許 丹

(武夷學(xué)院 電子工程系，福建 武夷山 354300)

智能化實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理模式

許 丹

(武夷學(xué)院 電子工程系，福建 武夷山 354300)

結(jié)合作者多年的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理模式中存在的一些問題進(jìn)行了探討，提出一種新的智能化實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理模式。該模式運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開放教學(xué)，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)室的安全性保障。

實(shí)驗(yàn)室;智能化;教學(xué)管理模式

1.引言

隨著高校基礎(chǔ)教育改革的不斷深入，實(shí)踐教學(xué)已成為高校教學(xué)中不可缺少的一部分。實(shí)驗(yàn)室是高校進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)、科學(xué)研究和技術(shù)推廣、以及培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)造性思維能力不可缺少的基礎(chǔ)陣地。因此，高校有針對(duì)性的科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室管理模式對(duì)于實(shí)踐教學(xué)的效果具有舉足輕重的作用。本文結(jié)合作者多年的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理模式存在的一些問題，如儀器設(shè)備的利用率不高，多數(shù)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生沒有創(chuàng)新能力等等進(jìn)行了探討，針對(duì)這些問題提出了一種新的智能化實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理模式。

2.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理模式的不足

在傳統(tǒng)模式下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理，課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置基本是根據(jù)教材和文獻(xiàn)。儀器操作使用的規(guī)范和流程，以及實(shí)驗(yàn)品的用量等，也都給出了詳細(xì)的規(guī)定。[1]學(xué)生只是按部就班地按照規(guī)范進(jìn)行機(jī)械性的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。這種格式化的教學(xué)限制了學(xué)生思維的靈活性和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中不具備應(yīng)變能力，實(shí)驗(yàn)操作中稍有變化，便不知如何應(yīng)對(duì)，最后往往還是需要教師動(dòng)手解決。[2]

此外，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，資源設(shè)備的利用率不高，且容易由于人為操作不當(dāng)導(dǎo)致額外損耗。根據(jù)作者多年的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，一堂實(shí)驗(yàn)課不同學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的速度有很大的不同。有些學(xué)生一節(jié)課就可以完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而有些學(xué)生可能需要兩節(jié)甚至更多的時(shí)間。由于一堂實(shí)驗(yàn)課的儀器一般都是統(tǒng)一配備，對(duì)于提前完成了實(shí)驗(yàn)的學(xué)生來說，實(shí)驗(yàn)儀器就被閑置了。而有些學(xué)生往往會(huì)繼續(xù)擺弄儀器進(jìn)行重復(fù)或者沒有意義的實(shí)驗(yàn)，這樣往往會(huì)造成不必要的儀器損耗。

3.智能化教學(xué)管理

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，許多高校已經(jīng)開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)智能化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)管理。例如，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)出以及儀器的使用進(jìn)行刷卡控制。由學(xué)校對(duì)需要使用相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的人員進(jìn)行核對(duì)并發(fā)放智能卡，學(xué)生和教師通過刷卡來獲得進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室以及使用實(shí)驗(yàn)儀器的權(quán)限。這樣很大程度上提高了實(shí)驗(yàn)室的工作效率，保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的安全性，減少了不必要的器材損耗。另外，在實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)上，許多高校也采用了多媒體教學(xué)的方式，通過視頻圖像來演示實(shí)驗(yàn)過程以及儀器操作規(guī)范。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課模式——教師在臺(tái)上親自操作進(jìn)行示范相比，計(jì)算機(jī)多媒體教學(xué)提供更加直觀，更加形象生動(dòng)的教學(xué)演示，教師也不再需要在每堂課上不斷進(jìn)行重復(fù)的實(shí)驗(yàn)演示。

以上所述的實(shí)驗(yàn)室智能化教學(xué)管理方法解決了一部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理模式的所存在的弊端,但是并沒有從根本上改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方法和解決實(shí)驗(yàn)室資源利用率不高的問題。本文提出一種新型的智能化教學(xué)管理模式，旨在對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式進(jìn)行根本上的改變。該模式摒棄了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容機(jī)械性的重復(fù)，能夠根據(jù)不同學(xué)生能力需求提供不同的教學(xué)內(nèi)容和方式。實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為根本的素質(zhì)教育和科學(xué)管理模式[3]。

此模式實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于一套智能化實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)不僅要能夠保障實(shí)驗(yàn)室的安全性，例如進(jìn)出控制，儀器使用權(quán)限控制等等，更重要的是能夠提供個(gè)性化的教學(xué)內(nèi)容管理。該系統(tǒng)的功能模塊如表1所示。

表1 智能化管理系統(tǒng)模塊

該系統(tǒng)包含三個(gè)模塊：用戶權(quán)限管理模塊，教學(xué)內(nèi)容管理模塊和設(shè)備管理模塊。用戶權(quán)限管理模塊對(duì)不同用戶的權(quán)限進(jìn)行分配和管理，其工作過程如圖1所示。

圖1 用戶權(quán)限管理模塊工作過程

根據(jù)上圖，實(shí)驗(yàn)開始之前，教師和學(xué)生需要向系統(tǒng)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室和儀器設(shè)備的操作使用權(quán)限。例如，學(xué)生甲在實(shí)驗(yàn)中需要使用儀器A，B和C，而學(xué)生乙需要使用儀器C,A和D，則他們?cè)趯?shí)驗(yàn)前需要向系統(tǒng)申請(qǐng)各自所需儀器的使用權(quán)限。系統(tǒng)將這些申請(qǐng)發(fā)送給實(shí)驗(yàn)室管理人員，管理人員核實(shí)學(xué)生的身份后，通過系統(tǒng)將相應(yīng)的權(quán)限依次分配給學(xué)生。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)學(xué)生甲完成第一個(gè)實(shí)驗(yàn)后（假設(shè)該實(shí)驗(yàn)需要儀器A），教學(xué)管理模塊發(fā)送實(shí)驗(yàn)完成的指令給權(quán)限管理模塊，權(quán)限管理模塊收到通知后即取消甲使用A儀器的權(quán)限，并把A儀器的使用權(quán)限分配給其他需要的學(xué)生（例如乙），同時(shí)，系統(tǒng)分配給甲下一個(gè)實(shí)驗(yàn)所需儀器的使用權(quán)限（假設(shè)為儀器B）。這樣的權(quán)限管理模式不僅能夠提高實(shí)驗(yàn)儀器的安全保障（學(xué)生不能夠隨意使用當(dāng)前實(shí)驗(yàn)不相關(guān)的儀器），而且能夠使設(shè)備資源得到充分的利用。

設(shè)備管理模塊的主要功能是接收權(quán)限管理模塊發(fā)出的用戶權(quán)限內(nèi)容指令，并根據(jù)不同的用戶權(quán)限開啟或者鎖定相關(guān)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備。

該智能化教學(xué)管理系統(tǒng)的核心部分是教學(xué)管理模塊。該模塊要實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)內(nèi)容的提供和學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋功能，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 教學(xué)管理模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

在圖2所示的教學(xué)管理模塊中，教師根據(jù)課程要求，事先設(shè)計(jì)好若干個(gè)不同難度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并錄入智能系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)課開始前，學(xué)生先通過系統(tǒng)預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)課開始后，每個(gè)學(xué)生面前都放置一臺(tái)裝有智能系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)設(shè)備，以接收智能系統(tǒng)的教學(xué)指令。智能系統(tǒng)開始向?qū)W生提供事先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。項(xiàng)目說明、操作規(guī)范等都由多媒體的形式演示給學(xué)生。同時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送指令給權(quán)限管理模塊，讓學(xué)生可以使用本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的儀器設(shè)備。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。若實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確，系統(tǒng)自動(dòng)提供下一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并發(fā)送指令通知權(quán)限管理模塊將本次實(shí)驗(yàn)的儀器使用權(quán)限分配給其他學(xué)生，同時(shí)分配下一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器的使用權(quán)限給當(dāng)前學(xué)生。如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到問題，可以通過系統(tǒng)提供的在線提問平臺(tái)向教師提問，教師同樣通過系統(tǒng)進(jìn)行解答。該系統(tǒng)還可以對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并反饋給教師，便于教師進(jìn)行分析，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。例如，如果多個(gè)學(xué)生在某個(gè)實(shí)驗(yàn)中得到相似的錯(cuò)誤結(jié)果，教師可以在通過和學(xué)生交流以及數(shù)據(jù)分析后，歸納出原因和注意事項(xiàng)，提醒后面的學(xué)生。又如，對(duì)于某個(gè)實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)學(xué)生都不能得到正確結(jié)果，教師就可以考慮適當(dāng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相比，智能化模式在兩個(gè)方面顯著提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。第一，系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)情況提供不同難度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，真正做到以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。第二，當(dāng)一個(gè)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，相關(guān)儀器設(shè)備能夠立即分配給其他學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了儀器設(shè)備的按需分配，明顯提高了資源利用率。在具體實(shí)施過程中，一堂實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生可以分成若干組，每組學(xué)生分配不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。當(dāng)一個(gè)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，通知系統(tǒng)，系統(tǒng)搜索到其他組完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生的空閑設(shè)備，然后把儀器使用權(quán)限分配給當(dāng)前的學(xué)生。

4.智能化模式與傳統(tǒng)模式的比較

在本節(jié)中我們用數(shù)據(jù)對(duì)智能化教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行比較。

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，一堂課的實(shí)驗(yàn)數(shù)目是事先設(shè)定好的，并且每個(gè)學(xué)生的試驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)順序都是一樣的。例如，一堂課時(shí)間為45分鐘，計(jì)劃要完成3個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)15分鐘完成，每個(gè)實(shí)驗(yàn)需要一臺(tái)儀器。那么，在一堂有30個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課中，每個(gè)學(xué)生面前必須擺放3臺(tái)儀器進(jìn)行3個(gè)實(shí)驗(yàn)，則一共需要30×3=90臺(tái)儀器。此外，由于這堂課計(jì)劃實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)為3個(gè)，即使有些學(xué)生10分鐘就可以完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們最多也只能在課堂完成3個(gè)實(shí)驗(yàn)。相反，在智能化教學(xué)模式中，實(shí)驗(yàn)數(shù)目和項(xiàng)目是根據(jù)每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況提供的。例如，30個(gè)學(xué)生事先分成3組，每組10個(gè)學(xué)生。不同組的學(xué)生做不同的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)有學(xué)生完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)后，通過系統(tǒng)搜索可以找到其他組完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，這樣他們就可以相互交換做不同的實(shí)驗(yàn)。這樣，假設(shè)同樣需要完成3個(gè)實(shí)驗(yàn)，那么一共只需要30臺(tái)儀器，每個(gè)實(shí)驗(yàn)10臺(tái)。即使考慮到不同學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)速度的差別，也只需要多準(zhǔn)備若干臺(tái)儀器備用即可，儀器總量明顯少于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課。此外，如果有學(xué)生10分鐘就可完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，那么他在完成3個(gè)實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)會(huì)再提供給他新的實(shí)驗(yàn)。因此，一堂課的實(shí)驗(yàn)總量是根據(jù)學(xué)生的完成情況變化的。

我們用N表示一堂實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生人數(shù)，用T表示課程總時(shí)間，用t表示每個(gè)實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)所需的時(shí)間，并假設(shè)每個(gè)實(shí)驗(yàn)需要一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器。在智能化教學(xué)模式中，我們把學(xué)生分為 h(h>1)組，用 t’(t’

表2 傳統(tǒng)模式和智能化模式的比較

從表2可以看出，在同樣的課程中，相比傳統(tǒng)模式，智能化模式大大減少了儀器使用數(shù)，并且增加了學(xué)生可能完成的實(shí)驗(yàn)數(shù)目。

5.總結(jié)

本文探討了一種新的智能化實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理模式的設(shè)計(jì)。該模式不僅能夠根據(jù)不同學(xué)生能力需求提供不同的教學(xué)內(nèi)容和方式，真正做到因材施教，提高實(shí)踐教學(xué)效益和教學(xué)質(zhì)量，而且能夠提高儀器設(shè)備的使用效率。另一方面，該模式便于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開放教學(xué)，網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理，還能提高實(shí)驗(yàn)室的安全性，對(duì)學(xué)校基礎(chǔ)教學(xué)的改革和學(xué)生的創(chuàng)造性思維培養(yǎng)提供了有力支持。

[1]董國強(qiáng).實(shí)驗(yàn)室管理模式的研究與探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005,24(6):93-96.

[2]丁鳴.關(guān)于高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的幾點(diǎn)思考[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,46(3):37-39.

[3]黃曉玲,段鳳云,趙建科.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,23(4):85-87.

Intelligent Laboratory Teaching and Management Mode

XU Dan

(Electronic Engineering Department of Wuyi University,Wuyishan,Fujian 354300)

This paper discusses issues of the traditional laboratory teaching and management mode,and proposes a new intelligent mode of laboratory management.This mode uses advanced computer technology.It achieves a flexible and intelligent lab management,and enhances the lab security.

laboratory;intelligence;teaching and management mode

G482

A

1674－2109(2011)06－0081－04

2011-10-30

許丹（1958-），女，漢族，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：實(shí)驗(yàn)室管理與研究。