面向“全面工程能力培养”的在线实验体系建设
—华东理工大学网络学院
一、项目背景
以培养应用型人才为目标的工科远程教育中，实验环节是重要组成部分；该环节的实施能加深学生对理论知识的理解，培养学生的实践技能，逐步形成解决实际工程问题的能力。该环节在全面工程能力培养教学中具备不可替代性。
但在远程教育的实施中，采用传统模式完成课程的实验教学受到很大的限制,究其原因在于：
近十年来，计算机、多媒体和互联网技术得到极大发展，催生了以远程教育为代表的在线学习，并在我国形成了跨越式的发展。本项目采用计算机技术，在互联网环境下创新性地进行在线实验的开发设计，并形成远程教育在线实验教学体系，从而解决远程教育工科专业实验开展难题。
二、项目做法
1.针对工科远程教育的在线实验的教学模式设计
本项目针对在线学习的特点，充分考虑虚拟实验、远程控制实验等在线实验类型的优缺点，根据实际环境和教学效果等多方面的影响，选择合适的实验教学形式，形成了虚拟实验和远程控制实验结合的在线实验模式。
截止2015年底，开发的在线实验项目涵盖了物理化学、化工原理、有机化学、大学物理、计算机网络、化工自动化仪表、化工工艺、机械原理等34门课程实验，涉及化学工程、电气工程与自动化、药学、计算机、机械设计制造及自动化和生物工程等6个专业。
我们在教学设计中，充分利用基于计算机技术实现的实验流程设计和实验过程评价，形成了5步实验导航和8步实验指导过程，凸现了以过程考核为特色的在线实验教学模式，主要特点如下：
（1）基于网络情景式教学的5步实验导航和8步实验指导
在实验教学设计中，本项目深入研究了网络情景式教学的特点，分析远程教育学生的思维与在线实验教学环境相互作用的结果。由于计算机可以记录学生的行为，为这种研究和分析提供了数据支持，比如在“DCS集散控制系统故障检测与排除实验”中，可以根据学生的实验路径分析不同类型学生的行为模式，在遇到不同情况的处理办法。最后形成了5步实验导航和8步实验指导。5步实验导航：
在实验过程导航设计中，体现了引领式教学思想，将实验指导、实验操作、数据处理、实验报告和实验评价等5部分内容按过程和深度逐步传授给实验者，以线性方式指导学生进行理论复习、真实与虚拟的仪器的比较，实验设备与场景熟悉。
5步实验导航示意图
在实验指导中进一步进行流程的分解，包括了实验目的、预习思考、仪器设备、实验原理、实验内容、实验步骤、数据处理、思考题等8个部分，通过导航式的学习方式让学习者在操作前对实验要求有真正的理解，以达到最佳的实验教学效果。
8步实验指导示意图
（2）基于在线过程考核的探究式学习模式
过程考核的结果为学生实验行为分析与指导的优化提供了数据支撑，我们根据这些数据，设计了智能化的实验方案，对各实验模块进行组合，为不同专业、不同学习水平学生提供了不同的实验方案和不同的实验指导。
以在线过程考核为基础，在实验操作环节，根据在线学习的特点，设计了探究式学习的方式，在仪器选取、药品选取、操作步骤等环节中，允许学生犯错、多次提交，通过这样的学习经历给学生留下较深的印象，实现了学习的探与究，学生的选择和操作都记录下来，作为实验操作的过程考核，提高实验评价的有效性。
2.工程能力培养在线实验资源的持续开发
在线实验建设的难点在于实验的网上实现、实验课程开发、学生实验过程开展。
本项目形成了4个方面实验建设关键技术：
（1）基于虚拟手段与远程控制手段可选的在线实验建设技术：
基于互联网实现的虚拟技术与远程控制技术为不同类型实验提供了可选的开发和呈现手段，使得在线实验建设可以有更多的可行的实现方法。虚拟实验适用于存在危险性的实验(如可燃气体爆炸极限测定实验)，而远程控制实验适用于操作性较强、需要贴近实际的机电类实验（如双容水箱实验）。
（2）5种在线实验课程的课件开发技术：
包括标准型虚拟实验、线性探究式学习型虚拟实验、基于模型驱动的虚拟实验、远程控制的在线实验、虚实结合的在线实验。
（3）在线实验标准化技术
定义了在线实验开发的标准化规范，并在实验流程、实验指导过程、实验报告、实验课件与平台的程序接口、远程控制实验与平台的数据交换接口等5个方面形成了开发的标准化技术和设计。这些流程和接口等方面的标准化技术，使得实验课件的开发具有良好的规范，平台也可以具有更好的扩展性。按照标准化要求开发的课件可以在不改变平台的基础上增加到平台中，提高了管理效率，同时也为实验课程共享建立了良好的基础。
（4）在线实验的运行和实施的技术：
在线实验平台通过Web形式，学生只需IE浏览器就可进行实验操作。从而可以直接在互联网上发布，实验平台具有良好的可扩展性，在线运行稳定，形成了成熟的在线开展实验教学模式，具有可推广的特点。目前已基于上述技术，完成远程控制实验装置9套，可完成实验66个；虚拟实验77套，可完成实验182个。
（5）发挥成员高校优势，开发工程类课程在线资源：
继续开发工程类课程在线资源，重点发展以工程实际为背景的实验课程，如华东理工大学的乙炔法生产工艺流程实验、化工安全实验、硝酸生产工艺流程实验，山东大学的柔性制造管理学实验、江南大学的无机及分析化学、食品微生物学及食品工艺实验等。这些实验的共同点是注重理论与工程实践、工程现场的结合。
高校在线实验建设情况
3.建设在线工程能力考核平台与资源
目前以华东理工大学牵头的行动计划高校开始第一期工程能力考核平台与4门相关学科考核资源的建设，该平台主要考核学生的在工程实践中的观察、分析、设计与动手能力。
该平台将应用于工程类专业在线教育学生考核，还应用于华东理工大学全日制学生实践能力考核。
4.积极开展对外合作，开展工程能力培养合作
英国开放大学与华东理工大学于在线工程实验的研究与应用方面有长期的合作关系。研究全面工程能力在线培养模式的eSTEeM项目“Online practical work for science and engineering students”就是华东理工大学与英国开放大学天文学系主任Nick Braithwaite教授和材料工程系主任Mark Endean共同完成。该项目全面评估了两校在线工程教育现状与发展趋势，高度评价了华东理工大学的在线工程实验教学模式，为两校工程能力培养教学合作奠定了基础。
三、项目成效
1.在远程教育中的大规模实践
从平台部署至今，华东理工大学将在线课程实验平台对远程教育学生开放，先后有21门课程94个实验上线，有3.5万多人次的学生完成了在线实验。
通过座谈会和问卷调查反馈，95%以上的学生对在线实验形式予以肯定。他们表示通过实验操作对一些理论知识加深了理解，对一些应掌握的实践技能加深了记忆，同时也进一步提高了对课程学习的兴趣。从课程考核结果分析，参加了实验操作后，学生在不同课程上平均成绩分别有5%至8%的提高。
2.互选共享实践
2012年，教育部批准“高等学校继续教育课程学分标准及质量内涵和学分转移制度与机制的研究及应用”项目，我校牵头承担其系列课题之一的“理工类课程（含实验）互选互认的研究与实践”，与大连理工大学、江南大学、山东大学、哈尔滨工业大学四所高校共同展开理工类含实验课程共享的研究与实践。
针对各校理工类含实验课程与学分结构上的差异，提出了基于知识点的课程分级体系；并将现有课程纳入该分级体系，建立了实用的理工类含实验课程共享标准架构。基于开放的中间件平台，在技术上实现了各校在线学习平台的对接，使各校在线学习学生可无缝访问外校实验课程。
完成了校际理工类含实验课程共享的实践，解决了各高校在教学节点不一致等方面的具体问题，建立了联合学生支持服务机制，较好地实现了跨校学生在实验课程教学上的支持服务工作。
目前进行了3学期的校际互选互认实践工作。第1学期实践工作中，共有225各校学生选修了大学物理、化工原理实验、电机与拖动等8门含实验课程。第2学期实践工作中，共有336名各校学生选修了11门含实验课程。
2013年10月，5所高校成立了“在线实验课程联盟”，探讨建立联盟在线实验平台、联合开展实验教学与竞赛等活动。
3.在全日制本科的应用
《物理化学》、《化工原理》等虚拟实验在华东理工大学化工学院全日制本科教学中得到使用，《仪器仪表》、《计算机网络》等远程控制与仿真实验在华东理工大学信息学院全日制本科教学得到使用。
一些校外教育单位和企业，如南京化工职业技术学院、宁波工程公司、吉林化工公司等，在教学或培训中也使用了华东理工大学开发的实验，并给予好评。
四、项目启示
全面工程教育是一个全新的教育概念。以培养应用型人才为目标的工程学科远程教育中，最为关键的就是工科实验实训的教学展开。
有效开展实验实训课程教学对在线继续工程教育取得成功至关重要，也是全日制本科学生实验教学的有益补充。探索在线环境下实施实验实训环节，已经成为教育技术、互联网通信和计算机技术等多个学科的重要研究方向。
华东理工大学通过多年潜心研究和探索，构建了由虚拟实验、远程控制实验相结合的在线教育实验体系，并成功地牵头开展了五所高校间的理工类含实验课程的共享的实践工作，对解决在线工程教育领域的实验难题，使实验教学能够 “虚实结合”地开展并实现优质实验资源的校际共享，进而提高教学质量，具有重要的理论价值和实践指导意义。
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