地融入高校实验室的发展中，其不仅作为高校实验室的一部分，而且已逐渐成为实验室的建设基础。高校实验室的建设不仅需要重视自身规模和硬件的建设，更需要进行科学技术应用方面的建设，以科学技术前沿为中心，建设高水平的科研和教学平台，才能切实提高高校实验室的综合实力，为高校的发展提供源源不断的动力，增强高校的综合实力。