略論數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

閆　芳

摘要 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、多媒體技術(shù)等信息加工處理與傳播技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。從概念、建設(shè)理念、設(shè)計(jì)原則、涵蓋功能模塊以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的研究做一個(gè)簡(jiǎn)單的綜述。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室；虛擬實(shí)驗(yàn)室；學(xué)習(xí)方式

中圖分類號(hào)：G482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-489X（2009）04-0109-02

Simple Review of E-lab Construction//Yan Fang

Abstract E-lab is the combine of traditional lab with information processing and communication technologies, such as modern computer technology, network communications technology, multimedia technology. Do a simple overview of the studies on the numerical laboratory from the concept, the concept of construction, design principles, function modules covering areas and technology.

Key words E-lab；virtual laboratory；way of learning

Authors address Educational College of Henan University, Kaifeng, Henan475004

信息社會(huì)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)人才的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力以及協(xié)作溝通能力等，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更應(yīng)該在“做”中培養(yǎng)學(xué)生的這些能力。然而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)已不能在激發(fā)學(xué)生思維和指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐方面提供完全的支持，學(xué)生越來(lái)越需要一種開(kāi)放的、綜合的、更加靈活和有創(chuàng)造力的實(shí)驗(yàn)來(lái)培養(yǎng)思維。隨著學(xué)生人數(shù)和儀器的增加，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的手工管理方式也使原有的儀器資源不能完全實(shí)現(xiàn)價(jià)值。另外，諸如遠(yuǎn)程教育等網(wǎng)絡(luò)課堂以它的隨時(shí)、自主的學(xué)習(xí)形式擴(kuò)大了教育的規(guī)模，為教育的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)會(huì)，但是這非面對(duì)面的學(xué)習(xí)也限制了學(xué)生親自參與實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

教學(xué)和實(shí)驗(yàn)是相輔相成的，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的教學(xué)是空洞的、難于理解的。所以，高校迫切需要尋求一種可以方便、高效地促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的理念、方法和工具。2005年5月，教育部發(fā)布《教育部關(guān)于開(kāi)展高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)和評(píng)審工作的通知》，指出為推動(dòng)高等學(xué)校加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，加快實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)資源整合和共享，提升辦學(xué)水平和教育質(zhì)量，決定在高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的基礎(chǔ)上，評(píng)審建立一批國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。

1 什么是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，有著不同的稱謂，例如e-lab、digital lab、virtual lab、miscomputer-based lab、digitized lab、數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室等。目前國(guó)內(nèi)較為統(tǒng)一的說(shuō)法是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室e-lab，作為數(shù)字化校園e-campues的一部分。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)等相關(guān)的信息加工處理傳播技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中的各種實(shí)驗(yàn)資源數(shù)字化，并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的、綜合性的、開(kāi)放型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)室在時(shí)間和空間上得到延伸。從學(xué)生來(lái)看，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室更是一個(gè)以學(xué)生為中心的、開(kāi)放性的、人性化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)支持服務(wù)系統(tǒng)；從教師來(lái)看，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室是集實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放教學(xué)管理為一體的管理系統(tǒng)[1]。

從這個(gè)概念可以看出，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室并不僅僅指學(xué)生用來(lái)做實(shí)驗(yàn)的這個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)部分，而是一種新的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)境，包含相應(yīng)的人財(cái)物等以及一種新的理念和文化。

2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)理念與設(shè)計(jì)原則

2.1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)理念數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室是數(shù)字化校園的一部分。數(shù)字化校園是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的信息化手段和工具——計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)、科研、管理和生活服務(wù)有關(guān)的所有信息資源進(jìn)行全面的數(shù)字化；并用科學(xué)規(guī)范的管理對(duì)這些信息資源進(jìn)行整合和集成，以構(gòu)成統(tǒng)一的用戶管理、資源管理以及權(quán)限控制。那么，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室就要實(shí)現(xiàn)教學(xué)、科研和管理所有資源的全部信息化以及整合與集成的功能。具體來(lái)說(shuō)就是在開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，為實(shí)驗(yàn)的教與學(xué)提供最優(yōu)化的教學(xué)資源，為教師提供簡(jiǎn)便有效的實(shí)驗(yàn)室管理、教學(xué)方案與方法，為學(xué)生提供虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與資源，使學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中利用最少的時(shí)間，掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作技能，并在此基礎(chǔ)上能進(jìn)行一些力所能及的創(chuàng)造性、開(kāi)發(fā)性的實(shí)驗(yàn)研究。

如果從不同的側(cè)重點(diǎn)和角度出發(fā)，也會(huì)有不同的較為具體的理念，例如從遠(yuǎn)程教育角度來(lái)說(shuō)，就要側(cè)重實(shí)驗(yàn)的虛擬；從實(shí)驗(yàn)室管理來(lái)說(shuō)，就要側(cè)重人性化和高效的管理系統(tǒng)；從科研的角度來(lái)說(shuō)，就要設(shè)計(jì)利于學(xué)生和教師交流的平臺(tái)和開(kāi)放綜合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有的是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，有的是綜合實(shí)驗(yàn)室，有的是開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。不同的學(xué)校也有不同時(shí)期的側(cè)重點(diǎn)，但這些都是在數(shù)字化校園總的指導(dǎo)思想下進(jìn)行的。

2.2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)原則數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)原則是其建設(shè)的保障，是它的建設(shè)理念的具體化和體現(xiàn)，也是它應(yīng)該具有的特征。

總的來(lái)說(shuō)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該具有3個(gè)特征：開(kāi)放性、人性化和過(guò)程化。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放不僅是時(shí)間和空間上的開(kāi)放，更為重要的是教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式的開(kāi)放。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教與學(xué)的過(guò)程中，學(xué)生面對(duì)的學(xué)習(xí)資源應(yīng)該是人性化的，整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心應(yīng)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的支持服務(wù)系統(tǒng)。另外，它的管理是全方位的面向過(guò)程的，是動(dòng)態(tài)的不是靜止的，其中既有從學(xué)校到教務(wù)處直至院系的縱向管理，也有各實(shí)驗(yàn)室之間的橫向溝通[1]。

3 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的功能模塊與實(shí)現(xiàn)技術(shù)

3.1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的功能模塊數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室需要實(shí)現(xiàn)3種功能：實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研和實(shí)驗(yàn)的相關(guān)管理。它所包含的功能模塊也應(yīng)圍繞這3個(gè)功能來(lái)設(shè)立。但是不同的分類和整合，形成的功能模塊也是不一樣的，不僅具有層次性，還有在同一層次上的不同。

宏觀層次上，南京師大李藝先生認(rèn)為其功能模塊應(yīng)該包括教師教學(xué)管理、學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源模塊[1]。長(zhǎng)安大學(xué)龍玲認(rèn)為，基于數(shù)字化校園總體框架的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室應(yīng)由實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)教師授課系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)和檢測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)組成[2]。

微觀層次上，由于各個(gè)學(xué)校側(cè)重點(diǎn)和建設(shè)階段的不同，具體的模塊也各不相同，清華大學(xué)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程支持、實(shí)驗(yàn)資源支持、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理及展示支持3大功能模塊下又有眾多的子模塊。實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告、學(xué)生實(shí)驗(yàn)門戶網(wǎng)站、虛擬儀器、監(jiān)控與支持系統(tǒng)等，是東南大學(xué)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的功能模塊。吉林大學(xué)國(guó)家級(jí)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的功能模塊是師資隊(duì)伍、選課系統(tǒng)、儀器預(yù)約、規(guī)章制度等。

3.2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)技術(shù)目前數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有很多種，較多使用的有2種：GIS技術(shù)和Matlab/Java Applet技術(shù)。GIS是處理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的集成軟件系統(tǒng)，使得傳統(tǒng)的LIMS可視化程度更強(qiáng)、更直觀，具有其他技術(shù)所不能代替的作用，如可實(shí)現(xiàn)資源共享，學(xué)生的野外旅行，對(duì)于幾十、甚至幾百公里以外人員無(wú)法與之接近的環(huán)境監(jiān)測(cè)等[3]。另外，將Java Applet的良好交互和網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)特性與Matlab/Simulink強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真功能結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)一種新的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方法，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的交互性與真實(shí)感，降低開(kāi)發(fā)難度，提高開(kāi)發(fā)效率[4]。

國(guó)外也有用網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的。這種方法可實(shí)現(xiàn)不同學(xué)校和研究中心實(shí)驗(yàn)室間的交流與合作。

4 總結(jié)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室只是提供一種新的技術(shù)和環(huán)境下的學(xué)習(xí)方式，這種方式是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和科研的空間和時(shí)間的擴(kuò)展，并且為發(fā)揮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的功能提供支持和服務(wù)，并不能取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的功能和地位。它的實(shí)現(xiàn)是在與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)教師與學(xué)習(xí)者行為、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的數(shù)字化、虛擬化以及管理方式的計(jì)算機(jī)化。它不僅僅是一種資源的重新架構(gòu)，重要的是資源的擴(kuò)展和適度整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的最優(yōu)化利用。

任何一種媒體和技術(shù)都沒(méi)有好壞之分，功能的關(guān)鍵在于人，所以，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室不僅要注重硬件和軟件的建設(shè)，還要注重觀念的建設(shè)、人員結(jié)構(gòu)以及管理上的建設(shè)。觀念上的建設(shè)主要是積極的思想和先進(jìn)的教學(xué)科研理念，表現(xiàn)為如何激發(fā)和調(diào)動(dòng)教師和學(xué)生利用、挖掘這些硬件和軟件，如何在平臺(tái)上設(shè)計(jì)和實(shí)施教學(xué)和科研。人員結(jié)構(gòu)上，教師的合理安排以及學(xué)生的合理分組，都會(huì)影響教學(xué)的效果。在管理方面，雖然是在網(wǎng)絡(luò)上的管理，但是也要有現(xiàn)實(shí)世界中的最自然的管理參與的作用。

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