基于CDIO理念的開放實驗教學體系及其Web管理系統開發

[摘要]開放實驗室建設可以促進CDIO工程實踐教學中‘設計—實現’環節的連接。針對燕山大學機械學院目前的實驗教學現狀，提出了實現開放實驗教學的必要性、目標及著眼點，探討了開發實驗教學體系的總體架構，分析了實現開發實驗教學的前期關鍵技術。在此基礎上，開發了實現開放實驗教學的Web管理系統，描述了該系統的工作流程。該系統已在本科實驗教學中進行了測試，測試結果運轉良好，為開放實驗教學的進一步發展奠定了基礎。

[關鍵詞]CDIO；開放實驗教學；Web系統

[中圖分類號]G642.423 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-4634(2011)04-0062-03

0 引言

CDIO代表構思(Conceive)一設計(Design)_實現(Implement)一運作(Operate)。在CDIO教學實踐中，實驗教學起著非常重要的作用，它直接關系到CDIO工程教育“設計一實現”環節的連接。燕山大學是全國首批加入CDIO工程實踐教育的高校之一。但就目前情況來看，燕山大學機械學院現有的實驗教學條件只能滿足學生在規定的時間做固定的實驗，封閉的管理模式也使現有實驗室場地及設備的利用率較低。因缺乏相應的開放管理機制，學生進入實驗室的興趣普遍較低，造成學生對專業知識的理解只能停留在課本上，影響了學生對本專業的學習積極性。針對這一現狀，本文探討了構建開放實驗教學體系的長期規劃以及關鍵技術，開發了開放實驗教學體系的Web管理系統，為開放實驗教學的進一步發展搭建了網絡平臺。

1 開放實驗教學體系總體構想

1.1 目標和著眼點

我國高校經過近年的改革、探索實踐，在實驗教學如何培養創新型、綜合型高素質人才方面已經形成了基本共識：要使高校實驗室真正成為學生實踐能力和創新精神的培養基地，必須對已有實驗室和實驗教學模式進行改革，構建開放實驗室，實施開放式實驗教學。

開放性實驗室是基礎實驗室和專業實驗室在傳統實驗室功能上的拓展，旨在豐富實驗室在傳統實驗教學上的應用，提高高等院校實驗室儀器設備的使用效率。開放實驗教學的著眼點是，因材施教實施個性教育，注重實踐能力的培養。開放性實驗教學可以根據成本、格局、目標、學生數量及每個學生對學科知識的掌握程度不同，設定不同的設計及操作議題。與常規實驗室相比，開放實驗室可以大大激發學生對實驗課程的興趣，增強學習動機，培養自主創新能力，使得學生的綜合素質得到提高，從而使CDIO工程教育的新方法得以實現。

1.2開放實驗教學體系總體架構

CDIO開放實驗室建設與管理是一項較復雜的系統工程。從長遠來看，規劃后的CDIO開放式實驗室總體體系結構見圖1。開放實驗教學體系應具備如下功能：(1)開放式實驗教學；(2)多媒體網絡教學；(3)相關課程的專題設計。CDIO開放式實驗室的特點要適用于不同層次、不同專業、不同課程的特點和需求，利用計算機軟件技術可全面解決計算機的運行和管理問題。規劃后的燕山大學機械學院開放實驗室具有以下功能：(1)開放式實驗室網站設計；(2)門禁管理系統的設計和應用；(3)學生和教師信息庫的建立及考核管理。具備上述功能開放式實驗室計算機管理系統所需的關鍵技術有：(1)計算機網絡技術，包括網站的設計、界面的開發、接口的連接等等；(2)數據庫技術，包括數據庫的設計、查詢、修改等；(3)軟件開發技術。

1.3前期關鍵技術

為了充分發揮和利用好現有設備和資源，研究和規劃開放式實驗室的前期建設工作非常重要。就目前現有條件來看，CDIO開放實驗室的重點建設目標是專業課程的開放式實驗教學，首要任務就是建立有效健全的開放式實驗室管理模式以及確定順利完成開放式教學任務的關鍵技術。

實驗室開放后，學生可以隨時來做實驗，自主性較以前大大提高。同時也會使實驗較為零散，實驗室的性質也有所改變，但給實驗室的管理帶來了一定的困難。因此，應對開放實驗室從人員、計劃、儀器設備、經費實行一條龍管理，合理安排儀器設備和實驗室的使用，避免多個實驗同時使用某臺儀器設備。必須制定適合機械工程學院實際情況的實驗室開放管理辦法和儀器設備管理辦法，制定相關的配套政策。具體來說，機械工程學院CDIO開放式實驗室的管理建設工作應著重從以下幾個方面進行著手。

1)建立健全開放實驗室的管理規章制度。實驗中心及實驗室，必須建立健全崗位責任制和各項管理規章制度，包括安全管理制度、儀器設備管理制度、學生實驗守則、實驗技術人員職責、實驗指導教師職責、教師科研實驗室管理制度、學生創新開放實驗室管理制度等。

2)建立人力資源管理制度。為學生提供實驗選課的網絡平臺，學生按自己的興趣進行實驗查詢和網上預約，大大促進了其學習的主動性；為教師提供安排實驗課程的功能；教師可以查看學生選做的情況，與實驗相關的各種信息通過開放式實驗室管理系統發布到網上，學生也很容易獲得，進而形成了“雙向互動式”的學習氛圍。

3)建立實驗教學檔案和設備驗收管理。為避免學生在實驗過程中造成儀器設備的損壞，增強學生責任意識，進入實驗室的學生，必須對使用儀器設備的名稱與編號進行嚴格的管理與登記。同時為避免多人同時使用一臺儀器，對儀器使用進行計算機管理，避免發生沖突。

4)建立預約式的實驗管理及完善的實驗成績考核制度。學生可以根據自己對專業知識的掌握情況自主選擇做實驗時間，向中心實驗室進行預約申請，填寫預約申請表，同時中心實驗室可以根據當前的設備情況對預約進行批準或不批準。預約成功后實驗室管理人員應將學生所需的元器件、儀器設備及操作使用說明書交付給學生，并在實驗結束后，按照借用物品登記卡逐項驗收。在實驗成績考核指標中，不再只包括實驗報告和考勤登記，更應包括預習報告、實際操作能力、分析問題和解決問題的能力，使實驗成績科學地、綜合地反映學生的真實水平。

2 開放實驗室Web管理系統的開發

由于學生數量較多，開放的實驗室有限，給管理人員增加了很大的工作量和管理難度。為了使各項工作更加流暢和高效，在機械學院教學改革項目的資助下，本文開發了基于CDIO理念的開放實驗室Web管理系統。

2.1系統工作流程及測試結果

開放實驗室Web管理系統的工作流程如圖2所示。實驗預約系統由學生登錄，教師(實驗室老師)登錄，實驗公告3部分組成。實現過程大致如下：學生由“學生登錄”區進入實驗預約申請頁面，進行實驗選擇及留言。實驗室老師由“教師登錄”區進入，并根據學生提交的預約信息進行匯總、統計、分類，再通過公告板將學生的實驗信息反饋給學生。實驗教學有很多種狀態，分別是：0一來預約未做實驗、1-已預約未做實驗、2-已預約已做實驗未有成績、3-已做實驗已有成績。當有學生的狀態處于1時，實驗室老師登錄系統會收到系統提示，提醒老師確定合適的時間做實驗并發布公告。當有學生的狀態處于2時，實驗室老師也會收到整理實驗給出實驗成績的提醒。學生的狀態處于3時，說明該學生的該門實驗課程已經完成，系統會自動統計教師的工作量。

以上述工作流程為指導，開發了基于Web的開放實驗室管理系統，以輔助實驗管理人員進行信息統計和實驗管理。圖3和圖4分別是學生和老師登錄系統界面，圖5是學生預約實驗申請并發布留言頁面，圖6是教師查看學生預約信息頁面，圖7和圖8分別是教師發布公告頁面和學生查看公告頁面。

本系統開發完成之后在本科實驗教學中進行了測試，測試結果表明Web系統運行良好，可以初步滿足開放實驗教學的需要。

3 結束語

預約型開放性實驗室管理系統的建立，可使廣大的師生都參與到實驗室管理中來，減少實驗室管理人員的工作，降低實驗室管理的難度，解決師資不足、設備不足、場地不足等問題。開放實驗教學對培養學生的動手能力，全面提高教學質量，促進CDIO工程實踐教育都具有重要的作用。隨著高等教育的不斷發展，開放實驗教學是實驗教學改革的必然趨勢，是新型實驗教學的一種模式表現。

參考文獻

[1]張奇，唐奇良.高等工程教育CIO-CDIO培養模式研究[J].教育與職業，2009，(3)：32-34.

[2]何照榮.高等院校機械類開放實驗室建設與管理研究[J].科教文匯(中旬刊)，2009，(3)：47，71.