基于虛實融合的智能實驗室開放管理系統(tǒng)

唐朝暉， 吳元喜

(華中科技大學(xué) 國家級生命科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心， 湖北 武漢 430074)

基于虛實融合的智能實驗室開放管理系統(tǒng)

唐朝暉， 吳元喜

(華中科技大學(xué) 國家級生命科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心， 湖北 武漢 430074)

針對實驗教學(xué)模式中的人員、器材、過程等管理問題，設(shè)計了智能實驗室開放管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以虛實融合學(xué)習(xí)為核心，以微信、網(wǎng)站、APP為互動信息平臺，以手機、計算機、平板等多終端為載體，結(jié)構(gòu)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，使用便捷高效，在虛實融合開放實驗教學(xué)實踐中取得了良好的應(yīng)用效果。

實驗室開放管理； 虛實融合； 開放式實驗教學(xué)

2012年教育部發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》明確指出，“要為每一名學(xué)習(xí)者提供個性化學(xué)習(xí)的信息化環(huán)境和服務(wù)”[1]。信息化背景下的個性化人才培養(yǎng)已經(jīng)成為未來教育發(fā)展的主要方向，而基于虛實融合的開放式實驗教學(xué)模式倡導(dǎo)以學(xué)生為主體，以充分發(fā)展學(xué)生能力為目的，為學(xué)生個性化培養(yǎng)提供了良好的教育示范[2-3]。

20世紀(jì)60年代初，美國率先提出了“開放實驗”的概念，國內(nèi)也從上世紀(jì)80年代提出并提倡進(jìn)行開放式實驗教學(xué)模式的實踐與推廣[4]。然而，如何在保障安全的前提下提高實驗室資源的利用率，將實驗時間、資源、空間、內(nèi)容等對學(xué)生全面開放？尤其是生物學(xué)實驗，內(nèi)容更新快、周期長、原理復(fù)雜、試劑昂貴、不安全因素較多等在一定程度上阻礙了開放式實驗教學(xué)的全面實施。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動終端設(shè)備的發(fā)展，為構(gòu)建實驗室全開放的信息化管理體系，促進(jìn)開放式實驗教學(xué)的開展提供了有力的技術(shù)支持。

近年來，迅速發(fā)展的虛擬仿真實驗技術(shù)也為開放式實驗教學(xué)創(chuàng)造了良好的條件[5]。我校生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實驗教學(xué)中心自2008年起就開始在生物學(xué)及生物醫(yī)學(xué)工程、生物物理等交叉學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行虛擬實驗技術(shù)的研究[6]。2014年獲批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心(以下簡稱“中心”)，中心在虛擬實驗教學(xué)資源的建設(shè)、虛擬仿真平臺構(gòu)建等方面積累了豐富的資源與經(jīng)驗，已初步形成以“理工醫(yī)交叉、產(chǎn)學(xué)研一體”為特色、虛實融合的實驗教學(xué)體系[7-8]。

本文就以虛實融合的開放式實驗教學(xué)為基礎(chǔ)而構(gòu)建的智能實驗室開放管理系統(tǒng)及實踐作一概述，旨在能夠全方位支撐研究型大學(xué)拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 開放式實驗教學(xué)面臨的主要問題

教學(xué)管理主要指管理者通過一定的管理手段，使教學(xué)活動達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)的過程，是正常教學(xué)秩序的保證[9-10]。由于開放式實驗教學(xué)具有實驗人員、時間、內(nèi)容等多方面的不確定性，給實驗教學(xué)管理帶來了較多問題[11-12]，在生物學(xué)實驗教學(xué)中主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

(1) 器材管理：如何在學(xué)生進(jìn)行實體開放實驗前收集、整理學(xué)生對實驗器材的個性化需求，如何根據(jù)具體實驗人員、時間、內(nèi)容等安排對實驗試劑、耗材、設(shè)備等進(jìn)行及時調(diào)配及準(zhǔn)備，如何保證學(xué)生能夠安全、規(guī)范地進(jìn)行試劑配制、儀器使用，實驗過程中各類實驗器材的損壞、增補等如何得到及時反饋等。

(2) 人員管理：如何確定實體開放實驗的學(xué)生名單及其實驗時間、實驗內(nèi)容，如何在實驗指導(dǎo)教師與學(xué)生之間建立及時、有效、一一對應(yīng)的互動，以使學(xué)生在實驗過程中能夠得到教師及時的指導(dǎo)與評價等。

(3) 過程管理：如何保障學(xué)生在實體實驗過程中的安全，如何培養(yǎng)與督促學(xué)生在實驗過程中養(yǎng)成良好的基本實驗素養(yǎng)，如何對學(xué)生實驗過程進(jìn)行考核，如何對實驗結(jié)果進(jìn)行形成性評價等。

上述教學(xué)管理問題表明，構(gòu)建一個高效運行、方便實用的開放實驗教學(xué)管理體系非常有必要。總結(jié)了多年開放實驗教學(xué)經(jīng)驗，從開放實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)入手，以安全、高效、及時、方便為原則，使用網(wǎng)站、微信、APP等信息交流平臺，以手機、計算機、平板等多終端為應(yīng)用載體，以虛實融合學(xué)習(xí)為核心，設(shè)計了智能實驗室開放管理系統(tǒng)，在實踐應(yīng)用中取得了良好的效果。

2 智能實驗室開放管理系統(tǒng)的組成及功能

智能實驗室開放管理系統(tǒng)主要由系統(tǒng)管理模塊、教師課堂管理模塊、學(xué)生學(xué)習(xí)管理模塊、師生互動模塊和虛實融合學(xué)習(xí)模塊5個部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系見圖1。

圖1 智能實驗室開放管理系統(tǒng)基本構(gòu)架

2.1 系統(tǒng)管理模塊

該模塊包括用戶管理系統(tǒng)、實驗器材采購系統(tǒng)、實驗預(yù)約系統(tǒng)等部分，是對實驗教學(xué)中心用戶、設(shè)備、耗材等的綜合管理模塊，也是協(xié)調(diào)其他模塊之間互動的主要部分。

(1) 用戶管理系統(tǒng)包括學(xué)生用戶、實驗教師用戶、教輔教師用戶及其他管理員用戶，用戶模塊主要用于對各類各級用戶進(jìn)行授權(quán)、編輯等管理，確保用戶之間、用戶與系統(tǒng)之間的有效銜接。

(2) 實驗器材采購系統(tǒng)是對中心設(shè)備及耗材的使用、購買、庫存等的動態(tài)管理，教師用戶可以查看庫存情況，提出購買或使用申請，其中試劑按照國家危險化學(xué)品管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，對使用者規(guī)定了權(quán)限。大型設(shè)備或易出危險的設(shè)備使用申請者，必須有培訓(xùn)或虛擬操作經(jīng)驗方可通過設(shè)備的預(yù)約申請。

(3) 實驗預(yù)約系統(tǒng)可以讓學(xué)生有條件地預(yù)約開放實驗所需的實驗室、實驗桌、實驗主要設(shè)備等。這里的條件是指教師布置的預(yù)習(xí)任務(wù)，包括文獻(xiàn)閱讀、預(yù)習(xí)報告、課題實驗方案、虛擬實驗項目等。

2.2 教師課堂管理模塊

該模塊包括教師所授實驗課堂各類信息管理，實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理、遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)、實驗器材訂購、使用授權(quán)管理系統(tǒng)等，便于實驗教師在開放式實驗教學(xué)中，通過網(wǎng)絡(luò)對實驗臺、實驗材料、實驗儀器等使用進(jìn)行授權(quán)，并能夠?qū)崟r遠(yuǎn)程動態(tài)掌握學(xué)生的實驗、虛擬實驗等各個環(huán)節(jié)的完成情況，并在異常情況下，及時采取停電等措施，消除安全隱患，保障人員和設(shè)備安全。

2.3 學(xué)生學(xué)習(xí)管理模塊

該模塊包括學(xué)生的實驗課程、實驗項目、實驗成績、實驗報告、教師對實驗過程的反饋等各類個性化學(xué)習(xí)信息以及與實驗預(yù)約系統(tǒng)、師生互動系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、虛擬實驗系統(tǒng)等各類學(xué)習(xí)資源的鏈接。

2.4 師生互動模塊

基于微信平臺的師生互動平臺，可以讓師生之間交流更加及時有效，既可以隨時進(jìn)行實驗課程、材料設(shè)備使用等各類信息與技術(shù)的交流，也可以及時推送相關(guān)實驗的參考文獻(xiàn)、虛擬實驗資源、預(yù)習(xí)作業(yè)、實驗報告等實驗相關(guān)各類資料。

2.5 虛實融合學(xué)習(xí)系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括虛擬實驗學(xué)習(xí)、實體實驗輔助等，是整個系統(tǒng)的核心部分。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)共享的碎片化虛擬實驗項目的學(xué)習(xí)，可以熟悉開放實驗的各個環(huán)節(jié)或開展實驗設(shè)計，做好實驗前的充分準(zhǔn)備；通過設(shè)備使用學(xué)習(xí)系統(tǒng)、試劑使用說明等自主學(xué)習(xí)輔助工具，學(xué)生可以在虛擬實驗的基礎(chǔ)上，及時得到實體實驗必備的相關(guān)信息及幫助，順利開展自主實體實驗，真正做到虛實融合。

3 智能實驗室開放管理系統(tǒng)實踐案例

我校“生物科學(xué)大實驗”“生物技術(shù)大實驗”“生化與分子生物學(xué)綜合實驗”等綜合實驗課程學(xué)時數(shù)多、實驗項目綜合性和設(shè)計性強，有的直接從科研項目轉(zhuǎn)化而來，學(xué)生是具有一定實驗基礎(chǔ)的大學(xué)三年級學(xué)生，因此開放式實驗教學(xué)模式一直是我校采取的一種主要的教學(xué)形式。此外實驗教學(xué)中心還承擔(dān)了學(xué)院本科生包括iGEM、BioMod在內(nèi)的各級各類學(xué)科競賽輔導(dǎo)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的部分項目等，這些對實驗室的開放管理提出了較高的要求。

圍繞智能實驗室開放管理系統(tǒng)，通過虛擬資源使用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強化實驗基礎(chǔ)技能；通過學(xué)生在線學(xué)習(xí)考核、虛擬仿真操作與評價以及師生互動，了解學(xué)生實驗情況，落實實驗各個環(huán)節(jié)；通過網(wǎng)絡(luò)化智能管理系統(tǒng)，提高過程管理效率，保障學(xué)生實驗安全；通過形成性評價體系，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

3.1 實踐案例

圖2以學(xué)生開展一個虛實融合的開放綜合實驗項目的過程為主線，具體描繪了智能實驗室開放管理系統(tǒng)各個組成部分在學(xué)生實驗的各個環(huán)節(jié)上如何發(fā)揮管理與服務(wù)功能的。

圖2 開放管理系統(tǒng)在虛實融合實驗教學(xué)中的應(yīng)用

圖2中的實線長方框為智能實驗室開放管理系統(tǒng)的組成部分，虛線長方框為學(xué)生實驗活動，菱形框為教師/系統(tǒng)對學(xué)生相關(guān)行為/信息的判斷部分。

3.2 系統(tǒng)特點

在學(xué)生與教師頻繁互動的教學(xué)活動中，智能實驗室開放管理系統(tǒng)在時間、空間、質(zhì)量、安全、評價等方面體現(xiàn)了下述特點：

(1) 以學(xué)生為主體，體現(xiàn)教學(xué)服務(wù)理念。網(wǎng)絡(luò)共享虛擬實驗資源、通過二維碼或APP即可查詢的設(shè)備及試劑使用說明等為學(xué)生開展綜合性、創(chuàng)新型實驗提供了便利，使學(xué)生更加專注于創(chuàng)新實踐活動內(nèi)容。

(2) 以網(wǎng)絡(luò)為載體，使教學(xué)資源、實驗資源信息推送等各類信息可以在手機、計算機、平板等終端上自由使用，使管理高效、便捷。

(3) 針對實驗課堂教學(xué)設(shè)計的微信交流平臺，保障師生間的即時互動、信息及時推送。

(4) 每個學(xué)生一個實驗桌、一個實驗時間段，使實驗教學(xué)過程的管理與評價更科學(xué)，有利于教師對學(xué)生進(jìn)行個性化指導(dǎo)與管理。

(5) 設(shè)備使用狀態(tài)監(jiān)控等預(yù)警及阻止環(huán)節(jié)的設(shè)置，進(jìn)實驗室前的師生安全考試等為開放實驗過程提供了安全保障。實驗室責(zé)任人可以遠(yuǎn)程管理實驗室，處理應(yīng)急事故，避免事故的發(fā)生和擴大。

(6) 通過遠(yuǎn)程監(jiān)控學(xué)生的實驗情況，使教師可以隨時監(jiān)督及控制開放實驗活動的各個環(huán)節(jié)，提高了教學(xué)效率。

3.3 應(yīng)用成效

隨著智能實驗室開放管理系統(tǒng)的運行與完善，開放式實驗教學(xué)也逐漸被教師所接受。目前，實驗教學(xué)中心已經(jīng)有一半以上的專業(yè)實驗課或基礎(chǔ)實驗課的部分實驗項目采用了開放實驗教學(xué)，相對于幾年前的2～3門開放課程，數(shù)量得到很大提高。

新的實驗教學(xué)模式也帶來了良好的教學(xué)效果：從學(xué)生方面看，學(xué)生整體實驗設(shè)計能力、獨立操作能力、表達(dá)及與人溝通能力等有所提高，在近幾年國際、國內(nèi)各個級別的學(xué)科競賽中取得了優(yōu)異的成績，如在iGEM國際遺傳工程機械設(shè)計大賽中，我校團隊2014年獲國際銀獎，2015年和2016年獲國際金獎；在BIOMOD國際生物分子設(shè)計大賽中，我校團隊2015年獲國際金獎，2014年和2016年獲國際銀獎；在省級大學(xué)生生物實驗技能競賽中，我校學(xué)生2014年獲4個一等獎，2016年獲3個一等獎和2個二等獎；另外還有100多人參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，發(fā)表了20多篇研究性論文。從教師方面看，學(xué)生水平的提高及開放實驗的實施對教師提出了新的、更高的要求，促使實驗指導(dǎo)教師不斷提高自身的教學(xué)水平，積極參加教學(xué)改革及專業(yè)研究。近年來，在教學(xué)研究、教學(xué)競賽、課題研究等多方面獲得了多項獎勵，如中心獲得3個省級教學(xué)研究項目，1個教學(xué)研究項目獲校級教學(xué)成果特等獎，1人在學(xué)校教學(xué)競賽中獲一等獎，發(fā)表教學(xué)研究論文20多篇。

4 結(jié)語

信息化背景下的基于虛實融合的開放式實驗教學(xué)更加注重學(xué)生個性化發(fā)展及教師多樣化指導(dǎo)，這對教學(xué)管理提出了較高的要求。針對目前開放式實驗教學(xué)實踐中遇到的管理方面的問題，設(shè)計了以虛實融合學(xué)習(xí)為核心，以微信、網(wǎng)站、APP等為互動信息平臺，以手機、計算機、平板等多終端為載體的智能實驗室開放管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對開放實驗教學(xué)中器材、人員、過程等方面進(jìn)行科學(xué)高效的管理，在實驗教學(xué)中既調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性，也提高了教師的實驗教學(xué)與指導(dǎo)水平，取得了良好的應(yīng)用效果。

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Open management system for intelligent laboratory based on virtual-actual integration

Tang Zhaohui, Wu Yuanxi

(National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Life Sciences and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In view of the management problems about personnel, equipment, process, etc., in the experimental teaching mode, the open management system for the intelligent laboratory is designed. This system takes the virtual-actual integrated learning as a core, the WeChat, the website and APP as the interactive information platform, and the terminals such as mobile phones, computers, tablets, etc., as a carrier, its structure is scientific and rigorous, and its utilization is convenient and efficient. The good application effect is achieved in the practice of the virtual-actual integrated open experimental teaching.

laboratory open management; virtual-actual integration; open experimental teaching

G642.0

A

1002-4956(2017)10-0226-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.056

2017-04-09修改日期2017-06-02

國家自然科學(xué)基金面上項目(31571303)；湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目(13067)

唐朝暉(1968—)，女，江蘇鎮(zhèn)江，博士，高級工程師，研究方向為人類遺傳學(xué)及實驗教學(xué).

E-mail：zh_tang@hust.edu.cn