网络远程教育工科课程的实验教学

［摘 要］文章分析了网络远程教育中工科课程实验教学存在的主要问题,并针对存在的问题以“数控机床技术”课程实验教学为例提出了实现网络远程教育工科实验教学的几种实验环境：模拟交互实验环境、虚拟仿真实验环境、实时远程实验环境、真实实验环境.

［关 键 词］网络远程教育工科实验教学实时远程实验

［作者简介］冉利龙（1976-）,男,四川德阳人,西南科技大学网络教育学院,讲师,硕士,研究方向为远程教育、教育技术；蔡勇（1962-）,男,四川江油人,西南科技大学制造与科学工程学院,教授,博士,研究方向为反求工程、数控技术、计算机仿真.（四川绵阳621010）

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］1004-3985（2012）17-0158-02

目前,在普通高等教育中,课程实验教学开展比较好,学生的动手能力得到了锻炼.但是,在我国高等教育中占有相当比重的网络远程教育,其实验教学却非常薄弱,尽管实验教学得到各试点高校网络教育学院和各级电大的重视,网络远程实验教学仍然发展缓慢,工科课程实验教学尤其令人担忧,工科学生实践能力培养缺失严重,很大程度上阻碍了工科网络远程教育专业的发展.

一、网络远程教育工科课程实验教学存在的问题

1.实验设备缺乏或不足,影响实验教学的开展.多数网络远程教育学习中心的实验课程是借助其他学校或单位的实验室进行教学,在时间和空间上受到该学校或单位的约束,导致应做实验时学生无实验可做,只能做超前性或延迟性的实验.网络远程教育学习中心周边教学条件参差不齐,部分学习中心附近无可借助的实验室,学生可能做不了实验,或者需去较远的地方做实验,增加了学生负担.由于工科实验教学设备相对较高,设备和设施的数量和实验场地的空间有限,无论是远程教育试点高校还是远程学习中心,其实验教学设备主要为学校全日制学生提供教学怎么写作,很难再为网络远程教育学生提供保质保量的教学怎么写作,导致很多课程实验无法开展,大多只能采用实验录像视音频讲解的方式来代替.而参考国外一些开放大学的经验,在各学习中心购建实验教学设备和设施,由于建设成本太高不被试点高校采纳.因此,网络远程教育中工科专业课程的实验教学偏少,导致理论知识与实践的脱节,限制了工科网络远程教育的发展.

2.实验模式和实验内容陈旧,缺少创造性的思维和远程教育特点.当今社会越来越重视人的专业技能、现代技术应用、创新能力等方面的能力.由于实验设备设施的缺乏,大部分远程教育试点院校仍然使用传统实验教学方法对学生进行远程实验教学,实验内容大多数仍然按照学校普通本专科教育的实验实习内容进行设计,实验过程、实验仪器都由教师安排,学生做实验按指导书或教师规定的实验操作步骤亦步亦趋地进行,实验内容的设计较少考虑到远程教育的教学特点和学生实际的需求.实验没有与成人学生的工作实际结合起来,学生不知道为什么这样做,甚至也不知道操作结果说明了什么,缺少学习的主动性.这类实验教学不能充分发挥学生的主体作用,极大地限制了学生创新能力培养的空间,实验教学的作用没有充分发挥出来,不利于学生学习和巩固所学的理论知识,也压制了学生通过实验提高专业技能和现代技术应用等能力的意识和积极性.

3.远程学生和远程学习的特点不利于实验教学的开展.根据我们以前对远程学生学习的调研,96%的学生在20～35岁之间,他们基本属于在职人员,平时工作比较忙,学习时间本来就比较有限,另外需要抽出专门的时间集中起来并到不同地方参加实验教学,从客观的角度来说比较困难.远程学生的学习模式是指任何人、任何时间、任何地点、学习任何内容的学习,每个学生的学习进度、学习时间也不统一,很多学生即使参加了实验教学,也可能不知道如何做实验,或者不明白为什么做实验.由于远程学生的自身特点和远程学习的特点,导致实地的实验教学开展比较困难.

上述种种问题产生的原因,主要是网络远程教育的现代化教学方式和传统的实验教学方式的矛盾,具体体现在：学生分散而且远离物理性实验装置和手工操作实验装置的矛盾；传统实验教学与网络远程教育实验教学要求差异的矛盾；学生远程学习模式和传统实验教学模式之间的矛盾.随着科学技术的发展,特别是以计算机和网络技术为核心的信息技术的出现,为解决这些矛盾提供了有利条件.

二、网络远程教育工科课程实验教学的实现环境

课程实验教学所面临的困难是工科网络远程教育发展的最大障碍.要解决这一问题,就必须要解决现代化教学方式和传统的实验教学方式的矛盾.经过多年的实践和探索,国内外多数网络远程教育机构都倾向于采用多种实验环境结合的方式开展课程实验教学.西南科技大学网络教育学院的一部分网络远程教育工科课程实验教学采用了网络实验教学为主,传统实验教学为辅的教学方式,建立了包括模拟交互实验、虚拟仿真实验、实时网络远程实验相互衔接的系统性远程实验系统,再辅之以传统教学实验作为必要的补充.这四种实验环境的设计由简到繁、操作由易到难、内容由虚到实、成本由低到高,四种实验环境相互联系、互为补充,构成了可操作性强的网络远程教育工科课程实验体系.在制订教学计划过程中,教学实施和课程建设人员将综合考量课程实验重要性、教学效果、建设成本等方面因素,然后选择适当的某一实验环境或几种实验环境相结合开展实验,以获得最佳的实验教学效果.下面以“数控机床技术”课程实验教学为例介绍几种实验环境.

1.模拟交互实验环境.随着计算机多媒体技术和网络技术的快速发展,多媒体课件的交互性功能越来越强,多媒体课件所能展示和包含的媒体类型也越来越多,图片、图形、音视频、代码等都能在多媒体课件中很流畅地运行.良好的交互性功能不仅使课件的教学策略实现更便捷,而且使课件的适用范围更广、用户界面更人性化、操作更便捷.网络传输速度和质量的快速发展,使交互课件在网络远程教育的应用逐渐普及.在模拟交互实验环境中,学生操作或驱动的不是真实的实验设备,而是模拟的实验设备.学生通过与课件的交互实现对模拟实验设备的驱动或操作,从而完成相应的实验学习.例如,在该实验环境中学生输入相应的参数,然后选择动作,模拟设备即开始进行操作,学生通过系列的操作和观察能够理解模拟设备工作的原理,从而达到实验教学的目的.模拟交互实验不仅具有建设成本相对较低、设计简单、操作简捷、重复性等优点,而且符合网络远程教育的特点和要求.这类实验教学能使学生对实验有较为清晰的认识,促进学生对知识的掌握,是目前工科网络教育课程实验中的常见方法之一.当然,模拟实验环境无法代替真实实验环境,虽然其模拟了真实实验的主要元素,但毕竟缺少了与实物直接接触的感觉,无法直接锻炼和提高学生的动手能力,因此该实验环境主要用于验证原理理论方面的实验教学.2.虚拟仿真实验环境.随着计算机技术的飞速发展,计算机技术被逐步应用在机械加工领域,如数控加工机床等.由于数控机床设备昂贵,并不是所有的学生都有机会接触设备进行实验.利用虚拟样机技术这种新的工程技术在数控加工虚拟仿真上的应用,可以虚拟数控机床加工,让学生通过虚拟实验进行学习,达到实验教学的目的.虚拟仿真实验是利用虚拟样机技术代表软件ADAMS（机械系统动力学自动分析,AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems）这个仿真平台,完成数控机床的主要零部件的建模,根据理论知识施加各个运动部件之间的约束关系和驱动参数,进行初步的运动仿真,观察各个部件之间的运动关系,再根据需要的加工路线,通过对数控机床的虚拟样机各个运动主轴施加驱动函数,观察机床是否按照设计的路线进行加工,观察刀具留下的轨迹.通过虚拟样机仿真加工,替代实验教学中的认识实验,让学生体验加工的过程,有助于学生对数控机床的认识和学习,进而提高学生的学习效率和效果.同时,学生还可以模拟更多的机床加工操作和设计,有助于充分发挥学生的想象力和创造力.该实验环境要求学生能操作ADAMS基本功能,对部分学生来说有一定的难度,不适合所有学生操作和使用.为了能让所有学生能够理解数控机床的工作原理,还可以将虚拟样机仿真操作过程录制下来,制作成虚拟样机仿真演示,方便学生对虚拟样机仿真实验各内容的观察和学习.

3.实时远程实验环境.近年来,随着网络远程教育的发展,实时远程实验环境已成为国内外学者研发的热点.实时远程实验环境的构建思想如下：学生通过互联网连接远程的音视频,分批次或按排序操作实验组态界面进行实验.学生可参考教师制定的实验方案,也可以自行设计实验方案,通过网络操作远程实验室设备进行实验,并通过网络接收教师的指导,最后由实验系统或指导教师对实验给予评价.实时远程实验环境的软件部分主要由远程实验平台和远程实验管理系统组成.远程实验平台主要是为学生显示和提供实验操作环境,学生可在此平台中观察到远程实地试验的情况,通过在平台中编写代码或操作命令控制远程的数控机床进行实验.远程实验管理系统主要是实现实验的安排、师生之间、学生之间的交互、成绩的评定等功能.例如,由于机床设备台数有限,需要实验管理系统进行排序和分步,学生按照请求的先后顺序进行实验；学生和教师可以通过实验管理系统中相应的功能,实现语音和文字的交互,教师可以实时地指导学生的实验等.在实时远程实验环境中,学生在分布式的时间、分离式的空间内,在有限的设备设施条件下实现了实验学习.通过远程实时实验,使学生获得了实验方面的知识和技能,提高了动手能力.该数控远程实验环境的突出特点主要体现在以下两个方面：（1）真实、生动、直观.数控系统是多个学科交叉的学科,网络远程学生如果仅学习理论知识,而没有实验实践的学习,对课程内容掌握比较困难.通过远程网络控制技术,学生可以控制和操作远程真实的数控机床,并将数控机床加工的轨迹和过程完整地通过视频同步展现在操作者面前,令其印象深刻、易懂.同时,由于系统可以防止各类误操作,所以学生可以自由地对数控机床进行操作实验,不用担心实验中出现差错和失误,也有利于发挥学生主动性,培养学生的自主创新能力.（2）时间随意,资源共享.实时远程实验能够在一定程度上解决传统实验教学中存在的学生分散而且远离物理性实验装置和手工操作实验装置的矛盾,以及学生数量多和用于教学的数控机床少的矛盾.现在,学生利用远程网络数控平台,几乎可以做到在有电脑和网络的地方就可以做实验,只要设备没有被占用,就可以随时随地地做实验,充分体现了网络远程教育的教学特点.

4.真实实验环境.在以后的网络远程教育教学中,网络实验教学系统并不能完全替代传统实验教学,虽然前者有诸多优点,但相对真实实验在实验结果的可信度、实验条件的可控性等还有一定的差距.对于一些只有在真实实验环境里操作才能达到目的的实验,则必须进行传统的实验教学,必要的传统实验教学能够有效地弥补网络实验的不足.目前,国外开放大学并未减少在传统实验教学下的实验课程,国内部分试点高校开设工科专业招生的远程学习中心具有相应的设备和设施条件,可进行相应课程的实验教学活动.学习中心不具备条件的,则由学习中心组织学生租借其他单位或学校的实验室完成一些课程必需的实验内容,这也是网络远程教学中课程实验教学常见的做法.远程实验教学系统与传统实验教学的有机结合,构建了虚实结合的立体化网络远程教育实验教学体系.

四种课程实验环境在教学效果、技术要求、建设成本上各有优势和不足.模拟交互实验环境成本和技术要求较低,但该实验环境只能给学生抽象的认识,使学生了解一些基本的原理；虚拟仿真实验成本投入较低,而技术上有一定要求,但该实验环境能给学生再现实验设备,学生能够获取强烈的感官冲击,并可直接参与和探索仿真对象在所处环境中的变化并获取相应的数据信息,产生沉浸感,从而产生学习兴趣,有助于学生的学习；远程实时实验环境成本和技术要求较高,该实验环境给学生提供了真实的实验环境,学生在教师指导下真实地操作远程的设备进行实验,具有较好的实验效果；真实实验环境则有着网络实验教学系统并不能完全替代的优点.

在远程实时实验环境中,学生在没有一定实验基础知识的条件下进行实验操作,成本浪费会很大,学习效果也并不好.因此,学生应该循序渐进地进行实验学习,先进行模拟实验或虚拟仿真实验学习,有一些实验基础知识,然后再进行远程实时实验的学习,才会有最佳的学习效果.以上四种实验环境有机结合,构建了具有系统性、科学性的远程实验教学系统.当然,并不需要所有课程都建设四种实验环境,应根据课程特点和需求进行分类,建设不同层次的远程实验教学系统.在此应强调的是,目前工科课程远程实验教学应综合考虑课程的重要性、试验设备情况、制作开发成本、课程性质等方面,为课程设计制作相应的实验环境.网络远程教育机构的主管部门如果能够将各试点高校的工科远程实验系统进行统一的协调管理,实现各高校优势课程远程实验系统的共建和共享,从而形成全国范围内统一的共享远程实验系统,将有利于网络远程教育实验教学的发展和教学质量的提高.

远程实验教学是网络远程教育中非常薄弱的一个环节,它严重阻碍了网络远程教育中工科专业的发展.远程实验教学系统的建设和教学的良好开展将为网络远程教育的发展开拓更广阔的领域和发展空间,对减少不必要的重复投入,实现实验设备和设施资源的充分利用以及教育资源的共建共享具有重要而深远的意义.

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