全時(shí)開放互動(dòng)型地質(zhì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與實(shí)踐

邱隆偉，孟凡超，操應(yīng)長，王 健，楊勇強(qiáng)，馬玉新，張春茹

（中國石油大學(xué)（華東），地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放是指實(shí)驗(yàn)室在完成計(jì)劃內(nèi)教學(xué)任務(wù)的前提下，利用現(xiàn)有的師資、實(shí)驗(yàn)室、儀器設(shè)備等實(shí)驗(yàn)條件，面向?qū)W生開放，為學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)作業(yè)、考前復(fù)習(xí)、科技活動(dòng)等提供條件[1]。實(shí)驗(yàn)室開放是高等教育培養(yǎng)創(chuàng)新人才，實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育目標(biāo)的客觀要求。實(shí)驗(yàn)室開放有利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的自覺性、獨(dú)立性、積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，而且有利于實(shí)驗(yàn)資源得到最大化利用[1-3]。此外，實(shí)驗(yàn)室的開放共享對(duì)提升學(xué)科水平、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量及促進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到積極的助推作用[4]。

盡管各高校在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間、對(duì)象、內(nèi)容等方面進(jìn)行了不同程度的嘗試，但在實(shí)踐過程中還存在著許多問題，主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教師上班時(shí)間與學(xué)生課余時(shí)間沖突、實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)困難、實(shí)驗(yàn)室安全缺乏保障等方面。由于地質(zhì)類實(shí)驗(yàn)室特別是顯微鏡實(shí)驗(yàn)室在設(shè)備方面的特殊性，上述問題顯得尤為突出。因此，如何實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的“無障礙開放”，是地質(zhì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理最重要的研究課題之一。

1 實(shí)驗(yàn)室開放的方式及其存在問題

1.1 實(shí)驗(yàn)室開放方式

實(shí)驗(yàn)室的開放一直是高校實(shí)踐教學(xué)改革的重要課題，很多教師在實(shí)驗(yàn)室開放制度、配套措施、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)等方面進(jìn)行了大量的實(shí)踐[1,5-7]，在開放模式方面也進(jìn)行了許多嘗試，歸納起來主要涉及三個(gè)方面。

（1）開放時(shí)間。一是實(shí)驗(yàn)室固定時(shí)間段開放，教師與學(xué)生通過協(xié)商確定時(shí)間，學(xué)生在班級(jí)無課時(shí)集中到實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)；二是實(shí)驗(yàn)室全天開放，實(shí)驗(yàn)室安排專門教師管理實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以根據(jù)自己的安排在任何時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)[8]。

（2）開放對(duì)象。大部分高校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室在學(xué)期周內(nèi)只針對(duì)本學(xué)期選課學(xué)生，采用集中或全天開放的形式，保證選課學(xué)生能有更多人在課余時(shí)間走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室；也有部分高校針對(duì)低年級(jí)學(xué)生、高年級(jí)學(xué)生和優(yōu)秀學(xué)生采取分別開放的方式[5]。

（3）開放內(nèi)容。高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室首先是保證基本的教學(xué)需求，因此大部分高校專業(yè)實(shí)驗(yàn)室首先對(duì)相關(guān)課程的計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開放，幫助學(xué)生完成作業(yè)、復(fù)習(xí)考試等。其次，實(shí)驗(yàn)室對(duì)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)行開放[9]。還有部分高校設(shè)置本科生開放性、研究性實(shí)驗(yàn)，針對(duì)課程特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室功能，開設(shè)相關(guān)課程的研究性實(shí)驗(yàn)[10]，讓學(xué)生自由、自主完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

近年來，各高校實(shí)驗(yàn)室開放在不斷發(fā)展和完善中，但總體開放效果還不是很理想。觀念比較陳舊、服務(wù)意識(shí)相對(duì)缺乏，已經(jīng)成為阻礙實(shí)驗(yàn)室開放運(yùn)行的主要因素[11]。實(shí)驗(yàn)條件的限制，更是導(dǎo)致該種現(xiàn)狀的關(guān)鍵因素。

我校地質(zhì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室以地質(zhì)樣品的顯微鏡下的觀察與分析為主，前期的實(shí)驗(yàn)室開放主要有兩種方式：其一為任務(wù)式開放。實(shí)驗(yàn)室開放與具體的課程相關(guān)，即面向本學(xué)期選修相關(guān)課程的本科生開放，主要是學(xué)生實(shí)驗(yàn)課任務(wù)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，針對(duì)教師布置的課外任務(wù)或興趣點(diǎn)，以及考前復(fù)習(xí)等，學(xué)生需要利用課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；具體操作過程為學(xué)生與實(shí)驗(yàn)教師協(xié)商確定開放時(shí)間，需要同時(shí)滿足實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)教師、學(xué)生都無課的前提下，學(xué)生按照自然班集中到實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，或約定具體時(shí)間，以個(gè)人或小組的方式到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。其二為研究式開放。面向大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及部分學(xué)生參與教師的科研選題而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室開放。這種開放主要針對(duì)中高年級(jí)學(xué)生，在滿足教學(xué)的前提下，與實(shí)驗(yàn)室管理人員協(xié)商實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間及方式。

1.2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開放中存在的問題

實(shí)驗(yàn)室開放實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室開放管理在實(shí)踐過程中存在著影響開放實(shí)踐及效果的諸多問題。

（1）學(xué)生課余時(shí)間與教師上班時(shí)間不重合。實(shí)驗(yàn)室的開放通常需要實(shí)驗(yàn)教師的配合，如問題解答、設(shè)備安全運(yùn)營和維護(hù)等。這需要在實(shí)驗(yàn)教師的正常上班時(shí)間完成，此時(shí)間段很可能與學(xué)生其他課程重疊，而學(xué)生可用課余時(shí)間又往往在晚上或周末，這就導(dǎo)致在正常的工作時(shí)間很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室開放，而非正常上班時(shí)間的開放又由于影響教師的休息而難于長期、持續(xù)地開展。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量與學(xué)生需求的矛盾。大部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量只能滿足一個(gè)自然班，但是同一個(gè)專業(yè)往往存在多個(gè)自然班，這些班級(jí)的課程安排基本相同，預(yù)約實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間也類似，這樣常常導(dǎo)致不同班級(jí)的學(xué)生在預(yù)約上存在沖突。

（3）實(shí)驗(yàn)室開放與設(shè)備安全管理的矛盾。教學(xué)實(shí)驗(yàn)室由于總體實(shí)驗(yàn)任務(wù)較重，從管理方面來說在任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)班開始實(shí)驗(yàn)之前，都需要絕對(duì)保障實(shí)驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)良好和正常使用；在實(shí)驗(yàn)室開放管理中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際參與實(shí)驗(yàn)室開放的學(xué)生數(shù)目常常不一定與預(yù)約的一致，而實(shí)際使用的設(shè)備也很可能和預(yù)約的設(shè)備不一致。這就給實(shí)驗(yàn)室管理人員的設(shè)備檢查增加了許多工作量，有時(shí)甚至導(dǎo)致影響正常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也影響了實(shí)驗(yàn)室開放的正常進(jìn)行。

（4）開放意向與開放引導(dǎo)機(jī)制的矛盾。鑒于實(shí)驗(yàn)室開放意向和教師作息時(shí)間的矛盾，學(xué)生在預(yù)約時(shí)間的選擇上常存在糾結(jié)之處，這樣對(duì)于不是非常必要的開放實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，很多學(xué)生可能會(huì)選擇放棄預(yù)約。

上述問題和矛盾導(dǎo)致盡管管理層面及學(xué)生層面對(duì)實(shí)驗(yàn)室開放的意向強(qiáng)烈，但實(shí)際效果不佳。常常出現(xiàn)學(xué)生來了，實(shí)驗(yàn)室沒有開放，或更多的時(shí)候是實(shí)驗(yàn)室大門敞開，學(xué)生參與度很低，甚至?xí)霈F(xiàn)一個(gè)學(xué)生也沒有的現(xiàn)象。

2 全時(shí)開放互動(dòng)型實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 基于視頻監(jiān)控和學(xué)生自主預(yù)約的管理系統(tǒng)

教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)由預(yù)約中心、實(shí)驗(yàn)中心、監(jiān)控中心三部分組成（見圖1）。預(yù)約中心包括預(yù)約計(jì)算機(jī)及刷卡器；實(shí)驗(yàn)中心包括實(shí)驗(yàn)室大門、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、讀卡供電系統(tǒng)等；監(jiān)控中心包括計(jì)算機(jī)、攝像頭、監(jiān)視器、存儲(chǔ)器等。

圖1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)

學(xué)生可通過鏈接校園網(wǎng)的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)訪問實(shí)驗(yàn)室預(yù)約中心系統(tǒng)網(wǎng)站，或到預(yù)約中心現(xiàn)場查詢實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相應(yīng)設(shè)備的已預(yù)約時(shí)間，根據(jù)查詢結(jié)果進(jìn)行適合自己的開放實(shí)驗(yàn)時(shí)間預(yù)約。實(shí)驗(yàn)室管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)或者預(yù)約中心現(xiàn)場審批學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)約。

監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心、攝像頭等組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室使用狀況的全時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)管理人員可通過監(jiān)控中心查看學(xué)生開放及設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)整個(gè)管理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。在下班的情況下，還可以隨時(shí)通過手機(jī) APP 鏈接實(shí)驗(yàn)室攝像頭，對(duì)實(shí)驗(yàn)室學(xué)生人數(shù)、實(shí)驗(yàn)室紀(jì)律、學(xué)生錯(cuò)誤操作等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 實(shí)驗(yàn)中心配置

以顯微實(shí)驗(yàn)室為例，在每臺(tái)顯微鏡的基礎(chǔ)上，加上互動(dòng)系統(tǒng)和讀卡供電系統(tǒng)，后者包括讀卡器、鎖止器、電源連接器等組成。

互動(dòng)系統(tǒng)由小型顯示器（如 iPad）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成。小型顯示器通過Wi-Fi 或網(wǎng)線與顯微鏡相連，每臺(tái)顯微鏡與單獨(dú)的小型顯示器相連。顯微鏡視域的圖像可實(shí)時(shí)傳送到小型顯示器上，同時(shí)每臺(tái)小型顯示器經(jīng)過簡單的切換，也可以和實(shí)驗(yàn)室其他任何顯微鏡的視域相鏈接并觀看其實(shí)時(shí)圖像。

實(shí)驗(yàn)用薄片、顯微鏡附件等放置于實(shí)驗(yàn)桌的抽屜中，抽屜外面安裝了鎖止器，沒人使用時(shí)抽屜被鎖止器鎖住，同時(shí)電源也處于關(guān)閉狀態(tài)，顯微鏡停止使用。當(dāng)授權(quán)卡插入讀卡器后，識(shí)別正確則開啟電源，并解除鎖止器鎖定，這時(shí)顯微鏡及試板等附件才可以正常使用。

3 全時(shí)開放互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的功能實(shí)現(xiàn)

基于視頻監(jiān)控和自主預(yù)約的教學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)流程，不同于以往的集中開放。實(shí)驗(yàn)室管理人員或?qū)嶒?yàn)教師不必專門為學(xué)生開門、鎖門。學(xué)生在經(jīng)過預(yù)約授權(quán)后，可以自主進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，解決了教師與學(xué)生時(shí)間沖突的矛盾。通過這套管理系統(tǒng)，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)自己選擇時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用最大化。教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放實(shí)驗(yàn)流程見圖 2，其功能實(shí)現(xiàn)主要包括以下步驟。

（1）預(yù)約。學(xué)生可以采取網(wǎng)上自主預(yù)約或?qū)嶒?yàn)中心現(xiàn)場預(yù)約兩種方式，在實(shí)驗(yàn)室管理人員上班期間，對(duì)學(xué)生的校園一卡通進(jìn)行授權(quán)。

圖2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放實(shí)驗(yàn)流程

（2）學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)。學(xué)生持經(jīng)過授權(quán)的一卡通，在預(yù)約時(shí)間刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，將卡插入實(shí)驗(yàn)桌讀卡器，取電并彈開抽屜，然后打開實(shí)驗(yàn)設(shè)備（顯微鏡），并從抽屜內(nèi)取出實(shí)驗(yàn)樣品（如巖石薄片、試板等），開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將實(shí)驗(yàn)樣品放回抽屜，關(guān)抽屜、關(guān)設(shè)備、取卡（如果沒有關(guān)上抽屜而拔卡，則設(shè)備鳴叫進(jìn)行提示）。設(shè)備自動(dòng)記錄學(xué)生開始使用及結(jié)束使用時(shí)間及時(shí)長。

（3）互動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)課上，教師可以通過互動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況。教師若發(fā)現(xiàn)有好現(xiàn)象或者學(xué)生發(fā)現(xiàn)好的現(xiàn)象，可以指定其他學(xué)生去觀看某個(gè)實(shí)驗(yàn)位的實(shí)時(shí)圖像。在課下開放實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生之間可以自主實(shí)現(xiàn)對(duì)任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)位的實(shí)時(shí)互動(dòng)，當(dāng)遇到無法得出結(jié)論時(shí)，學(xué)生還可以通過手機(jī)拍照，或微信視頻等形式和教師進(jìn)行實(shí)時(shí)咨詢與討論。

（4）過程反饋。通過聯(lián)網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，教師無論是不是在實(shí)驗(yàn)室均可以實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)室的狀況，發(fā)現(xiàn)問題可以馬上通知學(xué)生進(jìn)行改正；同時(shí)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室遇到問題，也可以直接給教師打電話進(jìn)行溝通。

（5）教師檢查監(jiān)督。學(xué)生從讀卡到拔卡，以及所使用的顯微鏡的信息可以在授權(quán)系統(tǒng)中進(jìn)行全程記錄，并反饋給實(shí)驗(yàn)室教師。如果學(xué)生在教師正常上班時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，教師可以在學(xué)生結(jié)束實(shí)驗(yàn)之后對(duì)設(shè)備使用狀況進(jìn)行檢查；如果是在休息時(shí)間進(jìn)行的開放實(shí)驗(yàn)，教師可以在上班之后，檢查設(shè)備的使用狀況，發(fā)現(xiàn)問題，并第一時(shí)間通知學(xué)生。如果有設(shè)備、樣品（巖石薄片）損壞等事情發(fā)生，教師可以通知學(xué)生到監(jiān)控室進(jìn)行監(jiān)控視頻回放，確定發(fā)生的原因，以便采取合理的措施進(jìn)行糾正。

4 教學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)實(shí)踐效果

基于視頻監(jiān)控和自主預(yù)約實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，率先在我校地質(zhì)學(xué)顯微鏡教學(xué)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，收到了良好的效果。首先解決了教師和學(xué)生時(shí)間沖突、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量和學(xué)生數(shù)量沖突的矛盾。學(xué)生通過預(yù)約中心，可以預(yù)約自己合適的時(shí)間，不再受教師是否上班的限制，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室全天候開放。實(shí)驗(yàn)教師也不必在晚上或周末專程去實(shí)驗(yàn)室。其次，教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的自主開放，為學(xué)生進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的研究提供了良好的平臺(tái)，非本學(xué)期選課學(xué)生也可通過預(yù)約方式走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，開展相關(guān)研究。目前，在正常教學(xué)計(jì)劃之外，已有10 多項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在地質(zhì)學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室開展。當(dāng)然，該開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室開放也是有條件的，只有經(jīng)過設(shè)備使用培訓(xùn)的學(xué)生才可以獲得開放授權(quán)，以保證設(shè)備的安全使用。

5 結(jié)語

高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放是有效利用實(shí)驗(yàn)室資源，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的一個(gè)重要方式。通過分析實(shí)驗(yàn)室開放中存在的問題，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室開放的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了基于讀卡系統(tǒng)、互動(dòng)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控和學(xué)生自主預(yù)約的實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)室完全自主開放，基本達(dá)到了教學(xué)實(shí)驗(yàn)室最大化利用的目的，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程復(fù)習(xí)、創(chuàng)新項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利開展提供了保障。