研究生實驗教學(xué)平臺的數(shù)字化建設(shè)與實踐

朱燕紅, 史美萍, 謝海斌

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，湖南 長沙 410073)

0 引 言

近年來，國內(nèi)外許多高校紛紛立項建設(shè)實驗教學(xué)實踐基地，為高等學(xué)校進行科技創(chuàng)新活動提供了良好的實踐環(huán)境[1-3]。然而，這些頗具規(guī)模的實踐環(huán)境卻呈現(xiàn)出物質(zhì)規(guī)模大于內(nèi)涵質(zhì)量的不良現(xiàn)象，研究生實踐環(huán)境因其對開放性、自主性的要求，在這方面的問題更顯突出[4]，實際運行效率低，造成了一定的教學(xué)資源浪費。

教育部于2005年開始實施實驗教學(xué)示范中心建設(shè)工程，并指出通過信息化建設(shè)來達到優(yōu)質(zhì)資源共享的目的[5]。我校在 “十一五”期間構(gòu)建了 “控制科學(xué)與工程研究生綜合實驗中心”，目前已建成現(xiàn)代控制技術(shù)、智能系統(tǒng)技術(shù)和制導(dǎo)控制技術(shù)3個實驗室和1個機器人技術(shù)創(chuàng)新基地。本中心秉承“素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育”的現(xiàn)代教育理念，努力探索應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式[6]，以“服務(wù)優(yōu)先、質(zhì)量至上”為宗旨，在已有的物質(zhì)基礎(chǔ)上著眼于軟環(huán)境的建設(shè)與實踐，構(gòu)建了一個數(shù)字化教學(xué)服務(wù)體系。

本文擬從開放模式、教學(xué)環(huán)境和教學(xué)資料等幾個方面分析現(xiàn)有研究生實驗室存在的一些具體問題，并以國防科大“控制科學(xué)與工程研究生綜合實驗中心”為例，介紹針對這些問題的數(shù)字化建設(shè)實踐成效。

1 控制學(xué)科研究生實驗教學(xué)存在的問題

目前，根據(jù)研究生培養(yǎng)特點[7]，研究生實驗教學(xué)面臨的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 從管理模式而言。如何把研究生實驗室開放式教學(xué)管理落到實處。統(tǒng)一課堂授課模式已經(jīng)不能適應(yīng)“素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育”的現(xiàn)代化教育理念要求。為了更好地實現(xiàn)資源共享，提高設(shè)備的利用率，必須實現(xiàn)實驗室的開放式教學(xué)管理，打破時間、空間、內(nèi)容和專業(yè)限制堡壘。而傳統(tǒng)的基于紙筆、單機和教員職守的方式顯然難于實現(xiàn)真正的開放。需要有一個服務(wù)于開放式管理的平臺來保障其安全有效的運行[8]。

(2) 從教學(xué)實施保障條件而言。如何保障管理復(fù)雜軟硬件環(huán)境使實驗室高效穩(wěn)定運行?？刂祁悓嶒炇业挠布话愣际怯嬎銠C和典型控制對象的結(jié)合，每一臺計算機都要內(nèi)插/外接各種硬件板卡/設(shè)備，并安裝各種復(fù)雜的軟件系統(tǒng)和工具語言等，為了保證實踐教學(xué)的高效運行，這些系統(tǒng)在開放狀態(tài)下需要時刻保持正常，一旦出現(xiàn)問題則面臨著繁重的故障排查工作，嚴重情況下可能需要整個系統(tǒng)重裝，而傳統(tǒng)的裝機和維護方法，以及傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式無疑是一個十分費時費力的過程，不利于提高教學(xué)資源的利用率[9]。尤其是隨著高等教育招生規(guī)模的不斷增大，要求高校實驗中心相應(yīng)的擴大實驗室規(guī)模，增加設(shè)備種類和臺套數(shù)，資料膨脹導(dǎo)致設(shè)備管理的問題將愈加突出。

(3) 從教學(xué)資料而言。如何充分有效地利用積累的教學(xué)資源。經(jīng)過多年的建設(shè)，實驗室擁有豐富的教學(xué)資料，如教學(xué)視頻、電子課堂資料、經(jīng)典范例程序、歷年學(xué)生實驗數(shù)據(jù)、項目案例庫、仿真模型等，這些資源都在不斷地開發(fā)更新中，加以總結(jié)并充分利用可以促進教學(xué)整體水平不斷提高，如何使學(xué)生和上課教員很方便地調(diào)閱這些資源進行備課和學(xué)習(xí)，將是展現(xiàn)實驗中心服務(wù)水平和管理水平的重要窗口和平臺。

2 網(wǎng)絡(luò)化開放平臺服務(wù)于教學(xué)管理模式

實驗室開放管理通常包含實驗預(yù)約、資格審查、進入實驗場地、實驗過程、數(shù)據(jù)歸檔、事故追查等方面。隨著高校數(shù)字化校園建設(shè)的日益完善，充分利用校園信息化、網(wǎng)絡(luò)化資源是實現(xiàn)開放式實驗室管理的一種有效手段[10-11]。我?？刂茖W(xué)科研究生綜合實驗中心經(jīng)過多年的建設(shè)與實踐，目前已構(gòu)建了一個基于校園網(wǎng)的數(shù)字化資源一體化服務(wù)平臺。該平臺將實驗中心門戶網(wǎng)站、自主實驗預(yù)約系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)、全程視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)、教學(xué)資源共享系統(tǒng)、儀器設(shè)備管理系統(tǒng)、實驗效果檢驗評估系統(tǒng)、實驗事故的有效追查制度、實驗成果的及時歸檔制度等進行集成管理，信息共享[12]。

門戶網(wǎng)站實現(xiàn)了實驗中心基本信息公示和動態(tài)新聞發(fā)布，以及課表查詢、學(xué)生實驗預(yù)約、資格審核、個人預(yù)約查詢、在線論壇等功能。結(jié)合網(wǎng)上實驗預(yù)約和實驗過程監(jiān)控等手段，教師和學(xué)生可以通過服務(wù)平臺了解實驗中心場地、資源現(xiàn)狀，管理人員也可以對實驗中心資源進行更好的調(diào)度和管理，學(xué)生可以與管理員和老師遠程互動，掌握最新的課程信息，進行自主實驗預(yù)約。

另外，控制學(xué)科研究生實驗中心區(qū)別于純計算機實驗室，存在設(shè)備種類復(fù)雜，操作要求規(guī)范等問題，因此很難實現(xiàn)真正意義上的全開放。針對這一問題，通過在網(wǎng)站上發(fā)布研究生助教助管崗位招聘，來輔助實現(xiàn)這種復(fù)雜條件下的實驗室開放。在網(wǎng)站上提供全程培訓(xùn)電子教程，對助教助管崗位學(xué)員進行前期培訓(xùn)，輔導(dǎo)學(xué)生以保障實驗室安全運行并且提高學(xué)生自主實驗效率。對助教助管崗位給予相應(yīng)的實踐學(xué)分，并通過網(wǎng)站公示的辦法對優(yōu)秀學(xué)員進行表彰和實際獎勵。

實現(xiàn)實驗中心開放式管理的傳統(tǒng)方式和數(shù)字化方式對比如表1所示。

表1 實驗中心開放式管理方式對比

3 數(shù)字化教學(xué)環(huán)境優(yōu)化實驗教學(xué)實施條件

教學(xué)活動實施主要分為實驗準備、教學(xué)實施和實驗數(shù)據(jù)傳輸存儲3個過程，實驗中心著眼這3個實施過程以及設(shè)備的管理進行數(shù)字化教學(xué)環(huán)境建設(shè)[13]。

3.1 教學(xué)準備過程數(shù)字化建設(shè)

實驗前準備包括實驗環(huán)境準備和實驗過程準備兩部分。其中，實驗環(huán)境準備主要是指為實驗開設(shè)提供必需的軟硬件環(huán)境，包括配備有多媒體設(shè)備和內(nèi)部局域網(wǎng)的專門實驗室，裝有實驗所需應(yīng)用軟件的計算機，實驗專用設(shè)備及耗材，可供實驗資料下載、實驗數(shù)據(jù)上傳和實驗過程監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等。實驗過程準備主要是指在實驗開設(shè)前加強實驗相關(guān)理論知識與實驗常見問題的整理與積累，做好實驗課件，設(shè)計好實驗報告形式等。經(jīng)過多年的積累，目前實驗中心已建立了實驗環(huán)境常見故障數(shù)據(jù)庫和相關(guān)實驗內(nèi)容關(guān)鍵測試點DEMO庫，并形成了一套規(guī)范的教學(xué)準備體系。首先是實驗環(huán)境準備，具體過程為：開機檢查軟硬件是否正常，如有問題則參考常見故障數(shù)據(jù)庫進行局部故障排查；如遇到新的故障并成功解決，則將其歸檔以充實故障數(shù)據(jù)庫；遇到不能局部排除的則啟用硬件還原卡或ghost備份還原系統(tǒng)進行應(yīng)急恢復(fù)，確保實驗環(huán)境正常運行；其次是進行實驗內(nèi)容準備。實驗中心根據(jù)多年的運行經(jīng)驗組織相關(guān)課程的老師建立了實驗內(nèi)容測試庫，測試庫里有根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)的針對每門課程設(shè)計的關(guān)鍵測試點，調(diào)通這些關(guān)鍵測試點就能驗證實驗系統(tǒng)的正常完好，與測試點相對的是課前設(shè)計好的demo，直接調(diào)用相應(yīng)的demo或搭配簡單的線路連接就能方便地進行測試點實驗。規(guī)范的教學(xué)準備體系流程如圖1所示。

3.2 多媒體教學(xué)過程數(shù)字化建設(shè)

多媒體教學(xué)過程的數(shù)字化主要包括構(gòu)建內(nèi)部局域網(wǎng)和多媒體教學(xué)視頻庫，安裝基于局域網(wǎng)的電子教室以輔助多媒體教學(xué)，提高實驗課堂教學(xué)質(zhì)量。

教學(xué)過程中，學(xué)員各就其位，教員通過教師機發(fā)布指令，可以完成對所有或指定學(xué)生機的系列操作，實現(xiàn)屏幕廣播、學(xué)生端屏幕監(jiān)控、遙控管理操作、收發(fā)作業(yè)、群組在線討論等豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)功能。使得空間較大，人數(shù)較多且不能集中的實驗教學(xué)變得輕松簡單。

結(jié)合錄屏軟件和DV等其他音像設(shè)備，形成規(guī)范的多媒體教學(xué)視頻庫，隨時隨地的復(fù)現(xiàn)課堂，成為教員備課和學(xué)員學(xué)習(xí)的重要參考資料。

3.3 基于服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸存儲體系建設(shè)

為了方便實驗過程的數(shù)據(jù)傳輸和存儲，實驗中心建設(shè)了基于專用服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸存儲系統(tǒng)，通過局域網(wǎng)與實驗室其他工作電腦相連，在局域網(wǎng)上安裝文件傳輸軟件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、傳輸和下載，文件通過構(gòu)建客戶機/服務(wù)器系統(tǒng)進行傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸和存儲的安全性，輕松實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的熱備份。

教員在上課過程中能在文件傳輸軟件上共享課程大綱、實驗大綱、實驗指導(dǎo)書、多媒體課件、作業(yè)模板等相關(guān)資料；實驗中心管理人員上傳實驗需要的設(shè)備說明書、操作手冊、實驗要求等，并及時維護和整理學(xué)生上傳的實驗數(shù)據(jù)，保證實驗數(shù)據(jù)庫的及時動態(tài)更新；學(xué)員可以及時地獲取課程實驗或自主實驗所需要的相關(guān)參考資料，并且上傳每次實驗的數(shù)據(jù)。

3.4 設(shè)備管理數(shù)字化

實驗中心基于Web開發(fā)了專門的實驗中心儀器設(shè)備管理系統(tǒng)，掛靠在實驗中心的門戶網(wǎng)站，對實驗室設(shè)備進行系統(tǒng)化、規(guī)范化、信息化的管理[14]。儀器設(shè)備管理系統(tǒng)主要內(nèi)容包括實驗設(shè)備的入庫出庫、實驗設(shè)備的日常維護與及時報修機制、設(shè)備損壞時的責(zé)任追查等。將實驗設(shè)備名稱、型號規(guī)格、配件、單價、生產(chǎn)廠家、性能技術(shù)指標、設(shè)備說明書、操作手冊、所屬實驗室、存放地點、環(huán)境要求、購置日期、維修情況、使用狀況、預(yù)約情況等各種參數(shù)輸入系統(tǒng)進行動態(tài)管理，并與自主預(yù)約實驗系統(tǒng)聯(lián)動，實驗中心管理人員通過儀器設(shè)備管理系統(tǒng)并結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，隨時掌握所有儀器設(shè)備狀態(tài)，進行實時跟蹤，定時測試、維護、保養(yǎng)。學(xué)員可以在線了解儀器設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)實驗儀器設(shè)備狀態(tài)來預(yù)約實驗，極大提高實驗預(yù)約效率和儀器設(shè)備利用效率。在管理系統(tǒng)中提供了各種設(shè)備的說明書和操作手冊，還提供了相關(guān)的軟件可供免費下載。

同時，把安全操作手冊作為設(shè)備管理系統(tǒng)中的一個重要部分，學(xué)生所預(yù)約的實驗如需使用到大型或精密設(shè)備，在選定實驗后網(wǎng)站后臺自動彈出設(shè)備管理系統(tǒng)中相對應(yīng)的安全操作規(guī)則，學(xué)生必須通讀完并確定后才能成功預(yù)約當(dāng)前實驗。營造安全文化氛圍提高安全操作意識，從而減少因誤操作而引發(fā)的設(shè)備損耗，提高安全素質(zhì)，杜絕安全事故的發(fā)生[15]。

4 動態(tài)數(shù)字教科書建設(shè)促進教學(xué)資料的有效利用

實驗中心依托現(xiàn)有實驗環(huán)境和實驗設(shè)備，結(jié)合學(xué)科專業(yè)特色建立了規(guī)范數(shù)據(jù)庫。已建成的包括：標準實驗數(shù)據(jù)庫、實驗案例庫和仿真系統(tǒng)庫。

標準實驗數(shù)據(jù)庫是指結(jié)合學(xué)科專業(yè)特色事先采集相關(guān)數(shù)據(jù)建立起來的一些可以直接被調(diào)用的標準數(shù)據(jù)資源，既可用于課程實踐教學(xué)又可用于科學(xué)研究，有效的簡化實驗教學(xué)和科學(xué)研究的前期準備工作，提高工作效率。目前標準試驗數(shù)據(jù)庫以模式識別系列課程為切入點，具體構(gòu)建了路標識別數(shù)據(jù)庫、道路識別數(shù)據(jù)庫、行人檢測數(shù)據(jù)庫等。實驗案例庫是在實驗室運行過程中搜集和整理的一些典型實例，包括配套的軟件程序、簡單硬件設(shè)備和相應(yīng)的說明文檔。目前庫內(nèi)有模擬電梯控制系統(tǒng)、桿球平衡系統(tǒng)、云臺控制系統(tǒng)等，為教學(xué)和科研工作提供參考，也可以從應(yīng)用層面上有針對性的幫助新學(xué)者快速上手。仿真系統(tǒng)庫是為了提高教學(xué)質(zhì)量專門針對課程內(nèi)容把學(xué)習(xí)結(jié)合各種典型案例建成實例仿真系統(tǒng)軟件，如“警察抓小偷”，“空中戰(zhàn)斗對峙”等，在機房里安裝運行仿真軟件便可以輕松實現(xiàn)情景模擬。這種結(jié)合具體情景的授課模式使得學(xué)習(xí)知識點不再是單純地為了完成實驗要求，更重要地是明確所學(xué)的知識點在未來的工作中是如何應(yīng)用的，有助于學(xué)員準確理解知識并提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。

通過不斷地開發(fā)新的教學(xué)資源，并融合各方面的信息，實驗室教學(xué)資源管理系統(tǒng)可以不斷地得到完善。結(jié)合實驗中心網(wǎng)站、實驗室管理系統(tǒng)可以滿足教師和學(xué)生實現(xiàn)檢索、瀏覽、下載、視頻點播、在線交流、資源共享等功能，方便在線學(xué)習(xí)的同時，也方便實驗管理人員做好科學(xué)統(tǒng)一調(diào)配管理，形成了一部動態(tài)的、帶視聽的、不斷更新的立體化實驗教學(xué)教科書，有效地提升了任課教員的備課效率和學(xué)生自學(xué)的積極性。

5 結(jié) 語

國防科技大學(xué)控制科學(xué)與工程研究生綜合實驗中心通過構(gòu)建數(shù)字化教學(xué)服務(wù)體系，切實提高了實驗中心的運行效率，從真正意義上實現(xiàn)了開放式教學(xué)管理模式，向需要利用實驗室資源的人開放，在想要進行科研探索的時間開放，以實驗項目需要的最佳形式開放，有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和挖掘?qū)W習(xí)潛能，促進學(xué)生的個性化發(fā)展，使得實驗教學(xué)和管理上水平、出效益。目前，實驗中心已開設(shè)12個教學(xué)實驗單元和8個綜合實踐項目，同時還可為控制學(xué)科相關(guān)方向的創(chuàng)新實踐活動提供了專門的平臺，課外指導(dǎo)的學(xué)生在各種競賽中先后獲得國家級一等獎12項、二等獎3項、三等獎1項、新型發(fā)明專利1項及省級獎勵多項。

實踐證明，加強實驗室軟環(huán)境建設(shè)是教學(xué)改革中的重要舉措[16]，如何將現(xiàn)代化手段不斷完善應(yīng)用，促進投入資源的節(jié)約和高效利用，實現(xiàn)高校實驗室可持續(xù)發(fā)展，同時保證其安全性、穩(wěn)定性是實驗室建設(shè)過程中必須注意的，也是下一階段的工作重點。

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