依托“三網融合”平臺創新實驗教學與管理模式研究

曾志強

實驗教學是高等教育的重要組成部分，是學生實踐應用能力和創新能力培養的必需環節。高校開放實驗室實現智能化管理模式是培養創新人才的新途徑，也是實行實驗教學改革的重要過程。

隨著計算機網絡技術的快速發展，“三網融合”成為信息化發展的必然趨勢。高等學校作為科研的先驅，已經普遍使用計算機系統來進行實驗室的管理工作，這大大地提高了實驗室管理水平和工作效率。開放實驗室智能化管理不僅是指儀器設備與時間概念上的開放，更是指實驗課程、實驗項目、研究課題和實驗教學方法的開放管理。為此，如何使廣大的學生更充分地利用現有實驗室資源，成為開放實驗室管理急需解決的首要問題［1］。

1 “三網融合”是現代通信和計算機網絡發展的產物

所謂“三網融合”即計算機互聯網、電信網和有線電視網絡相互滲透和融合，形成統一的網絡系統，并以全數字化的網絡設施來支持包括數據、圖像和話音在內的信息通信。2009年工信部在公布的《電子信息產業調整和振興規劃》中明確提出要加快第三代移動通信網絡、下一代互聯網絡和寬帶網建設，開發符合新型移動通信網絡特點和移動互聯網要求的新業務、新應用等來推進“三網融合”［2］。隨著信息技術的不斷創新和發展，信息數字化已經成為必然趨勢，多媒體信息處理已經能夠實現在同一個計算機網絡系統和電信載體上傳輸和處理數字、文字、語音、圖像和視頻的基本信息形態，“三網融合”將成為信息化發展的必然趨勢［3］。

高校在應用現代通信和計算機網絡技術方面具備良好的基礎，在校園網規劃建設中實現“三網融合”，通過優化現有網絡配置、采用全數字化連接、綜合利用整合網絡資源、高度集成寬帶數據交換與傳輸、智能化管理與控制、簡化終端接口等方式改造多媒體信息網絡，提供視頻、語音、數據等多媒體信息服務［4］。在技術設備上，利用先進的PTN傳輸承載技術、FTTX技術和GPON寬帶接入技術將廣電、傳統電信網、因特網等進行融合，并引入軟交換、IPTV/數字電視等業務［5］，實現全數字化的網絡設施所支持的數據、話音和視頻業務，在教學上實現多媒體教學、網絡教學、實驗室智能化管理、視頻實驗教學、校園安全監控等功能［6］。在校園應用“三網融合”網絡平臺優點是校區內不需要重新布線，充分利用了原有的設備，改造速度快，給學校的管理和教學提供更加周到便捷的服務。

2 構建實驗室智能化管理系統，創新實驗教學與管理模式，實現實驗室的完全開放

實驗室智能化管理系統由實驗室控制主系統和實驗室子系統組成。實驗控制主系統由主控計算機、射頻讀卡器、信息發射接收系統組成，實現各種控制信號采集、數據存儲、運算控制、信息傳輸。實驗室子系統由實驗室主控計算機、實驗臺控制板、實驗臺電源控制器、射頻通信系統組成［7］。該系統能夠實現控制各實驗臺狀態，同時利用實驗臺輸入設備和傳感器采集實驗臺信息，實現信息在計算機和射頻讀卡器的傳遞接收。主要實現以下實驗室常規管理功能。

（1）實驗信息智能化管理。將實驗預約、個人信息、身份認證、網上輔導、實驗報告提交等模塊與實驗人員在實驗室做實驗情況采集到數據庫管理系統并進行統一管理。

（2）實驗室每臺儀器的智能化管理。提高實驗設備利用效率，優化實驗室資源配置，實現實驗室全方位、全過程開放［8］。

（3）實驗設備電源自動管理。通過身份認證自動打開實驗室及設備電源，離開時關閉實驗室總電源。

（4）實驗設備故障情況自動登記。實驗設備出現故障，系統將自動登記存檔，并及時告知管理人員進行維修，設備修好后將信息存入數據庫，自動開啟使用。

（5）實驗設備移動報警并記錄。對實驗設備安放位置進行管理，當發現實驗人員移動實驗臺儀器或將實驗設備帶出實驗室，報警系統發出警告信號，并通知實驗管理人員進行處理，同時將違規記錄儲存到該實驗人員記錄中。

高校實驗室資源的利用效率和管理水平直接反映一個學校的教學實力和辦學質量，如何加快實驗室建設并規范管理，充分發揮實驗室資源的效益，是實驗室建設與發展中亟待解決的問題。為保證實驗教學的順利開展，需要將實驗室資源更加合理地利用，提高實驗教學的開放層次，充分利用實驗課堂和業余時間將實驗室對師生開放，構建真正意義的開放實驗室。利用“三網融合”的資源，充分發揮實驗室功能，整合實驗資源，推進實驗教學規范化和教學技術現代化進程，實驗室管理的智能化就顯得特別重要，在實驗室使用、儀器設備配置、實驗專業技術隊伍建設、實驗室檔案管理等方面建立智能化管理系統，是高校實驗室管理體制改革的必然趨勢。

2.1 設置智能卡門禁及視頻監控系統，構建開放實驗室

智能卡門禁系統由射頻讀卡器、主控計算機、數據發射接收系統和電控門鎖組成。智能卡門禁系統的使用可以提高實驗室的工作效率和管理水平，降低管理費用，提高管理檔次。構建高效、安全、節能的開放實驗室，智能化門禁管理系統在高校實驗室的應用是一個必然趨勢［9］。智能卡是持卡人的電子門匙，用于開啟已授權的實驗室。將射頻卡編號作為師生的信息存儲、查詢、修改管理的身份認證識別碼，通過在智能卡門禁控制器上授權持卡人進出實驗室的權限和時段信息，實現嚴密而靈活的實驗室管理，有效而禮貌地防止非授權人員的進出。師生的全部信息由網上實驗室系統進行管理，管理人員根據實驗室的安排計劃設置持卡人進出各實驗室的權限、有效時段，設置用卡或卡＋密碼等開門方式。通過查詢門禁系統的進出記錄，作為進出人數統計或事故核查的依據。

在設置智能卡門禁系統的同時又建立實驗室視頻監控系統，既提高實驗設備利用率又能有效監控儀器設備使用情況，設備故障能及時發現及時維修。視頻監控系統由攝像機、服務器、傳輸網絡和監控端組成。數字視頻監控系統無需建設專門的信號傳送網絡，信號傳輸通過校園網實現，在監控中心實時顯示所有監控實驗室的視頻；可以在監控中心發出指令控制前端設備，使安裝在實驗室的攝像機可迅速定位及連續追蹤掃描，實現無盲點、全方位監視；通過配置有遠紅外功能的攝像機，達到全天候監控。

監控人員通過對系統的操作，可觀察所有監控實驗室的視頻圖像，任意切換監控點并在需要時進行錄像。采用數字化壓縮及前后端混合式存儲處理技術，能在回放以前資料的同時不影響正常錄像，保證資料的完整性，同時還可以將重要資料進行備份和打印，這不但有利于重要資料的保存和管理，還可以根據報警信號的發生自動實時記錄現場情況，隨時可從系統數據中查詢相應的資料。

2.2 開設網絡實驗室，推進實驗教學改革

網上實驗室能實現“實驗預約”，“網上實驗”，“網上輔導”，“實驗報告提交”等功能。各種實驗管理數據在網上實驗室管理系統與控制室主系統之間進行傳遞，同時將這些信息傳遞到各控制室子系統，實現對各實驗室的智能控制。實現網上實驗教學，其主要目的是讓學生在實驗環節中對實驗項目更加具有針對性，實驗項目的管理更加完善，實驗評價更具個性化和客觀公正性，給學生以人性化、彈性化的發展空間。這將有利于學生在學習過程中產生積極的情感，切實提高學生對知識的理解和實際操作能力。網上實驗教學的應用，改革了傳統的實驗教學模式，有效地強化了實驗教學的效果。由于高校連年擴大招生規模，在校學生迅速增加，許多高校實驗場地、實驗設備儀器、師資力量均嚴重不足，實驗課程的教學出現很大困難［10］。解決這些問題的一種有效辦法是開設網上實驗教學。

在網上實驗教學中，可充分發揮校園網絡優勢，不受時間和場地限制，只要能上網就能做實驗，真正激發學生實驗的興趣。實驗教師可先將實驗內容和要求發到網上，通知學生下載并預習，了解實驗步驟，做好實驗準備；學生在網上觀看實驗教學課件、實驗過程錄像、實驗過程動畫等資料，然后根據實驗步驟進行操作，按要求完成實驗；教師可以在網上給學生以具體指導，及時發現并幫助學生解決操作中的問題，實驗課后在網上提交實驗報告。網上實驗教學的實施和實現可解決目前實驗教學中存在的問題，可以提高實驗教學效率，實現實驗教學模式的革新和教學質量的提高［11］。三網融合為網上實驗教學提供了良好的平臺，是計算機技術和多媒體技術相結合的產物，是實驗教學發展的必然趨勢。

2.3 應用視頻系統，使實驗教學具有遠程學習功能

視頻實驗教學系統的主要功能是采用現代通信技術將教師現場實驗的圖像、聲音和電子白板等信息實時地傳送到遠端教室或學生的學習界面上，通過該系統，遠端的學生可以看到并聽到教師實時的實驗教學，又可實現教師、學生之間進行實時交流。教師在實驗教學活動中可以看到學生的表情和動作，聽到學生的聲音，并可和學生進行異地實時交流，達到現場教學的效果。應用視頻實驗教學，它不僅創造良好的交互式學習氛圍和提供了現代化的教學手段，而且提供給學生更多更靈活的學習方法，既能夠充分調動學生的學習積極性，也可以提高教師教學的工作效率，讓教師的教學工作事半功倍。

視頻實驗教學是利用現代的三網融合技術平臺，將教師實驗和學生觀看的靜、動態圖像、圖片、語音、文字等多種資料實現實況互現，使得在地理上分散的實驗室可以共聚一處，建立點對點或多點之間的雙向視頻、雙向音頻，以及數據等交互式信息的實時通信與共享，實現教師做實驗、學生觀看實驗過程、實時雙向交流、課件演示，作業分發與回收等功能。實現過程是教師在實驗室上課，通過攝像頭、麥克風、音響等多媒體設備將其聲音、圖像、數據等傳送到視頻實驗教學系統主控機房，利用視頻實驗教學系統將其實驗過程內容數字化后再利用網絡傳輸到各個分視頻實驗教學系統接收機上，各分實驗管理技術人員在主控機房調控、接收實驗室傳送過來的實驗教學信息，傳輸到多媒體教室的計算機上，最后在多媒體教室通過投影儀、屏幕、音響等多媒體教學設備顯示實驗過程內容，實現實時通信、同步實驗教學、信息資源共享等實效。

2.4 構建微格實驗教學系統，提高學生實驗操作技能

融入網絡信息技術的微格實驗教學系統與數字化、網絡化設備接軌，把現代的微格教學系統通過交換機或路由器等設備連接校園網，構建成微格實驗教學系統［12］。

（1）利用主控制臺有效實時快速地對微格實驗室的實驗過程進行處理。控制中心通過視音頻控制技術及音/視頻數字處理器，可對任意一臺攝像機信號進行監視，控制人員可以對實驗室內的實驗教學全過程從不同方位進行監控、錄像，通過操作多功能云臺、多倍變焦鏡頭對實驗操作人員的動作拍攝特寫鏡頭，對實驗室內的聲音可進行同期錄音。主鏡頭進行錄像時，可對其他鏡頭進行預覽并預調，再切換入主畫面，控制任何一臺攝像機，并將信號通過不同軌道自由切換，控制人員通過特技機完成多鏡頭之間的特技鏡頭切換，實現對整個實驗過程的監控錄像。

（2）利用多媒體技術、網絡技術在微格實驗教學中自動生成網絡課件。通過中心控制室，可隨時將微格實驗室內上課的優秀教師實驗課或學生實驗練習實時全程的視頻信號和音頻信號直接送到視音頻采集卡進行實時視音頻采集。采集后的信號可存于服務器硬盤或使用專用軟件對其進行編輯、制作和過程處理后，把需要刻錄光盤的內容直接刻錄制成光盤課件，為課后研討及精品實驗課程增添更多的教材。

（3）利用微格實驗教學系統的優勢，能提高培養學生實驗操作技能方面的效率。微格實驗教學是一種模擬實景的實驗教學，實驗操作技能培訓則是面對真實環境進行的完整的實踐課程。微格實驗教學的目的是讓學生實踐所學的實際操作技能，逐漸熟練地掌握。在融入現代信息技術元素的微格實驗操作技能培訓中，多個監視器可以看到不同攝像機的拍攝畫面，受培訓者能及時看到自己的實驗操作過程，獲得自我反饋信息，利于及時修正。同時教師可以在計算機控制室中進行實時點評，并將操作情況保存在硬盤上，并根據需要，可以隨時播放。這利于教師掌握實驗教學中的個別情況，減輕了指導教師的負擔，使之能有更多的時間對學生的實驗工作進行評價和指導。微格實驗教學系統將全面提高實驗教學在培養學生實際操作技能的效率，達到提高實驗教學效果的作用。

3 結束語

高校構建“三網融合”應用平臺，必將促進高校管理與教學創新，進而促進教學方法的改變。作為知識與創新的匯集地，高校在應用新技術方面必須創造一種有效的運行模式，實現管理與教學共贏。構建一個集語音、視頻和信息數據于一體的實時、交互、多媒體化的基于“三網融合”技術的校園網應用于實驗教學，整合實驗資源和實現實驗教學創新，可以把實驗教學、實驗管理等各部門連接成一個有機整體。提高高校實驗教學與管理信息化應用水平，是未來高校發展的趨勢。

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