基于“互聯網+”的開放式實驗實踐教學研究

孫丹 趙帥

摘? ?要： 開放式實驗實踐教學作為一種創新的教學模式，是培養具備綜合素質和創新能力人才的重要環節。通過對高校開展實驗實踐教學的現狀進行調研分析發現，目前實驗實踐教學模式依然存在開放程度不足、實驗實踐教學資源利用率低、缺乏實驗交流互動平臺等問題。結合學校辦學特色和實際情況，通過互聯網、移動媒體、VDI云桌面等技術搭建一個基于“互聯網+”的開放式實驗實踐教學綜合平臺，形成開放式的實驗實踐教學模式，促進實驗實踐教學工作改革創新。

關鍵詞： “互聯網+”? ?開放式教學? ?實驗實踐教學? ?教學改革

高等教育改革的不斷深入，對傳統實驗實踐教學發起了全新的改革升級挑戰，開放式實驗實踐教學作為一種新型的實驗實踐教學模式，越來越受到高等教育工作者的關注?；ヂ摼W以其對數據信息的高效互連和高速傳輸處理優勢，不僅影響傳統的諸多行業，還促進教育行業的改革創新。隨著“互聯網+”成為國家戰略，開放式實驗實踐教學基于互聯網的創新成為迫切的要求[1]（272-274）。通過合理運用“互聯網+”實現開放式實驗實踐教學，不僅解決了實驗實踐教學過程中的質量監控和過程管理缺失、軟件維護和升級成本高問題，還實現了遠程實驗實踐教學資源共享，更有助于形成實驗交流互動平臺，提高學生的自主學習能力，增強協作創新意識。同時，該教學模式是目前高校教育的必然趨勢，能很好地實現教學的智能化、人性化和科學化管理。

一、開放式實驗實踐教學研究現狀

經調查研究和翻閱大量相關文獻資料后發現，雖然眾多高校已經將開放式實驗實踐教學作為人才創新培養的重要環節，但傳統實踐教學模式仍占據主要地位，為“實驗”而實驗，為“實踐”而實踐的目的性過強，導致目前實驗實踐教學模式依然存在開放程度不足，實驗實踐教學資源利用率低，缺乏實驗交流互動平臺等問題。

（一）實驗實踐教學開放程度不足。

高校通常會建立校園網，然后通過教科網與外面的互聯網互聯互通，但是軟件資源的匱乏是如今大多數校園網的通病，用于實驗實踐管理和教學的實用性軟件更是少之又少，能提供給教師和學生的自由度和靈活性較低，開放程度明顯不足。白海等[2]（3-7）在研究時指出高校實驗實踐教學存在實驗實踐課不夠靈活、開放程度不足、實驗設備使用率低、實驗課缺乏創新性、學生的積極主動性不高等客觀問題。

（二）實驗實踐教學資源利用率低。

目前，高校實驗實踐教學資源還是以在實驗室實驗實踐為主，實驗實踐教學資源的更新換代與技術發展速度之間有一定的滯后性，且維護成本高、利用率低下，實驗少量為設計性和綜合性實驗，多數為驗證性實驗，為“實驗”而實驗、為“實踐”而實踐的現象依然存在，學生的創新能力得不到全面培養和發展。此外，高校實驗資源大多采用分散式的管理模式，這種模式勢必導致電腦資源的閑置，且學生在分配到電腦后需要重新安裝自己需要的科研學習軟件，導致軟件安裝升級和維護時間成本較高。

（三）缺乏實驗交流互動平臺。

傳統的實驗教學模式依然采用灌輸式的教學方式，教學模式單一，實驗課程主要依附于理論課程，缺乏創新性，導致學生投入實驗課程的興趣和精力有限，對實驗課程的反饋有限。因此，學生很難養成上課積極發言反饋的習慣，很難透徹地理解實驗，明白實驗的原理與實驗的過程，學生與教師之間溝通脫節，限制學生自主學習能力的提高和協作創新意識的增強。

二、基于“互聯網+”的開放式實驗實踐教學研究意義

（一）建立虛擬實驗教學平臺，實現開放式的實驗實踐教學。

虛擬實驗教學把實驗教學過程中的網上選課、理論教學、實驗操作、結果測試和實時答疑等實驗教學環節通過互聯網技術在網上實現，為開放式實驗實踐教學服務提供基礎保障[3]（5-8）。為了降低維護費用和增強可靠性，高校虛擬實驗教學往往采用集中式管理模式，即讓一個甚至幾個學校共同使用同一個網絡服務器，再由專門的網絡管理員統一管理。此外，虛擬教學的開放性特點為教師和學生提供了最大的靈活性和自由度，任何教師和學生都可以隨時隨地通過接入互聯網的任一終端使用該教學平臺，突破時間和空間的限制。建立虛擬實驗教學平臺可以將分散的實驗教學通過網絡數據庫的功能實現集中的網絡化管理，不僅能將校園網的資源合理充分地利用起來，還有力地支持了開放式實驗實踐教學，具有重要的現實意義和很高的實用價值。

（二）創建云實驗平臺，提高教學資源利用率。

云實驗平臺的創建，可以為傳統的實驗實踐教學帶來諸多好處。首先，高校實驗室眾多，但是缺乏宣傳平臺，致使不少實驗室不為學生熟悉，在一定程度上浪費了教學資源。云實驗平臺的創建，可以為實驗室提供有效的宣傳展示平臺。其次，在實驗教學過程中，為了合理地排課和開展實驗教學活動，需要統籌考慮任課教師的上課時間、人數和專業等因素，當上課時間出現沖突時，需要對沖突的任課教師進行協調，實驗室的維護和使用一直是非常復雜和煩瑣的。云實驗平臺的創建，可以很好地規避排課過程中各種因素所造成的沖突，有助于形成先進有效的管理系統。最后，云實驗平臺的創建還可以實現科研實驗室的統一管理。在傳統的科研實驗室中，各實驗室分別管理自己的電腦資產，且往往配有資產管理人員。然而，分散式的管理模式勢必導致電腦資源閑置，且學生在分配到電腦后需要重新安裝自己需要的科研學習軟件，導致軟件安裝升級和維護時間成本較高。但是，云實驗平臺的創建可以很好地解決以上問題，大大提高電腦的利用率和科研效率。

（三）構建實驗交流互動平臺，提升學生積極主動性。

利用社交平臺和互聯網技術，可以為技術人員、管理人員、學生和教師營造出實時的在線交流互動空間。在這個空間中，通過應用程序和社交平臺實時推送實驗實踐教學和實驗室管理信息，可以營造網絡泛在性實驗實踐教學環境，加強實驗實踐教學資源共享，提高學生自主學習能力，發揮學生協作創新和主動參與意識[4]（184-185）。由于擺脫了上課發言的束縛，學生的思維反而更加活躍，思路更加開闊。在實驗交流互動平臺上，學生不僅能夠分享實驗思路、實驗過程和實驗結果，還能提出問題或回答問題。通過與教師和其他同學分享實驗整過程，討論實驗過程中遇到的問題和困難，有助于更加透徹地理解實驗的原理和實驗過程。此外，在構建的實驗交流互動平臺上，學生還能查看實驗的評價和評分并參與其中，通過瀏覽查看詳細的評價內容和評分走勢圖，增加實驗的趣味性，大大提高學生的積極主動性。

三、基于“互聯網+”的開放式實驗實踐教學綜合平臺實施方案

（一）實施目標。

本實施方案從創建虛擬實驗教學平臺、建立云實驗平臺、構建實驗交流互動平臺和搭建開放式實驗實踐教學綜合平臺四個方面入手，以計算機輔助教學、移動媒體技術、虛擬化技術、VDI云桌面技術、基于關系圖譜的交流互動平臺搭建、負載均衡和隱私保護等技術理論研究為基礎，以開放式實驗實踐教學研究為主線，搭建出一個基于“互聯網+”的開放式實驗實踐教學綜合平臺。首先，創建虛擬實驗教學平臺，實現實驗課計算機輔助教學和網絡教學;其次，建立云實驗平臺，更好地宣傳展示實驗室、形成先進有效的實驗室管理系統和實現科研實驗室統一管理;再次構建實驗交流互動平臺，提高學生自主學習能力和增強協作創新意識，營造一個技術人員、管理人員、學生和教師實時在線交流的互動空間;最后，搭建一個開放式實驗實踐教學綜合平臺。通過對高校開展實驗實踐教學的現狀進行調研分析，發現實驗實踐教學模式現狀和依然存在的問題。結合學校的辦學特色和實際情況，通過互聯網、移動媒體、VDI云桌面等技術搭建一個基于“互聯網+”的開放式實驗實踐教學綜合平臺，形成開放式的實驗實踐教學模式，促進實驗實踐教學工作改革創新。

（二）實施思路。

本實施方案按照資料收集及調研、技術理論研究、系統設計和開發、綜合平臺的設計和開發四個階段依次展開，遵從的實施思路如圖1所示。

（三）關鍵技術。

本實施方案利用VDI（Virtual Desktop Infrastructure）云桌面技術創建虛擬實驗教學平臺、建立云實驗平臺和構建實驗交流互動平臺，最終搭建一個開放式實驗實踐教學綜合平臺。VDI云桌面技術作為開放式實驗實踐教學綜合平臺的關鍵技術，以靈活的用戶訪問、高效的桌面管理和安全可靠的數據保護等優勢，廣泛地應用于云桌面市場。VDI是一個桌面交付模型，通過將用戶數據、應用程序和操作系統等客戶端桌面工作負載托管在數據中心的服務器上并執行，用戶可以使用終端通過PCoIP、ICA和RDP等遠程協議進行訪問，讓大規模的虛擬桌面得以高度集中化管理[5]（189-191）。該架構通過桌面虛擬化技術將所有桌面虛擬機托管在服務器上，虛擬機在后臺服務器端生成后，再由虛擬機管理服務器向前端的客戶交付虛擬桌面;虛擬機跟每個用戶桌面形成一一對應關系，可以根據實際需求快速消減虛擬機的數量或生成新虛擬機;用戶可以通過傳統PC機或專用瘦客戶端等任何經授權的設備訪問虛擬桌面。將存儲和計算在服務器上完成，而用戶端只負責呈現個性化操作系統桌面，使桌面的靈活性得到強化。VDI云桌面模式通過將服務器后臺與任何經授權的設備連接，能實現高效的桌面管理，實現桌面的統一發布、集中更新和靈活、快捷的交付。由服務器端統一執行多媒體教室終端的桌面系統維護、升級和更新工作，終端用戶無需任何操作就能獲得最新的服務和應用。此外，用戶數據存在服務器端更加安全可靠，而且桌面系統能根據任課教師的需求進行個性化桌面系統定制。VDI架構如圖2所示。

（四）綜合平臺系統設計。

本實施方案以LabVIEW為開發環境設計一個基于“互聯網+”的開放式實驗實踐教學綜合平臺系統。LabVIEW可以用于數據存儲、分析、采集等操作，由于提供的接口眾多，因此可以與MATLAB、VB、DLL等多種軟件互相調用，在工業界、研究實驗室和學術界具有廣泛的接受度[6]（229-230）。綜合平臺系統的設計根據系統功能實現可以劃分為教學管理、實驗管理、交流互動管理和系統管理等四個模塊，其中，教學管理模塊包括理論知識、上傳內容、動畫教學、實時備課、布置實驗和更新講稿等模塊內容;實驗管理模塊包括接受任務、復習理論、領取資料、插件連接、實驗測試和上傳結果等模塊內容;交流互動模塊包括提出問題、回答問題、實驗討論、經驗分享、實驗評價和分支設置等模塊內容;系統管理模塊包括實驗管理、組織資源、評價管理、建立題庫、身份管理和測試評卷等模塊內容。除了實驗管理模塊中的模塊內容必須按照指定的流程執行以外，其余三個模塊中的模塊內容均可獨立操作，為實驗實踐教學創新和組織相應教學資源提供了自由靈活空間，更易形成個性化和創新性的實驗實踐教學模式。綜合平臺系統總設計如圖3所示。

此外，綜合平臺系統采用“動態載入子程序”設計，能將教學管理、實驗管理、交流互動管理和系統管理等作為子程序動態地載入系統中，其中，“動態載入子程序”設計可以應用于實驗管理子程序中，將一些比較有代表性的實驗作為子程序動態載入實驗管理子程序中，進一步增強系統的可擴展性和兼容性。整個系統程序采用While循環和事件結構相結合的方式進行系統程序設計，通過對程序內的插件、工具包、函數、控件等進行連線和屬性配置，在While循環內添加功能相關的控件，最終完成綜合平臺的程序設計和開發。綜合平臺系統功能流程圖如圖4所示。

四、結語

“互聯網+”背景下的開放式實驗實踐教學作為一種創新的教學模式，是培養具備綜合素質和創新能力人才的重要環節，承載了人才培養全新的歷史使命。本研究對傳統實驗實踐教學模式進行了改善和更新，促進了實驗實踐教學工作的改革創新，不僅解決了實驗實踐教學過程中的質量監控和過程管理缺失問題，豐富了實驗實踐教學資源，還增強了學生的協作創新意識，提高了自主學習能力，讓實驗實踐教學過程中的授課教師和學生都受益，實現了教學的智能化、人性化和科學化管理，推動了整個實驗實踐教學的轉型和高質量發展。此外，構建開放式實驗實踐教學綜合平臺是一項復雜的系統工程，只有不斷地實踐和探索，才能更好地完善開放式實驗實踐教學體系，為創新能力和綜合素質人才培養提供有力的支撐[2]（3-7）。

參考文獻：

[1]郭磊，闞歡，范方宇，劉云，張雪春.“互聯網+”時代下高校食品專業開放實驗室的改革與探索——以西南林業大學為例[J].安徽農業科學，2020，48（01）.

[2]白海，李紅波，劉兆劍.新工科背景下汽車專業開放式實驗教學模式的研究與實踐[J].教育觀察，2019，8（35）.

[3]趙新生，聶新明，韋露.高校青年實驗技術人員多層次、多元型培養體系的探索[J].高教學刊，2020（27）.

[4]范建林.互聯網+高校創新型實驗室建設的研究與探索[J].科教導刊（上旬刊），2016（01）.

[5]黃國富，王海.VDI云桌面技術在多媒體教室管理中的應用[J].電腦知識與技術，2018，14（02）.

[6]寧芬.基于LabVIEW的信號與系統虛擬實驗教學系統設計[J].南方農機，2018，49（04）.

課題來源：浙江工商大學研究生教育改革項目資助（YJG 2019226），浙江工商大學高等教育研究一般課題資助（4040 KU220129）。

通訊作者：趙? ?帥