作為一名工科生，大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院學(xué)生施澤哲的生活中少不了做實(shí)驗(yàn)。不過，在學(xué)校讀書的這些年，他的一些實(shí)驗(yàn)卻是在宿舍完成的。
(資料圖片僅供參考)
具體實(shí)驗(yàn)流程并不復(fù)雜——找個(gè)自己的時(shí)間，打開電腦，在網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)找到一臺(tái)空閑的實(shí)驗(yàn)儀器，提交申請(qǐng)，通過后便可以在電腦上做實(shí)驗(yàn)了。
需要指出的是，此時(shí)施澤哲并不是在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行一場虛擬實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上，他在電腦上的每一步操作，都會(huì)被學(xué)校某個(gè)實(shí)驗(yàn)室里的實(shí)驗(yàn)設(shè)備忠實(shí)執(zhí)行，而實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的每一個(gè)數(shù)據(jù)，也會(huì)實(shí)時(shí)出現(xiàn)在施澤哲的電腦屏幕上。
在大連理工大學(xué)，這種實(shí)驗(yàn)方式被稱作“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
線上、線下優(yōu)點(diǎn)結(jié)合
在大連理工大學(xué)電工電子國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，《中國科學(xué)報(bào)》記者看到了那個(gè)連接著學(xué)生普通電腦的實(shí)驗(yàn)設(shè)備—— 一個(gè)其貌不揚(yáng)的“大箱子”。學(xué)生可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?ldquo;箱子”上手動(dòng)搭配各種實(shí)驗(yàn)組件，模擬不同的電路操作。在這個(gè)“箱子”內(nèi)部還隱藏著另一套操作設(shè)備，線上的學(xué)生可以通過這套設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的遠(yuǎn)程真實(shí)控制，并可遠(yuǎn)程獲得該儀器的各種真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
“在學(xué)校，可以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合操作的設(shè)備遠(yuǎn)不止這一種，大連理工大學(xué)是在國內(nèi)最早進(jìn)行相關(guān)探索的高校之一。”該示范中心主任王開宇說。
大連理工大學(xué)電工電子國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心獲批于2007年、驗(yàn)收于2012年，但該校在虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的探索卻有近20年歷史。
據(jù)大連理工大學(xué)教務(wù)處處長劉志軍介紹，2004年該校與美國麻省理工學(xué)院（MIT）達(dá)成合作，雙方實(shí)現(xiàn)了在課程以及某些教學(xué)資源上的共享。然而，課程資源可以共享，那些身處大洋彼岸的實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源又如何能為中國學(xué)生所用呢？
“當(dāng)時(shí)，正趕上MIT研發(fā)出一套可以遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)設(shè)備的系統(tǒng)。于是，學(xué)校電信學(xué)院的老師們發(fā)揮專業(yè)特長，與MIT共同開發(fā)了四個(gè)MIT-iLab實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生都可以在校園內(nèi)遠(yuǎn)程操作MIT實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備。”劉志軍說，在此過程中，大連理工大學(xué)的老師們逐漸意識(shí)到這套系統(tǒng)背后巨大的教學(xué)價(jià)值。
王開宇告訴《中國科學(xué)報(bào)》，在對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，單純的線下實(shí)驗(yàn)和線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)均具有一定局限性。例如，線下實(shí)操受時(shí)間、空間所限，學(xué)生能實(shí)際“上手”的機(jī)會(huì)并不多，效率難以提升；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)難以真實(shí)仿真現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，尤其是難以產(chǎn)生真正合乎實(shí)際的數(shù)據(jù)，這使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大打折扣。
相比之下，“虛實(shí)結(jié)合”的方式卻結(jié)合了線下與線上各自的優(yōu)點(diǎn)。這種方式一方面克服了時(shí)空局限，極大提升了設(shè)備的利用效率；另一方面，由于其獲得的均是實(shí)際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，真實(shí)性可以得到保證，而后者更加重要。
王開宇表示，實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須立足于真實(shí)。比如，在實(shí)驗(yàn)操作中，兩根導(dǎo)線是并排放在一起還是“搭”在一起，對(duì)于實(shí)驗(yàn)效果都會(huì)有影響，但這種差別在虛擬仿真中很難體現(xiàn)。一些數(shù)據(jù)更是很難通過虛擬計(jì)算獲得。而在虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)條件下，即便是在虛擬環(huán)境中，其所有數(shù)據(jù)也都是真實(shí)的，并且由于虛擬操作與實(shí)際操作一一對(duì)應(yīng)，可以還原最真實(shí)的實(shí)驗(yàn)步驟。
正是基于這樣的考慮，大連理工大學(xué)不但將MIT的這套系統(tǒng)引入校內(nèi)，還進(jìn)行了大量的本土化研發(fā)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了覆蓋校內(nèi)多個(gè)學(xué)科專業(yè)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)。“我們現(xiàn)在已經(jīng)建立了一個(gè)學(xué)習(xí)自主、管理自主、地點(diǎn)開放、時(shí)間開放、內(nèi)容開放的多自由度融合創(chuàng)新實(shí)踐教育新生態(tài)。”劉志軍說。
虛擬仿真要允許“犯錯(cuò)誤”
目前，大連理工大學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以概括為“1+M+N”。其中，1即虛擬仿真平臺(tái)的校園網(wǎng)出口端，由教務(wù)處統(tǒng)一規(guī)劃管理；M即學(xué)校接入互聯(lián)網(wǎng)的M個(gè)虛實(shí)結(jié)合或虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；N即面向全校內(nèi)外開放共享的N個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了理工科在線實(shí)驗(yàn)管理規(guī)范化、運(yùn)行順暢化、使用集約化和受益最大化。
就在這套仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)搭建日趨完善的時(shí)候，席卷全球的新冠疫情暴發(fā)了。
“當(dāng)初進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們沒有預(yù)料到這樣的突發(fā)情況。但從客觀上說，這套虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的確使疫情對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的影響降到了最低。”王開宇說，當(dāng)學(xué)生們回歸正常教學(xué)后，學(xué)生們需要補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)課“非常少”。
盡管如此，王開宇依然強(qiáng)調(diào)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“虛”與“實(shí)”之間，還是要秉持“以實(shí)為主、能實(shí)盡實(shí)”的原則，最大程度給予學(xué)生實(shí)際動(dòng)手的機(jī)會(huì)和空間。
“雖然‘虛’的意義有很多，比如數(shù)據(jù)共享、克服時(shí)空限制等，但終究是為提升學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力而存在的。其本質(zhì)依然是對(duì)學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練的一種補(bǔ)充，需要服務(wù)于課程本身。”在他看來，這也是虛擬仿真技術(shù)和數(shù)字技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中需要遵循的共同準(zhǔn)則。
在實(shí)際工作中，大連理工大學(xué)的實(shí)驗(yàn)老師們最看重的一個(gè)問題是——虛擬實(shí)驗(yàn)步驟能不能做到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)盡可能貼近？
“很多學(xué)校往往會(huì)把虛擬實(shí)驗(yàn)做成‘演示實(shí)驗(yàn)’，這種實(shí)驗(yàn)可以應(yīng)用于理論課，服務(wù)于老師的課程講授，但作為實(shí)驗(yàn)課顯然是不夠的，也不是我們的初衷。”受訪時(shí)，有教師直言，作為實(shí)驗(yàn)課，一定要允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中犯錯(cuò)誤，同時(shí)還能夠改正錯(cuò)誤，這是最重要的。
對(duì)此，施澤哲深有體會(huì)。
“我們不太喜歡純的虛擬仿真，就是因?yàn)樗硐牖恕?rdquo;他告訴《中國科學(xué)報(bào)》，他很不適應(yīng)一點(diǎn)兒誤差都沒有的感覺。“你在測量時(shí)即便方法有誤，或者實(shí)驗(yàn)本身有一些bug（缺陷），大部分仿真系統(tǒng)也看不出來。在這種環(huán)境下做實(shí)驗(yàn)的意義有多大呢？”
在校園和企業(yè)、科教平臺(tái)之間架起一座橋
經(jīng)過多年的發(fā)展，大連理工大學(xué)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)走出校園，在國內(nèi)多所高校得到應(yīng)用。
“既有省內(nèi)高校，也有遠(yuǎn)在千里之外的省外高校。”據(jù)王開宇介紹，通過這套系統(tǒng)，其他高校的師生可以遠(yuǎn)程使用大連理工大學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)信息，一些學(xué)校甚至以此為基礎(chǔ)，針對(duì)本校學(xué)生開設(shè)了實(shí)踐選修課程或必修課程。
然而，這并不是這套系統(tǒng)的“最終形態(tài)”。
比如，劉志軍就一直在思考，如何將這套系統(tǒng)與企業(yè)結(jié)合，為產(chǎn)教融合、科教融合提供一個(gè)新的解決方案。
“一個(gè)不容忽視的事實(shí)是，隨著高校學(xué)生規(guī)模的擴(kuò)大以及企業(yè)智能生產(chǎn)和自動(dòng)化程度的提升，很多學(xué)生的企業(yè)實(shí)習(xí)已經(jīng)變成了‘走馬觀花’，學(xué)生很難親自操作各種先進(jìn)設(shè)備。”他說，如果可以運(yùn)用數(shù)字技術(shù)，將工廠設(shè)備的真實(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提供給學(xué)生，甚至允許學(xué)生遠(yuǎn)程操控某些處于空閑狀態(tài)的設(shè)備，無疑將大大提升學(xué)生的實(shí)習(xí)參與感，以及實(shí)踐研究能力。
據(jù)記者了解，目前已經(jīng)有高校、科研院所與一線的生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享傳輸，但在學(xué)生培養(yǎng)，特別是本科生培養(yǎng)上，還鮮有這樣的嘗試。
劉志軍表示，在傳統(tǒng)觀念中，培養(yǎng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的目的是要提升其動(dòng)手操作能力，但現(xiàn)階段這一觀念需要有所轉(zhuǎn)變——提升動(dòng)手能力固然重要，但同時(shí)也要提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)驗(yàn)研究能力，畢竟隨著技術(shù)進(jìn)步和自動(dòng)化程度的提升，即便是在實(shí)際工廠中，真正需要工人動(dòng)手“擰閥門、調(diào)設(shè)備”的工作也越來越少。
在他看來，在數(shù)字化背景下，即便是一線工人，對(duì)于其利用實(shí)際數(shù)據(jù)分析問題、解決問題的能力要求也越來越高，這反向倒逼高校的實(shí)踐教學(xué)要更加貼近真實(shí)數(shù)據(jù)和真實(shí)的工程設(shè)備。相對(duì)于體驗(yàn)真實(shí)的生產(chǎn)場景，利用真實(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和裝備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行研究和分析更加重要。學(xué)校應(yīng)更重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究能力和素質(zhì)的提升，但這顯然不是單靠學(xué)校自身的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)的。
“從這個(gè)角度說，產(chǎn)教融合、科教融合協(xié)同育人的重要性日益凸顯，但如何在校園和企業(yè)、科教平臺(tái)之間架起一座橋梁更值得思考。這種虛實(shí)結(jié)合、遠(yuǎn)程操控的方式也許就是解決工科在線實(shí)驗(yàn)問題的一條不錯(cuò)的道路。”劉志軍說。
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