高校實驗教學(xué)管理平臺建設(shè)研究與實踐

常笛 劉茁 徐婷婷 邸東華 劉婕 楊麗 喬明曦

摘? 要 實驗教學(xué)作為高校教育實踐的重要環(huán)節(jié)，在學(xué)生能力培養(yǎng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。針對實驗教學(xué)管理面臨的新問題和新挑戰(zhàn)，沈陽藥科大學(xué)藥劑實驗中心對原人臉簽到、智能門禁、課程提示等單一管理系統(tǒng)進行整合升級，構(gòu)建實驗教學(xué)管理平臺，有效提高實驗教學(xué)質(zhì)量和實驗教學(xué)管理水平。通過對實驗教學(xué)管理平臺各個系統(tǒng)的詳細解讀，旨在為其他學(xué)科的實驗室管理提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞 高校實驗室;實驗教學(xué)管理平臺;人臉識別;智能門禁

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）12-0023-04

Abstract As an important part of college education practice， experi-mental teaching plays a pivotal role in the development of students ability. In view of the new problems and challenges of experimental teaching management， the Pharmaceutics experimental teaching center of our university integrated and upgraded the original single management system， including the original face registration， intelli-gent access control， and course reminder. The construction of experi-mental teaching management platform could improve the quality of experimental teaching and the management level of experimental teaching. This paper provided a detailed interpretation of the experi-mental teaching management systems， and provided some sugges-tions for the sustainable development.

Key words university laboratory; experimental teaching manage-ment platform; face recognition; intelligent access control

1 前言

高校實驗室是進行教學(xué)、科研的重要基地，高水平的實驗室是一流大學(xué)所必備的基本條件之一[1-2]。高校實驗教學(xué)的根本目的在于讓學(xué)生通過實驗將所掌握的理論知識加以強化和實踐，這樣才能真正地學(xué)以致用，有助于學(xué)生開動腦筋，提高動手能力和創(chuàng)新能力。要想達到這個目標，就必須對當(dāng)前的實驗教學(xué)內(nèi)容和方法進行改革，同時利用信息化技術(shù)來對高校實驗室進行全面管理，從而建立起新型、智能、科學(xué)的實驗室教學(xué)及管理模式[3]。

2 實驗教學(xué)管理現(xiàn)狀與問題

由于近年來辦學(xué)規(guī)模不斷擴大，實驗教學(xué)的信息化建設(shè)和管理也面臨許多問題和挑戰(zhàn)，例如：不同時期逐步建立起來的管理系統(tǒng)相對獨立，無法互聯(lián)互通、信息共享[4-5];

有的學(xué)生不重視實驗教學(xué)，不積極參與，不動手操作，甚至找人替實驗;有的學(xué)生忽視實驗課的值日環(huán)節(jié)，蜻蜓點水般一帶而過或讓同學(xué)代值;指導(dǎo)教師上課點名過程占用實驗課時和精力，也無法短時間內(nèi)辨認所有學(xué)生;等等。因此，建設(shè)一個系統(tǒng)的、高效的實驗教學(xué)管理平臺，對于實驗教學(xué)來說具有重要的現(xiàn)實意義。

通過實驗教學(xué)管理平臺的應(yīng)用，打破傳統(tǒng)封閉的實驗教學(xué)管理單元，全面培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自律性，促進學(xué)生知識、能力、思維和素質(zhì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展;通過實驗教學(xué)管理平臺的應(yīng)用，實現(xiàn)對學(xué)生信息、課程信息、簽到簽退信息、課堂互動信息的電子化管理，建立方便、快捷的查詢和匯總方式，能夠有效減少教師的工作量，提高管理效率。

3 構(gòu)建信息化實驗教學(xué)管理平臺

沈陽藥科大學(xué)藥劑實驗教學(xué)中心有標準實驗室、儀器室、準備室等20多間，授課教師40多人，共開設(shè)了普通藥劑學(xué)實驗、生物藥劑學(xué)及藥物動力學(xué)實驗、高等藥物動力學(xué)實驗等六門實驗課程，承擔(dān)全校十余個專業(yè)的本科實驗教學(xué)及藥物制劑專業(yè)的研究生實驗教學(xué)。從2015年開始，中心陸續(xù)建設(shè)了考勤終端、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電磁門禁系統(tǒng)等，為了使這些管理系統(tǒng)能發(fā)揮出更大的作用，將原有的各個系統(tǒng)進行了整合和升級，為實驗教學(xué)管理平臺建設(shè)做了進一步的探索和實踐。

實驗教學(xué)管理平臺的框架結(jié)構(gòu)? 實驗教學(xué)管理平臺（以下簡稱平臺）在框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計上兼顧開放性、安全性、和兼容性[6]：具有良好的開放性，便于今后功能的擴展和延伸;良好的兼容性，使系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行;平臺的主數(shù)據(jù)庫中存儲有學(xué)生姓名、面紋等大量個人信息，所以采用局域網(wǎng)的架構(gòu)，個人信息的安全性得到有效保障。

實驗教學(xué)管理平臺由六個系統(tǒng)模塊構(gòu)成，包括課程提示系統(tǒng)、人臉考勤系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、管理控制系統(tǒng)和教師管理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框架見圖1。其中管理控制系統(tǒng)負責(zé)建立基礎(chǔ)信息庫，可以遠程調(diào)取監(jiān)控系統(tǒng)，實時了解實驗課進度和實驗秩序;教師管理系統(tǒng)可實時查看簽到情況;簽到系統(tǒng)整合智能門禁系統(tǒng)，實現(xiàn)刷臉自動開門功能。各系統(tǒng)信息均上傳至主數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)內(nèi)部信息的交換和共享，拓寬了原來單一系統(tǒng)的管理范圍和功能，提升了管理效率，為實驗教學(xué)提供了智能化和科學(xué)化的綜合管理。

實驗教學(xué)管理平臺控制流程? 任何一個綜合管理平臺，要使其各個系統(tǒng)模塊協(xié)調(diào)、穩(wěn)定地運行，設(shè)計一個細致縝密的控制流程是必不可少的[7]。這樣一方面可以避免后期添

添補補，頻繁修改程序結(jié)構(gòu);另一方面可以縮短開發(fā)周期，便于后期的運行維護。實驗教學(xué)管理平臺控制流程見圖2。

1）管理控制系統(tǒng)。實驗中心的管控教師負責(zé)管理控制系統(tǒng)的操作及平臺的日常維護。該系統(tǒng)的功能包括標準課程表導(dǎo)入、學(xué)生信息導(dǎo)入、權(quán)限指定、調(diào)班、調(diào)課等。這些基礎(chǔ)信息的建立需在新學(xué)期開始前完成，保證平臺開學(xué)后按時啟動運行。

①導(dǎo)入標準課程表。標準課程表是平臺的指揮棒，是各個系統(tǒng)運行的時間中樞。教務(wù)處下發(fā)的課程表中只有學(xué)科、班級、上課時間和學(xué)時等幾個參數(shù)，需轉(zhuǎn)換成標準課程表，其中包括班級、上課時間、實驗題目、實驗學(xué)時、房間號、實驗指導(dǎo)教師等信息，并將相關(guān)信息進行匹配。管控教師將標準課程表導(dǎo)入并上傳至主數(shù)據(jù)庫中，供其他幾個系統(tǒng)調(diào)取使用。

②導(dǎo)入學(xué)生信息。在首次上課前導(dǎo)入學(xué)生的班級、學(xué)號、姓名，然后對應(yīng)采集學(xué)生的人臉（面紋）信息，并上傳主數(shù)據(jù)庫，供人臉考勤系統(tǒng)和教師管理系統(tǒng)調(diào)取使用。

③特殊權(quán)限設(shè)定。班長、課代表是班級群體的管理人員，對班長、課代表等特殊人群給予刷臉開啟門禁的權(quán)限，方便學(xué)生及時進入實驗室、上交實驗報告冊等。該權(quán)限只在標準課程表指定的時間段內(nèi)有效，以避免非開放時間段意外情況的發(fā)生。

④換班、調(diào)課操作。該操作針對學(xué)生個人或班級而設(shè)置。學(xué)生時常會因事假或病假不能按時上實驗課，在跟隨其他班級補實驗時，需要將該名學(xué)生的信息推送到補實驗的班級，實現(xiàn)對該生的簽到考勤。同樣，當(dāng)因特殊情況需要整班調(diào)換實驗課時間時，通過調(diào)課功能實現(xiàn)對該班學(xué)生進行考勤。

2）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常由前端的監(jiān)控攝像設(shè)備、傳輸線路、存儲設(shè)備、多屏顯示設(shè)備等組成。目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要分模擬、模擬轉(zhuǎn)數(shù)字、數(shù)字等幾大類，隨著5G時代的到來，數(shù)字信號相比模擬信號在圖像壓縮、傳輸、存儲、遠程調(diào)用等方面具有更大的優(yōu)勢[8]。

平臺的視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用了數(shù)字化攝像和存儲設(shè)備，其中NVR硬盤存儲安全可靠[9]，可滿足多畫面、多用戶要求;以POE方式為前端數(shù)字攝像設(shè)備提供了穩(wěn)定的直流電源，減少電源布線施工，也節(jié)省了成本。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)原有的分屏監(jiān)看功能外，開放了視頻的遠程調(diào)取端口，滿足其他系統(tǒng)調(diào)取視頻的需要，方便教師實時查看實驗秩序，了解實驗進度。

3）課程提示系統(tǒng)。藥劑學(xué)科所在的實驗教學(xué)樓有60多個標準實驗室，當(dāng)不同學(xué)科多個班級同時上實驗課時，學(xué)生會出現(xiàn)過于集中、滯留的狀況，存在一定的安全隱患。為解決這個問題，課程提示系統(tǒng)在一樓大廳LED屏和樓層廣告機上推送當(dāng)天課程的提示信息，將人群迅速分流到各樓層指定的實驗室，避免人員堆積，起到一定的安全疏散作用。

課程提示系統(tǒng)從主數(shù)據(jù)庫讀取標準課程表信息，生成每天的上課列表，在課前一小時推送到各顯示屏，引導(dǎo)分流學(xué)生。當(dāng)管理控制系統(tǒng)發(fā)生班級調(diào)課時，課程提示系統(tǒng)會自動調(diào)取變更后的課表信息，實時生成新的提示內(nèi)容。

4）人臉考勤系統(tǒng)。現(xiàn)在常見的考勤方式有刷卡、指紋、人臉識別等，但前兩種方式常常存在代刷、使用指模或互采指紋來相互代簽等弊端。人臉識別是目前個人身份確認的重要方式，由于其非接觸式、方便快捷、識別速度快、正確率高等特點，且可有效防止照片、人臉模型的攻擊，被廣泛應(yīng)用于交通、金融等需要身份識別的場所[10]。人臉識別方式有效地規(guī)避了代刷、代簽，管理成本低，也被廣泛應(yīng)用于機關(guān)、企事業(yè)單位的人事考勤[11]。基于這些優(yōu)點，平臺也采用了人臉識別方式的考勤終端。

人臉考勤系統(tǒng)由核心處理程序和人臉考勤終端組成。核心處理程序依照主數(shù)據(jù)庫中的標準課程表，調(diào)取當(dāng)天上課班級的學(xué)生名單和人臉信息，在課前下發(fā)到對應(yīng)實驗室的人臉考勤終端。待學(xué)生刷臉簽到時，現(xiàn)場信息與終端內(nèi)人臉信息進行比對識別。核心處理程序?qū)⒖记诮K端生成的識別通過記錄實時回收并上傳主數(shù)據(jù)庫，用于教師查閱和匯總。

當(dāng)課代表、班長等具有特殊權(quán)限的學(xué)生刷臉簽到時，考勤終端向智能門禁系統(tǒng)發(fā)出開鎖電控信號解除門禁，完成刷臉開門。實驗結(jié)束后，本次開門權(quán)限隨之取消。

5）智能門禁系統(tǒng)。智能門禁是實驗室的安全保障[12]，在保護財產(chǎn)安全的同時，要符合消防逃生要求。門禁中經(jīng)常使用的是電磁鎖，其特點是安裝簡單、適用廣、造價低，但其最大的缺點是受制于外部供電，一旦發(fā)生停電，電磁鎖就會因失去磁性而被動解鎖。智能門鎖比電磁鎖有明顯的優(yōu)點：采用內(nèi)裝方式設(shè)計，安全性更高;使用電池供電，不受電網(wǎng)供電影響;預(yù)留外接充電寶插孔，在電池電量不足時應(yīng)急使用;在任何情況下，屋內(nèi)人員都可以直接開門離開，有利于人員在緊急狀態(tài)下安全疏散。

平臺智能門禁系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和智能門鎖構(gòu)成，采取卡控和電控兩種開鎖模式。卡控模式使用的門卡為M1加密卡，其特點是防復(fù)制、安全性高。可以對空白門卡加密和授予不同的權(quán)限，也可以對相同加密格式的教工及學(xué)生校園一卡通進行加密授權(quán)[13]。電控模式是指人臉考勤終端識別出簽到人具有開鎖權(quán)限后，向智能門鎖發(fā)送一個電控信號實現(xiàn)開鎖。智能門鎖開啟記錄被實時上傳到主數(shù)據(jù)庫保存?zhèn)洳椤?/p>

6）教師管理系統(tǒng)。教師管理系統(tǒng)包括多媒體教學(xué)、學(xué)生簽到管理、課堂互動信息錄入和信息匯總及報表輸出四部分功能。教師管理系統(tǒng)啟動后，從主數(shù)據(jù)庫調(diào)取當(dāng)前上課班級的學(xué)生名單、簽到情況等相關(guān)信息。教師管理系統(tǒng)出勤及點評截圖見圖3。

①多媒體教學(xué)。多媒體是實驗教學(xué)不可缺少的，實驗指導(dǎo)教師通過PPT講解實驗?zāi)康摹嶒灧椒ā⒆⒁馐马椀龋ㄟ^播放實驗教學(xué)錄像，讓學(xué)生更直觀地了解實驗內(nèi)容、操作難點和儀器設(shè)備的使用方法。

②學(xué)生簽到管理。進入簽到頁面即可顯示查看當(dāng)前學(xué)生簽到出勤的情況。學(xué)生在人臉考勤終端簽到成功后，會將簽到頁面的個人彩色頭像點亮（個人頭像顯示灰色則表示未簽到）。實驗指導(dǎo)教師不用占用當(dāng)前課時點名，節(jié)省了實驗時間和精力。在實驗間隙，教師可以指定一個范圍的學(xué)生再次刷臉簽到，這種臨時點名功能可以及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生是否中途早退，還不會影響實驗的進程。

③成績錄入、值日生指派和課堂小結(jié)。指導(dǎo)教師在實驗過程中與學(xué)生互動，一方面指導(dǎo)學(xué)生正確操作、解答學(xué)生的疑問，另一方面深入了解學(xué)生的動手能力、實驗參與積極性，并隨時記錄學(xué)生的實驗情況，對操作能力進行評分，作為實驗成績的一部分。

值日是實驗課的最后一個環(huán)節(jié)，除了打掃實驗室衛(wèi)生，為下一個實驗班級創(chuàng)造整潔舒適的實驗環(huán)境，更重要的是進行課后的安全檢查，排除水、電、氣及門窗的安全隱患。實驗室安全對高校來說是重中之重[14]，是人們從多少次事故中得來的經(jīng)驗和教訓(xùn)，所以培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任心和安全意識是實驗教學(xué)的一個重要部分。指導(dǎo)教師對值日生的能力和表現(xiàn)進行打分，計入實驗總成績，以此來督促值日生認真做好值日工作，使其養(yǎng)成良好的科研作風(fēng)。

通過課堂小結(jié)可使寶貴的實驗教學(xué)經(jīng)驗得到積累，也可使實驗中產(chǎn)生的問題得到有效反饋。尤其對于青年教師來說，這些經(jīng)驗可以讓以后的實驗教學(xué)避免相同錯誤的出現(xiàn)，完善實驗教學(xué)的準備工作和提高整體實驗教學(xué)的質(zhì)量。實驗指導(dǎo)教師在實驗結(jié)束時對實驗情況進行小結(jié)，記錄實驗過程中哪些環(huán)節(jié)學(xué)生動手能力有待加強、有無知識點的缺失，試劑消耗有無異常，實驗結(jié)果是否正常，儀器、玻璃器皿是否缺失破損，設(shè)備是否運轉(zhuǎn)正常，等等。

④報表輸出。實驗指導(dǎo)教師隨堂錄入的操作成績、值日成績，上傳到主數(shù)據(jù)庫中保存，通過教師管理系統(tǒng)可隨時調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)進行分類匯總、統(tǒng)計實驗成績，并導(dǎo)出相應(yīng)的考勤表和實驗成績單等。

4 實驗教學(xué)管理平臺的運行

實驗教學(xué)管理平臺經(jīng)歷兩個學(xué)期的運行，各系統(tǒng)間交互性、兼容性良好，程序、設(shè)備狀態(tài)正常，同時在管理上也收到很好的效果，杜絕了同學(xué)幫忙簽到、不及時請假、無故曠課等一系列妨礙教學(xué)的情況，實驗教學(xué)秩序的改善也使教學(xué)效果得到保證。制度與措施的落實，教師的實時點評，充分調(diào)動了學(xué)生對實驗課的積極性，實驗參與度得到提升。與此同時，通過實驗教學(xué)管理平臺的應(yīng)用，管理的方法和手段更加科學(xué)化、人性化，類似點名的繁雜事情由平臺去做，教師把更多的時間和精力放在實驗教學(xué)上，提高教學(xué)質(zhì)量。實踐證明，實驗教學(xué)管理平臺實現(xiàn)了各系統(tǒng)相互支撐和數(shù)據(jù)共享，各個系統(tǒng)的使用率以及管理效率得到了提高。

人臉信息的采集工作量比較大，但采集后長期有效，可用于全校各學(xué)科理論課和實驗課的簽到，也可用于其他管理部門的身份確認工作。所以，學(xué)生入學(xué)時如果能完成這項采集工作，在保證網(wǎng)絡(luò)安全的環(huán)境下進行共享，將有利于平臺的推廣應(yīng)用，進而提高全校本科實驗教學(xué)的整體水平。

5 結(jié)語

實驗教學(xué)管理平臺的建立，為改善教學(xué)秩序、提高實驗教學(xué)質(zhì)量提供了支持和保障。構(gòu)建這樣一個實驗教學(xué)管理平臺，不僅僅為了藥劑學(xué)科的實驗教學(xué)而設(shè)計，在相同教學(xué)體系下，在大數(shù)據(jù)背景下的今天，通過其良好的示范效應(yīng)和輻射效應(yīng)，這一平臺可以為任何學(xué)科的實驗教學(xué)所使用，必將促進藥學(xué)院校的信息化建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的自律性，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)意識，形成良好的學(xué)風(fēng)和校風(fēng)，用高質(zhì)量的實驗教學(xué)培養(yǎng)出優(yōu)秀的新時代大學(xué)生。

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