實虛結合推進跨學科公共基礎實驗教學平臺的建設實踐

庫夭梅，陳建軍，陳志民，羊海軍，勞媚媚

（華南農業大學 公共基礎課實驗教學中心，廣東 廣州 510642）

農科基礎實驗教學是培養“厚基礎、寬口徑、強能力、高素質”農科創新人才的入門關鍵環節，直接影響學校人才培養質量和辦學層次[1-4]。我校是廣東省高水平大學重點建設高校，人才培養目標是培養基本理論扎實、創新精神和實踐能力強的高素質人才，現有95個本科專業，全日制在校本科生達4萬余人。特定的校情和特殊的使命，對基礎課實驗教學改革提出了新要求、新高度。2004年學校在東區建設了獨立的基礎課實驗教學大樓（東區實驗大樓），面積 1.68萬m2，實驗用房178間。將數學、物理、化學、生化、生理、植物、遺傳學基礎、計算機基礎、網絡室、語音室、電腦制圖等實驗室整合優化統一管理，從行政上組建正處級實體教學單位“公共基礎課實驗教學中心”。以此為基礎，2015年又設置 “通識管理訓練中心”，實現一套配置支撐 2個校級實驗實訓中心大平臺，并持續進行平臺的功能深化與機制創新。本文將就中心“實虛結合”的改革與實踐進行總結分析。

1 改革總體思路

成立公共基礎課實驗教學中心的宗旨是，夯實基礎課實驗教學質量，優化資源配置，提高辦學效益。其定位是，成為立足農林生產實際、培養應用型人才的主體教學平臺。核心目標是提升實驗教學質量、培養學生創新實踐能力、拓展實驗室安全教育與對外服務。如圖1所示，中心成立后采取了“五統一”的運行機制，即學校統一規劃，教務處統一排課，實驗中心統一調配人員、統一管理資源、統一開放實驗室。管理導向上，實行教學與創新并重，全方位立體化運用信息技術等現代化手段管理實驗室。如圖2所示，圍繞培養學生創新能力的核心目標，從搭建創新教育平臺、建立創新教育內容體系、建立創新教育保證措施3方面整體推進“實虛結合”的創新創業實驗教學平臺建設，為學生個性化的自主學習創設一種開放的、主動的學習環境，并實現資源輻射共享。

圖1 跨學科公共基礎實驗教學大平臺體系

圖2 “實虛結合”的創新創業實驗教學平臺體系

2 “實虛結合”搭建創新教育平臺

中心組建以后，在實驗室綜合業務管理系統、實驗室開放預約系統、課程網站、校園植物專題網站、生物虛擬顯微實驗室等 6類信息化項目方面進行建設。之后隨著職能拓展及技術發展，相繼開展了實驗室安全與環保培訓及虛擬仿真實驗中心、實驗室智能化管理、ERP等專類功能實驗室建設，實現了業務數據內部共享和教學資源開放共享，提升了中心業務處置能力，提高了教學資源的開放共享效率，形成了以信息化推動實驗教學與管理快速發展的鮮明特色。

2.1 研制實驗室開放預約系統，提高實驗室開放效率

受實驗資源、時間條件、資訊信息等限制，實驗室在開放使用過程中經常會出現某時段借用人多而應接不暇，某時段借用人少而資源閑置等問題，因此建立實驗室開放預約和信息發布系統尤為必要，學生可以通過該系統詳細了解所需實驗室當前使用狀況，合理調整自己的實驗計劃和安排[5-8]。

實驗室開放預約系統自上而下是面向用戶的表現層、功能層、支撐層、數據層與網絡硬件基礎設施層，采用 Browser/Server（瀏覽器/服務器）3層體系結構和采用SQL Server 2000數據庫，用ASP技術實現。這種體系結構的實時交互性、異步性、信息廣泛性等優勢明顯，學生可在任意網絡終端打開預約信息填寫界面，并將所填內容包括預約信息提交至服務器端的數據庫，生成數據記錄，永久保存。實驗室人員會及時查詢預約記錄，并進行受理。

2.2 運用儀器設備網絡管理系統

運用儀器設備在線管理系統對教學設備和物品進行分類管理、借還操作。自動完成所有設備明細帳、技術裝備的統計管理；將自身的現有裝備情況與配備標準進行比對，根據比對結果，按需要向上級主管部門提出購置申請；對于上級主管部門下發的儀器設備，自動接收下撥清單并自動驗收記賬。大大減輕了教師的工作強度，提高了工作效率。系統中各類設備擁有量統計、使用情況庫存列表、尚缺清單情況、增減清單情況等均可隨時上報，以便相關部門隨時了解設備位置變遷、檢修、運行狀態等信息，提高了教師的辦公效率、科研工作效率及對設備的管理水平和效率。

2.3 設立國家級實驗教學示范中心“植物生物學基礎實驗教學中心”網站及實驗室管理系統

中心建立了國家級實驗教學示范中心“植物生物學基礎實驗教學中心”網站，用以及時對外發布相關信息，還可鏈接中心各實驗課在線學習網站。中心建設的實驗室管理系統的主要欄目包括“教學隊伍情況”“教學條件情況”“開放實驗室資源”“主要儀器”“實驗室空間與布局”“教學內容”“實驗大綱”“實驗項目簡介”“實驗課程介紹”“教學方法與手段”“實驗設計組織”“實驗教學改革”“成果及論文”“在線學習”等，實現了設備管理、開放實驗室資源管理、教學隊伍及教學內容發布、教師與學生互動等功能。

2.4 建設“農林植物學虛擬仿真實驗教學中心”及其豐富的網絡實驗教學資源

2012年中心遵循“虛實結合，互為促進，集成發展”的建設理念，依托植物生物學基礎國家級實驗教學示范中心，建設了“農林植物學虛擬仿真實驗教學中心”（見圖 3）。與相關高校和信息技術公司接洽合作，采用虛擬仿真技術手段，將我校優勢學科的科研成果打造成獨具特色的虛擬仿真實驗教學項目。整合植物學、植物生理學、生物化學、遺傳學等4個實驗室現有的虛擬仿真教學資源及其網絡教學平臺，建成基礎實驗、綜合實驗和特色實驗等不同層次、互為協調的虛擬仿真實驗教學體系，包括植物學形態結構、野外植物實習、植物生長發育、儀器設備使用等4大平臺，包括 9個子系統、30個實驗項目（含子類），可為農林植物學基礎課程實驗教學提供虛擬仿真教學服務。

圖3 農林植物學虛擬仿真實驗教學中心結構

在網絡實驗教學資源方面，中心結合學校各級別精品課程建設，動員和組織各教研室的專業教師聯合我校現代教育技術中心的技術力量，基于課程教材和實驗指導書，收集和創建了大量文字、圖片、動畫、視頻等信息元素，建成國家級精品課程“遺傳學”、省級精品課程“植物學”“生物化學”等課程網站，并將教學大綱、教學進程、通知公告、課件講義、課堂教學視頻等轉化為網絡信息資源，極大地豐富和拓展了教學資源的內容，為學生開展自主學習提供了便利。

2.5 建立實驗室安全與環保知識網絡學習考核系統

近年來，高校實驗室安全事故時有發生，嚴重影響了正常的教學、科研秩序，危害了國家和廣大師生員工的生命財產安全，不利于高校教學科研的可持續發展[9-10]。實驗室安全開放體系的建立與安全保障是保證實驗室高效運行的關鍵，保障實驗室人身財產安全是加大實驗室開放力度、提高實驗設備利用率的前提。因此要在強化意識、提高認識、健全制度和加強領導的基礎上，建立和完善實驗室安全運行保障機制和安全應急機制[11]。

為了引導我校實驗室安全與環保工作健康發展，中心組織匯編了實驗室安全與環保知識題庫，目前約有1700道試題，內容涵蓋防火防爆、食品安全、電氣安全與防護、計算機信息安全、危險化學品安全使用及防護、實驗室生物安全與防護、放射性安全與防護、實驗室事故緊急處理與救援、機械建筑類安全與防護等。中心建立了網絡化在線教育和考核平臺，準備進入實驗室的學生必須通過平臺學習實驗室安全與環保知識，再通過考核后才允許進入。通過這項措施，學生普遍提高了實驗室安全環保意識，了解了實驗室操作規范，增強了自我保護能力和社會責任感。

為了進一步促進實驗室安全與環保工作的有效開展，建立和完善了實驗室安全與環保管理的各項規章制度，構建了涵蓋學校、中心、實驗室、實驗技術人員、實驗者的管理網絡體系，使實驗室安全環保管理橫向到邊，縱向到底，一層抓一層，一環連一環，層層相促，環環相扣。加強了制度的落實與執行力度，以人為本，把安全管理落到實處，簽訂了實驗室安全承諾書[12-13]；中心在走廊、過道等處張貼各項實驗室安全規章制度，在重要儀器旁張貼安全操作說明書；還設置了有毒回收箱，實行嚴格的有毒實驗藥劑領取制度，營造了實驗室安全文化氛圍。同時加大了對實驗室安全的投入，使我校實驗室安全與環保進入良性發展階段。

學校設備處、公共基礎課實驗教學中心牽頭籌辦，會同廣東教育廳、廣東省高教學會實驗室管理專業委員會，組織籌辦廣東省首屆高校學生實驗室安全與環保知識競賽，共有來自53所本科院校的44157名學生報名參賽，其中27606人正式參與了網上初賽，有來自44所高校的7761人參加了決賽，最終共有1000名學生獲獎，我校獲得優秀組織獎。競賽的成功舉辦，為推動全省實驗室安全與環保工作起到良好作用。

3 “以實為主”建立創新教育內容體系

創新教育是根據科技發展、社會進步和現代化建設需求對人才培養提出的新要求，旨在培養全面發展的具有創新思維、創新技能、創新人格的高素質人才[14-15]。如圖2所示，中心以建設適應培養創新創業人才要求的實驗教學平臺為目標，以系統觀理論為指導，注重平臺創新與實踐的整體性、層次性和先進性，構建“以實為主”的創新教育內容體系，使學生在基本實驗知識與實驗技能訓練及在綜合實驗技術、實驗素質培養和創新意識啟迪等方面得到由淺至深、由低至高的提升，從實驗教學入手努力造就勤奮、求實、科學、創新的人才。

3.1 創新實踐教學模式

實踐教學內容包括基本操作技能、專業實踐技能和綜合運用技能3個層次，中心構建了兼顧基礎技能培養與個性化發展相結合的逐級提高的“遞進式”教學模式。如遺傳學實驗課，構建了“多層次”（基本實驗—綜合實驗—設計實驗—研究實驗）“多方法”（模擬演示—多媒體課件—網絡課件—微機數據處理）“多反饋”（綜合問卷—跟蹤調查—網上反饋—師生座談）的創新實踐教學模式。

3.2 將實踐教學內容和實驗室布局層次化

在實踐教學內容方面，有普通實驗—綜合實驗—設計實驗—研究實驗—畢業論文，層層提升。與此相應的實驗室布局方面，由實施教學實驗室—公共儀器設備平臺分室—學科開放實驗室—學科創新實驗室—虛擬仿真實驗中心—云平臺，層層擴展。

3.3 注重不同層次及學科實踐教學內容的深度融合

注重實驗教學與理論教學相結合，實驗內容與科研及實際應用相結合，基礎實驗與創新實驗、實訓相結合，基礎實驗與個性化發展相結合，不同學科之間實踐教學內容、技術和方案的集成綜合，實現學科交叉滲透和互補。如基于PCR技術的分子遺傳及育種實驗，可使學生掌握植物組織中 DNA分離純化的基本技術、DNA瓊脂糖凝膠電泳技術和PCR的基本技術等，目的是訓練學生的實驗動手能力，使學生掌握分子生物學的基本實驗技能及植物生物學的新知識、新技術、新方法，激發學生對植物生物學實驗的興趣。再如，在植物遺傳學實驗中開設的“水稻四倍體的誘導、鑒定及遺傳效應分析實驗”，要求學生自由組合、自選題目、自行設計，小組成員共同完成，教師全程指導，取得了良好的教學效果。

3.4 注重實踐教學內容的時效性

將實驗教學內容與科研、工程和社會應用實踐緊密結合，以開放研究實驗室和實驗技術平臺為抓手，鼓勵和支持學生積極參加學校大學生科技創新項目研究，并利用我中心教師的科研優勢，吸收學生參與教師科研課題研究。中心始終圍繞社會需求及學生創新能力、綜合素質培養需求，不斷創新教學內容體系，兼顧公共基礎、通識訓練、專業特色、個性發展等多方面。用系統觀構建的“以實為主”的創新教學內容體系，橫向拓展了覆蓋面，縱向貫通了人才培養全過程。

4 “實虛結合”建立創新教育保證措施

根據公共基礎實驗教學平臺工作“環節多、專業跨度大、服務與管理并重”的3大特點，以及具有“技術含量高、實踐性強、課程量大、特殊性多”的4大工作特征，實施實虛結合，既體現在平臺的硬件資源與虛擬軟件資源的結合上，也體現在平臺實體教育教學功能與網絡教育的結合上，還體現在對實驗教學資源及平臺的管理方法手段上。

4.1 管理“五位一體”

管理上“學校、教務處、學院、中心、實驗室”五位一體。學校統一規劃和推進實驗教學的整體改革和實驗室建設，教務處統一排課，中心統一調配實驗員、統一管理實驗室及儀器設備、統一組織實驗室開放機制，使平臺人員、場地和設備的利用率顯著提高。建立“學院—教務處—中心”3方協同的課程實施監管體系，由學院提交課程計劃，教務處與中心協同排課，中心全面部署教學進程計劃與教學平臺安排，保質保量地完成年度實驗教學工作。建立“中心—教學部—實驗室”3層聯動的運行管理體系，將涵蓋基礎生物學、計算機、數學、物理、化學、語音、繪畫制圖、管理訓練等8大學科門類的基礎實驗課程，合理安排到生物、計算機、理化、管訓4個教學部，形成中心全面統籌管理、教學部協調分工、實驗室專業執行的運行管理體系，使得100多門實驗實訓課程有序運行，大量開放與創新活動有序開展。

4.2 智能化泛在式管理

通過智能化實驗環境、數字化實驗資源、網絡化管理技術等，支撐“智能化、泛在式”開放實驗教學。定制研發的實驗室智能管理系統，采用師生、管理人員、系統管理員等多用戶解決方案，涵蓋教學管理、開放預約、遠程指導、安全監控等功能。依托虛擬云技術建設云平臺室，擴展資源空間，提高開放效率。還開發了上網行為管理系統、實驗教學問卷調查系統、FTP學生作業存儲系統等系列管理系統及課程資源庫。

4.3 教師保障與激勵機制

第一，將招聘實驗技術系列人員的學歷條件提高到碩士及以上，建立教師崗、技術崗、行政崗流動機制，固定編制和流動編制相結合，打通教師系列、工程技術系列、實驗技術系列；第二，建立人員間的交流、合作機制，各實驗平臺人員相對固定，但由中心統一調配，平臺內部人員在承擔教學任務、實驗室日常管理、大型儀器管理、功能開發和應用、實驗室規劃建設、申請項目等項工作中分工合作，發揮中青年理論優勢和中老年實踐經驗優勢；第三，構建學習型平臺隊伍，根據人員結構、個人發展與工作需要，對高學歷人員提供留學訪問國外實驗室機會，對其他人員提供在崗在職提高學歷和參加各類技能培訓機會，建立傳、幫、帶、扶制度。

在激勵措施方面，中心安排有豐富教學和科研經驗的教授擔任各實驗課程建設負責人，鼓勵和支持教師將科研成果引入到實驗教學中去，鼓勵實驗教師參與實驗教學研究，設立中心級實驗教學專項研究課題。將教學成果與科研成果同等對待，將公共基礎課實驗教學中心津貼和獎金發放按學校機關部門統籌對待，將實驗技術人員與教師在職稱評定及進修培訓等方面同等待遇。

4.4 經費保障

在實驗室優化整合方面，投入1500萬元各類建設經費，按學科基礎和實驗技術特征將功能相近的儀器和實驗室加以整合，合并成立新的功能室（如ERP實訓室、智慧開放實驗室），以保證實驗室功能不重疊、儀器設備不重購。充分開發現有儀器的使用功能，開設應用范圍更廣、專業技術水平更高的實驗項目，改善分析性實驗和設計性實驗的實驗條件。為保證正常教學運行，學校每年固定劃撥180多萬元用于實驗耗材和試劑購買。

5 建設成效

實虛結合推進實驗教學平臺建設的創新，解決了經費緊張問題，提高了教學效率，同時還促進了學科融合，提高了平臺綜合實力。

學生創新能力顯著提升。近5年實驗教學直接受益學生達到50000余人，實驗室開放人次120多萬，開放項目520多項，由學生設計和完成的科技創新項目 88項（包括國家級 10項、挑戰杯 2項、省級 21項）。學生得到從預約申報、選題開題、中期交流、結題驗收、成果申報等全方位的系統訓練，獲得國際獎勵1項、國家級獎勵6項、省級獎勵16項、校級獎勵33項。

實驗平臺整體實力大幅提升。創建了1個省級虛擬仿真實驗教學中心和7個智慧創新實驗室。直接服務來自22個學院88個專業約4萬名本科生，承擔100多門實驗實訓課程，年均完成實驗教學120萬人時。實驗教學師資結構不斷優化，高級職稱人員占30%，碩士以上學位人員占70%。專業水平特別是運用信息化技術進行教學、管理與服務的水平大幅提升。

安全、環保意識大大增強。近5年有43776人參加了安全環保學習，考核通過率達95%。實驗室安全責任制、檢查制、臺賬制、開展消防演練等作法多次受到主管部門表彰。編寫了全國高等農林院校“十三五”規劃紙質教材及數字化教材“高校實驗室安全與環保教育通識題庫”。

對外開放教學與交流取得成效。先后接受來自加拿大、巴基斯坦、多哥等國的訪問學者和留學生進行實驗學習，遺傳學創新實驗室定期接受東盟農業技術培訓班實驗教學培訓。近5年，近40所高校的領導和教師來訪交流，產生了較好的社會影響。