略論數(shù)字化實驗室的建設(shè)

閆　芳

摘要 數(shù)字化實驗室是傳統(tǒng)實驗室與現(xiàn)代計算機技術(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)的有機結(jié)合。從概念、建設(shè)理念、設(shè)計原則、涵蓋功能模塊以及實現(xiàn)技術(shù)等方面對數(shù)字化實驗室的研究做一個簡單的綜述。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化實驗室；虛擬實驗室；學習方式

中圖分類號：G482 文獻標識碼：A 文章編號：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

信息社會越來越強調(diào)人才的創(chuàng)新能力、實踐能力以及協(xié)作溝通能力等，實驗教學更應該在“做”中培養(yǎng)學生的這些能力。然而傳統(tǒng)的實驗室實驗已不能在激發(fā)學生思維和指導學生實踐方面提供完全的支持，學生越來越需要一種開放的、綜合的、更加靈活和有創(chuàng)造力的實驗來培養(yǎng)思維。隨著學生人數(shù)和儀器的增加，傳統(tǒng)實驗室的手工管理方式也使原有的儀器資源不能完全實現(xiàn)價值。另外，諸如遠程教育等網(wǎng)絡(luò)課堂以它的隨時、自主的學習形式擴大了教育的規(guī)模，為教育的發(fā)展帶來新的機會，但是這非面對面的學習也限制了學生親自參與實踐的機會。

教學和實驗是相輔相成的，沒有實驗的教學是空洞的、難于理解的。所以，高校迫切需要尋求一種可以方便、高效地促進實驗教學改革的理念、方法和工具。2005年5月，教育部發(fā)布《教育部關(guān)于開展高等學校實驗教學示范中心建設(shè)和評審工作的通知》，指出為推動高等學校加強學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，加快實驗教學改革和實驗室建設(shè)，促進優(yōu)質(zhì)資源整合和共享，提升辦學水平和教育質(zhì)量，決定在高等學校實驗教學中心建設(shè)的基礎(chǔ)上，評審建立一批國家級實驗教學示范中心。

1 什么是數(shù)字化實驗室

數(shù)字化實驗室，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)實驗室等。目前國內(nèi)較為統(tǒng)一的說法是數(shù)字化實驗室e-lab，作為數(shù)字化校園e-campues的一部分。

數(shù)字化實驗室是在傳統(tǒng)實驗室的基礎(chǔ)上，利用先進的計算機技術(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)實實驗室中的各種實驗資源數(shù)字化，并通過計算機進行實驗教學管理的、綜合性的、開放型的實驗教學環(huán)境，使得實驗室在時間和空間上得到延伸。從學生來看，數(shù)字化實驗室更是一個以學生為中心的、開放性的、人性化的實驗教學支持服務系統(tǒng)；從教師來看，數(shù)字化實驗室是集實驗教學、實驗教學教務管理、實驗室設(shè)備管理、實驗室開放教學管理為一體的管理系統(tǒng)[1]。

從這個概念可以看出，數(shù)字化實驗室并不僅僅指學生用來做實驗的這個計算機應用系統(tǒng)部分，而是一種新的實驗室教學環(huán)境，包含相應的人財物等以及一種新的理念和文化。

2 數(shù)字化實驗室的建設(shè)理念與設(shè)計原則

2.1 數(shù)字化實驗室的建設(shè)理念數(shù)字化實驗室是數(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)，利用先進的信息化手段和工具——計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)，實現(xiàn)對教學、科研、管理和生活服務有關(guān)的所有信息資源進行全面的數(shù)字化；并用科學規(guī)范的管理對這些信息資源進行整合和集成，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)字化實驗室就要實現(xiàn)教學、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。具體來說就是在開放的實驗環(huán)境下，為實驗的教與學提供最優(yōu)化的教學資源，為教師提供簡便有效的實驗室管理、教學方案與方法，為學生提供虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的優(yōu)化的實驗環(huán)境與資源，使學生在真實的實驗環(huán)境中利用最少的時間，掌握基本的實驗操作技能，并在此基礎(chǔ)上能進行一些力所能及的創(chuàng)造性、開發(fā)性的實驗研究。

如果從不同的側(cè)重點和角度出發(fā)，也會有不同的較為具體的理念，例如從遠程教育角度來說，就要側(cè)重實驗的虛擬；從實驗室管理來說，就要側(cè)重人性化和高效的管理系統(tǒng)；從科研的角度來說，就要設(shè)計利于學生和教師交流的平臺和開放綜合的實驗環(huán)境，有的是基礎(chǔ)實驗室，有的是綜合實驗室，有的是開放實驗室。不同的學校也有不同時期的側(cè)重點，但這些都是在數(shù)字化校園總的指導思想下進行的。

2.2 數(shù)字化實驗室的設(shè)計原則數(shù)字化實驗室的設(shè)計原則是其建設(shè)的保障，是它的建設(shè)理念的具體化和體現(xiàn)，也是它應該具有的特征。

總的來說，數(shù)字化實驗室應該具有3個特征：開放性、人性化和過程化。數(shù)字化實驗室的開放不僅是時間和空間上的開放，更為重要的是教學內(nèi)容與教學方式的開放。在整個實驗教與學的過程中，學生面對的學習資源應該是人性化的，整個實驗教學中心應是一個實驗教學的支持服務系統(tǒng)。另外，它的管理是全方位的面向過程的，是動態(tài)的不是靜止的，其中既有從學校到教務處直至院系的縱向管理，也有各實驗室之間的橫向溝通[1]。

3 數(shù)字化實驗室的功能模塊與實現(xiàn)技術(shù)

3.1 數(shù)字化實驗室的功能模塊數(shù)字化實驗室需要實現(xiàn)3種功能：實驗教學、科研和實驗的相關(guān)管理。它所包含的功能模塊也應圍繞這3個功能來設(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為其功能模塊應該包括教師教學管理、學生學習實驗及實驗教學資源模塊[1]。長安大學龍玲認為，基于數(shù)字化校園總體框架的數(shù)字化實驗室應由實驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、實驗教師授課系統(tǒng)、實驗學生學習系統(tǒng)和檢測校準系統(tǒng)組成[2]。

微觀層次上，由于各個學校側(cè)重點和建設(shè)階段的不同，具體的模塊也各不相同，清華大學在實驗過程支持、實驗資源支持、實驗教學管理及展示支持3大功能模塊下又有眾多的子模塊。實驗教學管理、電子實驗報告、學生實驗門戶網(wǎng)站、虛擬儀器、監(jiān)控與支持系統(tǒng)等，是東南大學開放實驗室的功能模塊。吉林大學國家級生物實驗教學示范中心的功能模塊是師資隊伍、選課系統(tǒng)、儀器預約、規(guī)章制度等。

3.2 數(shù)字化實驗室的實現(xiàn)技術(shù)目前數(shù)字化實驗室的實現(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、更直觀，具有其他技術(shù)所不能代替的作用，如可實現(xiàn)資源共享，學生的野外旅行，對于幾十、甚至幾百公里以外人員無法與之接近的環(huán)境監(jiān)測等[3]。另外，將Java Applet的良好交互和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)特性與Matlab/Simulink強大的系統(tǒng)仿真功能結(jié)合起來，實現(xiàn)一種新的數(shù)字化實驗方法，增強實驗的交互性與真實感，降低開發(fā)難度，提高開發(fā)效率[4]。

國外也有用網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化實驗室建設(shè)的。這種方法可實現(xiàn)不同學校和研究中心實驗室間的交流與合作。

4 總結(jié)

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

任何一種媒體和技術(shù)都沒有好壞之分，功能的關(guān)鍵在于人，所以，數(shù)字化實驗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的教學科研理念，表現(xiàn)為如何激發(fā)和調(diào)動教師和學生利用、挖掘這些硬件和軟件，如何在平臺上設(shè)計和實施教學和科研。人員結(jié)構(gòu)上，教師的合理安排以及學生的合理分組，都會影響教學的效果。在管理方面，雖然是在網(wǎng)絡(luò)上的管理，但是也要有現(xiàn)實世界中的最自然的管理參與的作用。

參考文獻

[1]徐朝軍,李藝.數(shù)字化實驗室的建設(shè)[J].實驗室研究與探索,2003(2):9-12

[2]龍玲.高等學校數(shù)字化實驗室的功能設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2004(9):24-25

[3]盧鳳珠,吳達勝.基于GIS技術(shù)的高校數(shù)字實驗室建設(shè)[J].理工高教研究,2004(10):103-104

[4]許又泉,李仁發(fā).基于matlab和Java Applet的數(shù)字化實驗室研究[J].微計算機信息,2007(1):259-261