开放互动式实验教学在创新能力培养中的应用

2013-08-15杨立功王晓华

实验技术与管理 2013年8期

杨立功，王晓华

（1.北京工商大学人事处，北京 100048；2.北京工商大学国有资产管理处，北京 100048）

开放式教学的基本特征是充分利用现代教育技术和多种教学方法、手段，营造良好的以学生为中心的教学环境，并从理念和实践中解除和突破种种对自主学习的限制和障碍，它具有开放性、选择性、不确定性和高科技性等特点［1］。互动式教学是以教师为主导，以学生为主体的多边教学活动，它具有双向合作性、情感交融性、教师主导性和学生主体性等特点［2］。所谓创新有2层含义：一是指前所未有的创造发明；二是将别人的发明创造拿过来加以变化或组合，引入到新的领域产生新的效益。创新能力是指将创新意识、创新思维迸发出来的理想、精神、愿望转化为有价值的、前所未有的精神产品或物质产品的实践能力，是最具有价值的一种能力。卓越的创新能力不仅表现为对知识的吸收、消化和运用，更重要的是一种追求创新、发现问题、积极改革的意识，是一种关于把握机会的敏锐性，以及一种积极改变自己并改变环境的能力，创新力是人格特征和精神状态以及综合素质的体现［3］。

实验课程是以培养和提高技能水平为教学目标的实践性教学活动，其显著特点是理论紧密结合实践，这与教育建构主义学习理论具有天然的相融性，因此，这是以建构主义为主要理论基础研究实验教学模式的主要依据。通过多年实验教学实践，我们总结出一套以教育建构主义理论为基础，以信息化实验空间为学习环境，以开放互动式教学活动为过程，以创新能力的培养为终极目标的实验教学模式，并把其融入到了仿真技术基础实验室的建设和使用过程中。该实验室在培养学生创新思维和创新能力，提供必要的技术支持、情境创设和运行机制，培养学生高级思维和心智技能、衍生创新能力等方面提供了有力的支撑和保障。

1 开放式实验教学环境的构建

教育建构主义学习理论强调整体学习环境的建构、理论与实践的协调［4－5］。计算机和网络技术的发展拓展了更广阔的实验空间，使实验教学环境由物理场所向情境氛围、由实物空间向虚拟空间不断地扩展。教学设计者的主要任务就是以建构主义理论为基础，为学生设计学习环境，学习者在学习环境的框架内完成知识和技能的意义建构［6］。因此，改革传统的实验技能学习模式，构建计算机和网络条件下创新实验学习模式的关键，是设计和构建与计算机和网络技术相匹配的实验教学环境。在建设仿真技术基础实验室及使用过程中，本着有所为、有所不为的原则，我们探索并构建出一个简单易行的实验室信息化建设模式：信息化实验场。通过使用实践，我们认为该模式易于实现、符合实际、切实可行，有助于学生创新能力的提升。

1.1 信息化实验场

实验室信息化主要在于各类教学实践活动普遍采用现代信息技术，从而充分、高效地开发利用信息资源、提高实验教学效率，有力地推动实验室现代化建设向可持续方向发展。显然，信息化是使实验室结构的重心从物理空间向信息空间转移的过程［7－9］。我们将“信息化实验场”定义为：以实验室物理空间和设备为基础，以计算机网络和现代通信技术为支撑，以实验资源、知识资源、技能资源共享为手段，以培养创新能力为目标的现代化实验教学空间。

1.2 信息化实验场的结构模型

信息化实验场是一个嵌套式的立体空间，由内向外分别包括物理空间、虚拟空间和网络空间。

（1）物理空间。包括实验室物理场所及内部的各种设备、仪器、计算机及其他现代化教学设备在内的所有物理形态的教学设备，是实验室空间最里层的硬件环境支撑，是现代实验教学的载体，是虚拟实验、网络实验的基础。在仿真技术基础实验室中，我们配备了6台人在回路的装备仿真模拟器和40余台简易操纵台式模拟器。

（2）虚拟空间。是以虚拟现实、人工智能、仿真技术为支撑的虚拟实验空间，通过与计算机网络相结合，使信息化的数字资源得到更为有效的利用，创造出一个智能化的教学系统和教学环境。该空间是依靠具体的教学媒体创新来实现的，具有模拟性、互动性等特点。在这个环境中，学习者可以在一个模拟实验环境和实验仪器设备的数据结构中，身临其境地模拟练习或学习知识技能，模拟真实的实验过程，达到学习实验方法、培养实验技能、深化理解知识的目的。由于人在回路的装备仿真模拟器造价昂贵，难以大量配发，况且每个模拟器只能对一种型号的装备进行仿真。在仿真技术基础实验室中，我们一方面在对模型进行适当简化的基础上，利用模型组件技术开发了国内外多种型号的装备仿真模型库，另一方面也开发了不同作战地域的战场环境模型。在这个虚拟空间内，学生可以根据想定，通过不同装备模型和不同战场环境模型，设计不同的实验组合，完成相应的实验目的，大大提高了学生的实验创新能力。

（3）网络空间。以计算机技术、网络通信技术为支撑，由局域网、专用网和广域网互联组成的有形实验空间和无限信息资源，是一个网络化的实验教学平台。这里的有形实验空间是组成网络的拓扑结构，而无限信息资源是指网络实验室和网上的各类信息。它将实验教学过程、实验教学管理、实验教学服务、科学实验等系统连接起来，实现这些系统之间的资源共享、信息交换和信息服务［10］。学习者可以在网络任一终端上自主地学习知识、练习技能，从而形成同一地区乃至全国实验室教学、科研资源的共享和交互，为实验室的教学和科研提供网络协同实验平台或联合实验研究中心［11］。我们的仿真技术基础实验室为了弥补模拟器数量上的不足，通过千兆光纤与学校其他装备仿真实验室进行了互联互通。在联网实验模式下，我们的分队战术仿真最高可做至营级规模，约60余台人在回路模拟器参与作战仿真实验。实验节点数的增加，使得诸如装备作战与保障仿真实验、战损仿真实验、射击仿真实验等实验可行性大为提高，学生可以更加自主地进行实验设计，实验结果的可信性也大为增加，同时，实验结果获得的数据也为学生参与的科研项目提供了有力的数据支撑。

2 互动式教学活动的设计

信息化实验场是以学生为主体的学习环境，具有生成性和形成性的特点。要构建好的学习环境框架，还需植入以学为主的教学活动程序设计，以支持开放互动的教与学活动。

2.1 互动在学习活动中的内涵

教育建构主义理论认为，任何知识和技能的建构都包括着某种类型的互动，学习者学习和发展的动力来源于学习者与环境的互动作用，学习者认知机能的发展、情感态度的变化都应归于这种互动作用［12－13］。因此，在信息化实验场的开放式学习环境下，互动作用必须作为学习活动设计的核心内容。这种互动主要体现在：

（1）人与人之间的互动。这种互动包含2方面的含义：一方面是教师与学生之间的互动，包括激发学生学习实验的兴趣，帮助学生形成学习实验的动机，以及提供知识和导航，帮助学生建构当前所学技能、知识的意义；另一方面是学生与学生之间的互动，包括协作学习和讨论交流，通过会话、演示、协商完成实验任务的群体互动，以及选拔优秀专业学生带实验课等形式。在我们的仿真技术基础实验课上没有标准答案，教师的重点是启发学生如何根据所研究的问题进行实验设计以及对实验结果进行分析，因此，教师与学生之间、学生与学生之间的互动也是我们实验教学中最为重要的一环。通过教师与其他学生对某一学生实验设计及实验结果的分析评价，不仅可以帮助学生进一步思考实验本身是否有可改进之处，更为重要的是让学生由被动学习变为了主动学习，大大提高了学生的实验兴趣和创新能力。

（2）人与环境之间的互动。在这种互动中同样包含2个方面的含义：一方面是人与机器之间的互动，包括人机对话、虚拟现实、仿真练习、使用计算机处理实验数据等与计算机及其他物理设备打交道的实验实践活动；另一方面是人与网络之间的互动，包括虚拟社区、BBS、聊天等以网络技术为硬件设备的互动学习活动，这是一种超越时空的互动学习。为适应信息化实验空间内超越时空、超越情感的互动，应增加互动的类型和维度。由于具备如前所述的物理空间、虚拟空间和网络空间模型，在我们的仿真技术基础实验室中，人与环境之间的互动变得相对容易，参与实验的学生在每次实验中均可以身临其境地参与到实验过程中。

2.2 学生“任教”

为了进一步激发信息实验场环境下的学习互动，自2006年开始，我们结合“仿真技术课程设计”的教学，选拔优秀学生进行“任教”尝试，并在学习活动中设计了人与人、人与学习环境的多层次互动环节。其中在师生互动层面上，教师与学生的互动明显减少，主要体现在对建模理论和仿真理论的描述和对学习媒体、学习资料使用的提示上。师生互动约占整个仿真技术课程设计的20%，而任课学生与听课学生之间的互动则提高到了60%以上，也就是说，课程实践部分基本上是由“任教”学生与听课学生共同完成的。还有20%的互动发生在教师与“任教”学生之间，主要是协商解决实验进程中的难点问题。由于增加了多层次的互动，极大地激发了学生在课程中对小发明、小革新的兴趣，而由此迸发的思想火花，也更有效地激励了学生实验技能的提高。

虽然学生“任教”模式还有待进一步分析和研究，但教学实践已经说明，实验教学过程中多方互动地交流，可以有效地促进学生知识、技能、情感的发展，可以使学生在自我与相互评价的氛围里，将兴趣升华为强烈的求知欲，促进自主学习和创新意识的良性发展，提高学生动手实验、工程实践和科学研究的能力，从而将创新思维和创新意识内化为深刻的创新能力。