新型網絡化信息化開放式實驗室建設與運行模式實踐

曾 浩，謝禮瑩，韓 術，顏 芳

實驗室建設與管理

新型網絡化信息化開放式實驗室建設與運行模式實踐

曾 浩，謝禮瑩，韓 術，顏 芳

（重慶大學 微電子與通信工程學院，重慶 400044）

通過網絡化信息化實驗室基礎設施建設，不僅可以實現實驗室資源的自由開放，幫助學生完成各種創新訓練項目，而且可以進行教學資源網絡共享建設，發展線上線下混合式教學模式，提高實驗教學的質量。該文以重慶大學國家級電工電子教學示范中心實驗室建設為例，系統介紹了開放實驗室基礎設施網絡化、信息化建設方法，同時也介紹了針對創新實踐、實驗教學的運行模式。

開放實驗室；創新實踐；混合式教學

隨著新工科建設、工程教育認證、共享課程建設、虛擬仿真實驗項目建設等一系列人才培養質量工程建設項目的實施，人們不斷探索新的教育教學模式，以增強學生創新實踐能力及解決復雜工程問題的能力[1-4]。一方面，實驗實踐課程在本科課程體系中的比重不斷增加；另一方面，依托實驗室資源，積極開展創新實踐、電子競賽等各種第二課堂項目[5-6]。在上述背景下，現有實驗室基礎設施條件和運行模式，已經不能滿足教育發展需求。

1 實驗室條件和運行面臨的困難

1.1 現有實驗室基礎設置不能高效實現開放機制

電子信息相關專業學生工程能力培養，需要通過學生完成各種創新創業、電子競賽等具體項目來實現。由于專業自身特點，學生需要使用各種相應的專業儀器設備，才能完成相關訓練項目。通常的做法就是利用專業實驗室擁有的硬件資源，以實驗室開放模式加以解決。但實驗室建設初期，網絡化和信息化程度不高，使得現有實驗室難以具體實現開放[7-9]。

1.2 實驗教學手段陳舊

在教學運行環節，目前的做法是每節實驗課開始時，教師對實驗原理、實驗步驟、實驗儀器使用進行介紹，然后學生開始自行實驗操作。這種傳統教學模式存在兩個明顯不足：首先是課堂時間緊張。由于在學生開始實驗之前，教師需要花費一定時間對實驗進行講解，占用了較多課堂時間，學生用于完成實驗的時間往往非常緊張。學生僅僅能夠機械地完成要求的實驗步驟，缺乏對實驗現象和結果的思考。其次，由于實驗操作涉及很多內容，在教師講解后，學生難以記住所有細節，學生會有很多疑問。教師需要對這些問題不斷重復講解，指導效率不高。

1.3 學生缺少課外對實驗內容的預習和復習

學生雖然都有實驗指導書，但實驗是一個具有顯著實踐特點的課程，僅僅依靠實驗指導書，學生并不能在課外對實驗內容進行很好的預習和復習，最終導致實驗教學效果不佳。該問題的本質，其實是實驗教學資源不夠豐富，沒有適合在實驗室外的課余時間使用的有效教學資源。

2 實驗室基礎設施建設方案

解決上述實驗室運行問題的方法，就是利用現代網絡化和信息化的技術，提供有效的開放實驗室環境及豐富的在線教學資源，從而幫助學生完成各種第二課堂的創新實踐活動和實驗實踐課程學習。

2.1 開放實驗室網絡基礎設施建設

重慶大學國家級電工電子教學示范中心（以下簡稱中心）由諸多專業基礎實驗室和專業實驗室構成。針對這些實驗室的網絡化基礎設施改造，包括了計算機網絡、門禁網絡、電源網絡、監控網絡4個部分。網絡架構如圖1所示。

圖1 實驗網絡架構示意圖

在早期建設中，部分實驗室僅僅配置了相應的實驗儀器，沒有計算機網絡。2018年，為了完成實驗室開放管理，對每個實驗工作臺配置了相應的計算機，并把中心所有計算機進行網絡化連接。在網絡中，設置一個中心服務器，通常安裝在一個單獨的控制工作間。服務器運行相應的管理軟件，既管理中心所有實驗室計算機、管理系統、監控系統，同時也運行相應的中心網站，確保學生通過計算機互聯網或者移動互聯網，在實驗室外也能方便訪問服務器。

為了確保開放實驗的有效運行，每個實驗室安裝需刷卡進入的門禁系統。該門禁系統與示范中心服務器連接。學生通過互聯網登錄賬號，完成預約。在獲得管理員教師批準后，憑校園卡刷卡進入實驗室。

考慮實驗室安全，對每個實驗室的工作臺電源電路進行重新建設。電源管理是確保實驗室安全的重要組成部分。對于沒有學生使用的實驗工作臺，電源是斷開的。只有在學生預約的時間內，學生預約的工作臺電源才會打開。同時，在每個實驗室安裝相應的監控設備。監控的圖像通過中心服務器進行記錄。

2.2 網絡服務器管理軟件建設

在完成實驗室網絡基礎設施建設后，需要運行相應的管理系統，實現實驗室的開放管理和實驗實踐教學管理[10]。管理軟件是基于Web服務器的系統，對于教師和學生而言，就是通過一個網站進行訪問。服務器管理軟件包括用戶賬號管理、管理員控制、監控數據庫、教學資源數據庫及歷史記錄數據庫。

賬號管理是完成學生和管理員賬號建立和登錄管理。顯然，學生和管理員具有不同的權限。學生具有兩個主要權限：一個是預約實驗室時間和相應實驗工作臺的權限，二是訪問教學資源數據庫。前一個功能是幫助學生確定開放實驗室的進入時間和位置，后一個功能是便于學生進行線下實驗課程學習；而管理員則負責對學生預約進行審批。同時，管理員具有訪問所有數據庫資源的權限。在學生完成預約申請并獲得管理員審核通過后，系統會自動在相應時間開放預約實驗室門禁系統，并對預約試驗臺進行通電和斷電。這一功能，無須管理員進行其他操作。

該管理系統具有兩個顯著特點。其一是教師和管理員都可以通過Web網頁進行相應操作，教師不需要對實驗室進行值守，也不需要在實驗室完成審核工作，大大方便了學生和教師的操作。其二，服務器涵蓋了支持創新實踐的實驗室開放功能和實驗教學資源訪問功能。對于學生創新能力培養，以及教師實施線上線下混合式教學方法，都提供了基本條件。

2.3 實驗室建設主體單位

實驗室網絡基礎設施與學校教學具體要求結合密切，在選擇建設承建單位時，要確保對方熟悉學校實驗室建設特點，具有豐富的相關經驗。另外，實驗室各種設備，包括電源管理、門禁系統、監控系統、軟件系統，在運行中往往會出現各種問題，后期維護離不開承建公司的支持。所以，在實驗室建設中要考慮維護需求。特別是對于一些易損設備，要采用可靠易維修的型號和品牌。

3 開放實驗室運行模式

3.1 開放實驗室的目的

隨著我國電子信息產業發展，社會對相關專業的人才提出了更高要求，高校需要不斷加強對大學生創新創業能力和工程實踐能力的培養。目前，各種電子設計競賽、大學生創新實踐項目、綜合課程設計等，成為學校利用實驗室資源開展培訓的有效途徑。根據電子信息類專業特點，上述培養措施需要學生利用實驗室儀器設備，在第二課堂完成。而專業實驗室面向學生開放，就成為解決學生需求的必然手段[11]。

3.2 開放與教學的合理銜接

我校國家級示范中心早期建有不同性質的實驗室，包括以教學為主的專業課程實驗室，以及針對創新實踐的開放實驗室。但隨著學生對開放實驗室需求增加，同時也為了提高實驗室設備資源的利用率，目前已經淡化了實驗室的專業功能，而是盡量采用綜合實驗室的布局。因此實驗室就存在日常實驗教學和開放的協調問題。多年管理經驗告訴我們，為了方便實驗室完成日常教學，在硬件基礎設施建設中，需要確保實驗指導教師具有對整個實驗室門禁、電源的簡單控制能力，即在實驗教學期間，可以很方便地取消門禁系統和實驗室預約系統。同時，在每個學期開學之前，管理員要根據實驗課程排課結果，確定可以開放的時間范圍，從而減小開放和教學之間的矛盾。

3.3 實驗室人員管理

在實驗室開放運行過程中，管理員不僅需要對學生的開放申請進行實時審批，還需要對實驗開放設備進行維護，同時負責完成對服務器數據庫的管理和突發事件的處理。所謂數據庫管理，主要是指用戶數據庫、教學資源數據庫及預約時間信息的管理[11]。為了實現學生刷卡進入實驗室，每個學生的校園卡信息需要錄入服務器，但由于學生多，錄入工作量較大且容易出現錯誤。教學資源數據庫要根據實驗指導教師提供的信息及時更新。此外，依據實驗課表規劃出實驗室開放時間，也是較為繁瑣的工作。鑒于上述工作性質，中心設置了專門的實驗管理崗位，該崗位教師不直接參與實驗教學工作，只負責中心各種日常管理，包括開放實驗室管理。

4 實驗實踐教學運行模式

教學示范中心的基本功能，仍然是完成學生課程實驗和實踐教學環節。但隨著第二課堂項目的逐漸普及和擴展，實驗室也承擔了諸如競賽培訓、大學生創新計劃等項目，需要實現實驗室的開放。教學示范中心針對目前主要的實驗課程，積極開展了教學資源信息化建設。

為了提供學生在課外完成實驗的預習和復習，針對每個實驗課程，教師制作了相應的教學視頻，對實驗步驟進行了視頻化的講解和展示。同時，提供實驗的課件和相關參考資料。這些教學資源，統一以教學資源數據庫方式，存放在中心服務器上。學生通過網頁，無論是實驗過程中還是課前課后，可以對上述教學資源進行訪問。網頁中也提供師生交流的互動區，真正做到了線下線上混合教學的網絡化信息化教學[12]。

經過多門實驗課程教學的實踐，學生實驗效果大大改善。學生基本都能在課堂時間內完成相應實驗要求，教師的指導難度也大大降低。

5 結語

把網絡化、信息化的現代技術手段，應用于實驗實踐教學及學生創新實踐中，充分發揮了實驗室在人才培養中的作用。我校國家級教學示范中心經過1年多的運行，形成了相應的運行機制。實踐表明，網絡化、信息化的技術手段大幅提升了實驗室資源利用率，也顯著提高了教學質量，同時也降低了教師的工作難度。

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Construction and operation model practice of open laboratory with new network and informationization

ZENG Hao, XIE Liying, HAN Shu, YAN Fang

(School of Microelectronics and Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Through the construction of network information laboratory infrastructure, not only can the free and open laboratory resources be realized and students be helped to complete various innovative training projects, but also can the construction of network sharing of teaching resources be carried out, online and offline hybrid teaching mode be developed and the quality of experimental teaching be improved. By taking the laboratory construction of the National Electrical and Electronic Teaching Demonstration Center of Chongqing University as an example, this paper systematically introduces the network and informationization construction methods of the open laboratory infrastructure and also introduces the operation mode for innovative practice and experimental teaching.

open laboratory; innovativepractice; blended teaching

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0264-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.062

2019-04-18

重慶大學教改項目（2017Y51）

曾浩（1977—），男，四川瀘州，博士，教授，系主任，主要研究方向為抗干擾陣列天線技術。E-mail: haoz@cqu.edu.cn