研究生實驗教學平臺的數字化建設與實踐

朱燕紅, 史美萍, 謝海斌

(國防科學技術大學 機電工程與自動化學院，湖南 長沙 410073)

0 引 言

近年來，國內外許多高校紛紛立項建設實驗教學實踐基地，為高等學校進行科技創新活動提供了良好的實踐環境[1-3]。然而，這些頗具規模的實踐環境卻呈現出物質規模大于內涵質量的不良現象，研究生實踐環境因其對開放性、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，造成了一定的教學資源浪費。

教育部于2005年開始實施實驗教學示范中心建設工程，并指出通過信息化建設來達到優質資源共享的目的[5]。我校在 “十一五”期間構建了 “控制科學與工程研究生綜合實驗中心”，目前已建成現代控制技術、智能系統技術和制導控制技術3個實驗室和1個機器人技術創新基地。本中心秉承“素質教育和創新教育”的現代教育理念，努力探索應用型創新人才培養新模式[6]，以“服務優先、質量至上”為宗旨，在已有的物質基礎上著眼于軟環境的建設與實踐，構建了一個數字化教學服務體系。

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

1 控制學科研究生實驗教學存在的問題

目前，根據研究生培養特點[7]，研究生實驗教學面臨的問題主要表現在以下幾個方面：

(1) 從管理模式而言。如何把研究生實驗室開放式教學管理落到實處。統一課堂授課模式已經不能適應“素質教育和創新教育”的現代化教育理念要求。為了更好地實現資源共享，提高設備的利用率，必須實現實驗室的開放式教學管理，打破時間、空間、內容和專業限制堡壘。而傳統的基于紙筆、單機和教員職守的方式顯然難于實現真正的開放。需要有一個服務于開放式管理的平臺來保障其安全有效的運行[8]。

(2) 從教學實施保障條件而言。如何保障管理復雜軟硬件環境使實驗室高效穩定運行。控制類實驗室的硬件一般都是計算機和典型控制對象的結合，每一臺計算機都要內插/外接各種硬件板卡/設備，并安裝各種復雜的軟件系統和工具語言等，為了保證實踐教學的高效運行，這些系統在開放狀態下需要時刻保持正常，一旦出現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重裝，而傳統的裝機和維護方法，以及傳統的設備管理模式無疑是一個十分費時費力的過程，不利于提高教學資源的利用率[9]。尤其是隨著高等教育招生規模的不斷增大，要求高校實驗中心相應的擴大實驗室規模，增加設備種類和臺套數，資料膨脹導致設備管理的問題將愈加突出。

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

2 網絡化開放平臺服務于教學管理模式

實驗室開放管理通常包含實驗預約、資格審查、進入實驗場地、實驗過程、數據歸檔、事故追查等方面。隨著高校數字化校園建設的日益完善，充分利用校園信息化、網絡化資源是實現開放式實驗室管理的一種有效手段[10-11]。我校控制學科研究生綜合實驗中心經過多年的建設與實踐，目前已構建了一個基于校園網的數字化資源一體化服務平臺。該平臺將實驗中心門戶網站、自主實驗預約系統、門禁管理系統、全程視頻實時監控系統、教學資源共享系統、儀器設備管理系統、實驗效果檢驗評估系統、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]。

門戶網站實現了實驗中心基本信息公示和動態新聞發布，以及課表查詢、學生實驗預約、資格審核、個人預約查詢、在線論壇等功能。結合網上實驗預約和實驗過程監控等手段，教師和學生可以通過服務平臺了解實驗中心場地、資源現狀，管理人員也可以對實驗中心資源進行更好的調度和管理，學生可以與管理員和老師遠程互動，掌握最新的課程信息，進行自主實驗預約。

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

實現實驗中心開放式管理的傳統方式和數字化方式對比如表1所示。

表1 實驗中心開放式管理方式對比

3 數字化教學環境優化實驗教學實施條件

教學活動實施主要分為實驗準備、教學實施和實驗數據傳輸存儲3個過程，實驗中心著眼這3個實施過程以及設備的管理進行數字化教學環境建設[13]。

3.1 教學準備過程數字化建設

實驗前準備包括實驗環境準備和實驗過程準備兩部分。其中，實驗環境準備主要是指為實驗開設提供必需的軟硬件環境，包括配備有多媒體設備和內部局域網的專門實驗室，裝有實驗所需應用軟件的計算機，實驗專用設備及耗材，可供實驗資料下載、實驗數據上傳和實驗過程監控的網絡服務器等。實驗過程準備主要是指在實驗開設前加強實驗相關理論知識與實驗常見問題的整理與積累，做好實驗課件，設計好實驗報告形式等。經過多年的積累，目前實驗中心已建立了實驗環境常見故障數據庫和相關實驗內容關鍵測試點DEMO庫，并形成了一套規范的教學準備體系。首先是實驗環境準備，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據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據庫；遇到不能局部排除的則啟用硬件還原卡或ghost備份還原系統進行應急恢復，確保實驗環境正常運行；其次是進行實驗內容準備。實驗中心根據多年的運行經驗組織相關課程的老師建立了實驗內容測試庫，測試庫里有根據經驗總結的針對每門課程設計的關鍵測試點，調通這些關鍵測試點就能驗證實驗系統的正常完好，與測試點相對的是課前設計好的demo，直接調用相應的demo或搭配簡單的線路連接就能方便地進行測試點實驗。規范的教學準備體系流程如圖1所示。

3.2 多媒體教學過程數字化建設

多媒體教學過程的數字化主要包括構建內部局域網和多媒體教學視頻庫，安裝基于局域網的電子教室以輔助多媒體教學，提高實驗課堂教學質量。

教學過程中，學員各就其位，教員通過教師機發布指令，可以完成對所有或指定學生機的系列操作，實現屏幕廣播、學生端屏幕監控、遙控管理操作、收發作業、群組在線討論等豐富的網絡教學功能。使得空間較大，人數較多且不能集中的實驗教學變得輕松簡單。

結合錄屏軟件和DV等其他音像設備，形成規范的多媒體教學視頻庫，隨時隨地的復現課堂，成為教員備課和學員學習的重要參考資料。

3.3 基于服務器的數據傳輸存儲體系建設

為了方便實驗過程的數據傳輸和存儲，實驗中心建設了基于專用服務器的數據傳輸存儲系統，通過局域網與實驗室其他工作電腦相連，在局域網上安裝文件傳輸軟件來實現數據的存儲、傳輸和下載，文件通過構建客戶機/服務器系統進行傳輸，保證了數據傳輸和存儲的安全性，輕松實現實驗數據的熱備份。

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、實驗指導書、多媒體課件、作業模板等相關資料；實驗中心管理人員上傳實驗需要的設備說明書、操作手冊、實驗要求等，并及時維護和整理學生上傳的實驗數據，保證實驗數據庫的及時動態更新；學員可以及時地獲取課程實驗或自主實驗所需要的相關參考資料，并且上傳每次實驗的數據。

3.4 設備管理數字化

實驗中心基于Web開發了專門的實驗中心儀器設備管理系統，掛靠在實驗中心的門戶網站，對實驗室設備進行系統化、規范化、信息化的管理[14]。儀器設備管理系統主要內容包括實驗設備的入庫出庫、實驗設備的日常維護與及時報修機制、設備損壞時的責任追查等。將實驗設備名稱、型號規格、配件、單價、生產廠家、性能技術指標、設備說明書、操作手冊、所屬實驗室、存放地點、環境要求、購置日期、維修情況、使用狀況、預約情況等各種參數輸入系統進行動態管理，并與自主預約實驗系統聯動，實驗中心管理人員通過儀器設備管理系統并結合視頻監控系統，隨時掌握所有儀器設備狀態，進行實時跟蹤，定時測試、維護、保養。學員可以在線了解儀器設備的相關參數，根據實驗儀器設備狀態來預約實驗，極大提高實驗預約效率和儀器設備利用效率。在管理系統中提供了各種設備的說明書和操作手冊，還提供了相關的軟件可供免費下載。

同時，把安全操作手冊作為設備管理系統中的一個重要部分，學生所預約的實驗如需使用到大型或精密設備，在選定實驗后網站后臺自動彈出設備管理系統中相對應的安全操作規則，學生必須通讀完并確定后才能成功預約當前實驗。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的設備損耗，提高安全素質，杜絕安全事故的發生[15]。

4 動態數字教科書建設促進教學資料的有效利用

實驗中心依托現有實驗環境和實驗設備，結合學科專業特色建立了規范數據庫。已建成的包括：標準實驗數據庫、實驗案例庫和仿真系統庫。

標準實驗數據庫是指結合學科專業特色事先采集相關數據建立起來的一些可以直接被調用的標準數據資源，既可用于課程實踐教學又可用于科學研究，有效的簡化實驗教學和科學研究的前期準備工作，提高工作效率。目前標準試驗數據庫以模式識別系列課程為切入點，具體構建了路標識別數據庫、道路識別數據庫、行人檢測數據庫等。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、簡單硬件設備和相應的說明文檔。目前庫內有模擬電梯控制系統、桿球平衡系統、云臺控制系統等，為教學和科研工作提供參考，也可以從應用層面上有針對性的幫助新學者快速上手。仿真系統庫是為了提高教學質量專門針對課程內容把學習結合各種典型案例建成實例仿真系統軟件，如“警察抓小偷”，“空中戰斗對峙”等，在機房里安裝運行仿真軟件便可以輕松實現情景模擬。這種結合具體情景的授課模式使得學習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的知識點在未來的工作中是如何應用的，有助于學員準確理解知識并提高學員的學習興趣。

通過不斷地開發新的教學資源，并融合各方面的信息，實驗室教學資源管理系統可以不斷地得到完善。結合實驗中心網站、實驗室管理系統可以滿足教師和學生實現檢索、瀏覽、下載、視頻點播、在線交流、資源共享等功能，方便在線學習的同時，也方便實驗管理人員做好科學統一調配管理，形成了一部動態的、帶視聽的、不斷更新的立體化實驗教學教科書，有效地提升了任課教員的備課效率和學生自學的積極性。

5 結 語

國防科技大學控制科學與工程研究生綜合實驗中心通過構建數字化教學服務體系，切實提高了實驗中心的運行效率，從真正意義上實現了開放式教學管理模式，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，有利于調動學生學習的積極性和挖掘學習潛能，促進學生的個性化發展，使得實驗教學和管理上水平、出效益。目前，實驗中心已開設12個教學實驗單元和8個綜合實踐項目，同時還可為控制學科相關方向的創新實踐活動提供了專門的平臺，課外指導的學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、新型發明專利1項及省級獎勵多項。

實踐證明，加強實驗室軟環境建設是教學改革中的重要舉措[16]，如何將現代化手段不斷完善應用，促進投入資源的節約和高效利用，實現高校實驗室可持續發展，同時保證其安全性、穩定性是實驗室建設過程中必須注意的，也是下一階段的工作重點。

[1] 左鐵鏞.高等學校實驗室建設的作用與思考[J].實驗室研究與探索,2011,30(4)：1-5.

ZUO tieyong. Action and reflection on the construction of laboratories in Universities[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011,30(4)：1-5.

[2] 范冬梅.從創新能力的培養談研究生實驗教育的改革[J].實驗室研究與探索,2008,27(8)：7-9.

FAN dongmei. On the reform of the experimental education of postgraduates from the cultivation of innovative ability[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2008,27(8)：7-9.

[3] 蔣德瓏,王克文,尹淑萍.研究生創新實驗實踐基地建設的探索與研究[J].實驗室科學,2011,14(3): 164-166.

JIANG delong,WANG kewen,YIN shuping. Exploration and research on the construction of graduate innovation practice base[J]. Laboratory Science, 2011,14(3): 164-166.

[4] 吳小安. 淺談實驗室改革創新[J]. 科技信息，2011(15)：539-541.

WU xiaoan. Discussion on the reform and innovation laboratory[J]. Science and Technology Information, 2011(15)：539-541.

[5] 田曙堅,王 巖,徐金榮.實驗教學中心信息化建設的認識與探索[J].實驗室研究與探索, 2010, 29(9)： 92-94.

TIAN shujian,WANG yan,XU jinrong, The informatization construction understanding and exploring of experimental teaching center[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2010, 29(9)： 92-94.

[6] 郝建新，馬伯寧，余 莉，等.建設創新型研究生實驗室的思考[J].電氣電子教學學報.2012,34(6):46-48.

HAO jianxin, MA boning, YU li,etal. Study on construction of innovative students Laboratory [J].Journal of EEE, 2012,34(6):46-48.

[7] 王雪松,李儉川,鐘海榮，等.緊扣高層次創新軍事人才培養需求全面落實新一輪研究生培養方案[J]高等教育研究學報,2009(32)：7-9.

WANG xuesong,LI jianchuan,ZHONG hairong,etal. Implement at a new round of postgraduate training plan comprehensive on demand of training high-level innovative military talent[J]. Journal of Higher Education Research, 2009(32)：7-9.

[8] 陳愛武，郭丙琴.新型開放式實驗室管理系統的研究[J].湖南科技學院學報，2012，33(12)：35-37.

CHEN aiwu,GUO bingqin. Study on a new type of open laboratory management system[J]. Journal of Hunan University of Science and Engineering, 2012，33(12)：35-37.

[9] 馬玉民.淺談實驗室設備管理[J].中國儀器儀表,2011(9)：61-65.

MA yumin. Discussion on the laboratory equipment management[J]. China Instrument, 2011(9)：61-65.

[10] 王 洪.教學實驗室信息化管理研究與建設[J].中國教育技術裝備,2012(2)：20-22.

WANG hong. The study and construction of informationization management in teaching laboratory[J]. China Educational Technology and Equipment, 2012(2)：20-22.

[11] 杜鵑，王國勇. 機電類專業開放式實驗室管理模式初探[J].中國科技信息，2011(11)：188-189.

DU juan,WANG guoyong. Open laboratory management mode of professional mechanical[J]. China Science and Technology Information, 2011(11)：188-189.

[12] 甘小紅.高校開放式實驗室管理系統的設計與實現[J].中國教育信息化，2010(3)：47-49.

GAN xiaohong. Design and implementation of college open laboratory management system [J].China Education Information, 2010(3)：47-49.

[13] 孫 曜,暨仲明.多模式開放型實驗教學體系[J].實驗室研究與探索,2010,29(1)：141-143.

SUN yao, JI zhongming. Multi mode and opening experimental teaching system[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2010, 29(1)：141-143.

[14] 戚 平,王 林,李 末.實驗室設備管理系統開發中的問題解決思路[J].電子設計工程,2012,20(6)：38-40.

QI ping, WANG lin,LI mo. To solve the problem of developing laboratory management equipment system [J]. Electronic Design Engineering, 2012, 20(6)：38-40.

[15] 莫文貞,文尚勝,郭廣玉等.高效基礎實驗室設備管理及安全現狀應對策略[J].實驗室研究與探索,2011,30(8):426-428.

MO wenzhen, WEN shangsheng,GUO guangyuetal. High efficient basic laboratory equipment management and security strategy[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011,30(8):426-428.

[16] 蘇丁丁,熊興耀,程 鵬等.國家重點實驗室建設現狀與思考[J]. 實驗室研究與探索,2011,30(6)：88-91.

SU dingding,XIONG xingyao, CHENG pengetal. Construction and thinking of state key laboratory[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011,30(6)：88-91.