曾志強

實驗教學(xué)是高等教育的重要組成部分，是學(xué)生實踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必需環(huán)節(jié)。高校開放實驗室實現(xiàn)智能化管理模式是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的新途徑，也是實行實驗教學(xué)改革的重要過程。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，“三網(wǎng)融合”成為信息化發(fā)展的必然趨勢。高等學(xué)校作為科研的先驅(qū)，已經(jīng)普遍使用計算機系統(tǒng)來進行實驗室的管理工作，這大大地提高了實驗室管理水平和工作效率。開放實驗室智能化管理不僅是指儀器設(shè)備與時間概念上的開放，更是指實驗課程、實驗項目、研究課題和實驗教學(xué)方法的開放管理。為此，如何使廣大的學(xué)生更充分地利用現(xiàn)有實驗室資源，成為開放實驗室管理急需解決的首要問題［1］。

1 “三網(wǎng)融合”是現(xiàn)代通信和計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的產(chǎn)物

所謂“三網(wǎng)融合”即計算機互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)和有線電視網(wǎng)絡(luò)相互滲透和融合，形成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并以全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施來支持包括數(shù)據(jù)、圖像和話音在內(nèi)的信息通信。2009年工信部在公布的《電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》中明確提出要加快第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和寬帶網(wǎng)建設(shè)，開發(fā)符合新型移動通信網(wǎng)絡(luò)特點和移動互聯(lián)網(wǎng)要求的新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用等來推進“三網(wǎng)融合”［2］。隨著信息技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，信息數(shù)字化已經(jīng)成為必然趨勢，多媒體信息處理已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在同一個計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和電信載體上傳輸和處理數(shù)字、文字、語音、圖像和視頻的基本信息形態(tài)，“三網(wǎng)融合”將成為信息化發(fā)展的必然趨勢［3］。

高校在應(yīng)用現(xiàn)代通信和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面具備良好的基礎(chǔ)，在校園網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中實現(xiàn)“三網(wǎng)融合”，通過優(yōu)化現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)配置、采用全數(shù)字化連接、綜合利用整合網(wǎng)絡(luò)資源、高度集成寬帶數(shù)據(jù)交換與傳輸、智能化管理與控制、簡化終端接口等方式改造多媒體信息網(wǎng)絡(luò)，提供視頻、語音、數(shù)據(jù)等多媒體信息服務(wù)［4］。在技術(shù)設(shè)備上，利用先進的PTN傳輸承載技術(shù)、FTTX技術(shù)和GPON寬帶接入技術(shù)將廣電、傳統(tǒng)電信網(wǎng)、因特網(wǎng)等進行融合，并引入軟交換、IPTV/數(shù)字電視等業(yè)務(wù)［5］，實現(xiàn)全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施所支持的數(shù)據(jù)、話音和視頻業(yè)務(wù)，在教學(xué)上實現(xiàn)多媒體教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、實驗室智能化管理、視頻實驗教學(xué)、校園安全監(jiān)控等功能［6］。在校園應(yīng)用“三網(wǎng)融合”網(wǎng)絡(luò)平臺優(yōu)點是校區(qū)內(nèi)不需要重新布線，充分利用了原有的設(shè)備，改造速度快，給學(xué)校的管理和教學(xué)提供更加周到便捷的服務(wù)。

2 構(gòu)建實驗室智能化管理系統(tǒng)，創(chuàng)新實驗教學(xué)與管理模式，實現(xiàn)實驗室的完全開放

實驗室智能化管理系統(tǒng)由實驗室控制主系統(tǒng)和實驗室子系統(tǒng)組成。實驗控制主系統(tǒng)由主控計算機、射頻讀卡器、信息發(fā)射接收系統(tǒng)組成，實現(xiàn)各種控制信號采集、數(shù)據(jù)存儲、運算控制、信息傳輸。實驗室子系統(tǒng)由實驗室主控計算機、實驗臺控制板、實驗臺電源控制器、射頻通信系統(tǒng)組成［7］。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制各實驗臺狀態(tài)，同時利用實驗臺輸入設(shè)備和傳感器采集實驗臺信息，實現(xiàn)信息在計算機和射頻讀卡器的傳遞接收。主要實現(xiàn)以下實驗室常規(guī)管理功能。

（1）實驗信息智能化管理。將實驗預(yù)約、個人信息、身份認證、網(wǎng)上輔導(dǎo)、實驗報告提交等模塊與實驗人員在實驗室做實驗情況采集到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)并進行統(tǒng)一管理。

（2）實驗室每臺儀器的智能化管理。提高實驗設(shè)備利用效率，優(yōu)化實驗室資源配置，實現(xiàn)實驗室全方位、全過程開放［8］。

（3）實驗設(shè)備電源自動管理。通過身份認證自動打開實驗室及設(shè)備電源，離開時關(guān)閉實驗室總電源。

（4）實驗設(shè)備故障情況自動登記。實驗設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將自動登記存檔，并及時告知管理人員進行維修，設(shè)備修好后將信息存入數(shù)據(jù)庫，自動開啟使用。

（5）實驗設(shè)備移動報警并記錄。對實驗設(shè)備安放位置進行管理，當發(fā)現(xiàn)實驗人員移動實驗臺儀器或?qū)嶒炘O(shè)備帶出實驗室，報警系統(tǒng)發(fā)出警告信號，并通知實驗管理人員進行處理，同時將違規(guī)記錄儲存到該實驗人員記錄中。

高校實驗室資源的利用效率和管理水平直接反映一個學(xué)校的教學(xué)實力和辦學(xué)質(zhì)量，如何加快實驗室建設(shè)并規(guī)范管理，充分發(fā)揮實驗室資源的效益，是實驗室建設(shè)與發(fā)展中亟待解決的問題。為保證實驗教學(xué)的順利開展，需要將實驗室資源更加合理地利用，提高實驗教學(xué)的開放層次，充分利用實驗課堂和業(yè)余時間將實驗室對師生開放，構(gòu)建真正意義的開放實驗室。利用“三網(wǎng)融合”的資源，充分發(fā)揮實驗室功能，整合實驗資源，推進實驗教學(xué)規(guī)范化和教學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化進程，實驗室管理的智能化就顯得特別重要，在實驗室使用、儀器設(shè)備配置、實驗專業(yè)技術(shù)隊伍建設(shè)、實驗室檔案管理等方面建立智能化管理系統(tǒng)，是高校實驗室管理體制改革的必然趨勢。

2.1 設(shè)置智能卡門禁及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建開放實驗室

智能卡門禁系統(tǒng)由射頻讀卡器、主控計算機、數(shù)據(jù)發(fā)射接收系統(tǒng)和電控門鎖組成。智能卡門禁系統(tǒng)的使用可以提高實驗室的工作效率和管理水平，降低管理費用，提高管理檔次。構(gòu)建高效、安全、節(jié)能的開放實驗室，智能化門禁管理系統(tǒng)在高校實驗室的應(yīng)用是一個必然趨勢［9］。智能卡是持卡人的電子門匙，用于開啟已授權(quán)的實驗室。將射頻卡編號作為師生的信息存儲、查詢、修改管理的身份認證識別碼，通過在智能卡門禁控制器上授權(quán)持卡人進出實驗室的權(quán)限和時段信息，實現(xiàn)嚴密而靈活的實驗室管理，有效而禮貌地防止非授權(quán)人員的進出。師生的全部信息由網(wǎng)上實驗室系統(tǒng)進行管理，管理人員根據(jù)實驗室的安排計劃設(shè)置持卡人進出各實驗室的權(quán)限、有效時段，設(shè)置用卡或卡＋密碼等開門方式。通過查詢門禁系統(tǒng)的進出記錄，作為進出人數(shù)統(tǒng)計或事故核查的依據(jù)。

在設(shè)置智能卡門禁系統(tǒng)的同時又建立實驗室視頻監(jiān)控系統(tǒng)，既提高實驗設(shè)備利用率又能有效監(jiān)控儀器設(shè)備使用情況，設(shè)備故障能及時發(fā)現(xiàn)及時維修。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由攝像機、服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控端組成。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)無需建設(shè)專門的信號傳送網(wǎng)絡(luò)，信號傳輸通過校園網(wǎng)實現(xiàn)，在監(jiān)控中心實時顯示所有監(jiān)控實驗室的視頻；可以在監(jiān)控中心發(fā)出指令控制前端設(shè)備，使安裝在實驗室的攝像機可迅速定位及連續(xù)追蹤掃描，實現(xiàn)無盲點、全方位監(jiān)視；通過配置有遠紅外功能的攝像機，達到全天候監(jiān)控。

監(jiān)控人員通過對系統(tǒng)的操作，可觀察所有監(jiān)控實驗室的視頻圖像，任意切換監(jiān)控點并在需要時進行錄像。采用數(shù)字化壓縮及前后端混合式存儲處理技術(shù)，能在回放以前資料的同時不影響正常錄像，保證資料的完整性，同時還可以將重要資料進行備份和打印，這不但有利于重要資料的保存和管理，還可以根據(jù)報警信號的發(fā)生自動實時記錄現(xiàn)場情況，隨時可從系統(tǒng)數(shù)據(jù)中查詢相應(yīng)的資料。

2.2 開設(shè)網(wǎng)絡(luò)實驗室，推進實驗教學(xué)改革

網(wǎng)上實驗室能實現(xiàn)“實驗預(yù)約”，“網(wǎng)上實驗”，“網(wǎng)上輔導(dǎo)”，“實驗報告提交”等功能。各種實驗管理數(shù)據(jù)在網(wǎng)上實驗室管理系統(tǒng)與控制室主系統(tǒng)之間進行傳遞，同時將這些信息傳遞到各控制室子系統(tǒng)，實現(xiàn)對各實驗室的智能控制。實現(xiàn)網(wǎng)上實驗教學(xué)，其主要目的是讓學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)中對實驗項目更加具有針對性，實驗項目的管理更加完善，實驗評價更具個性化和客觀公正性，給學(xué)生以人性化、彈性化的發(fā)展空間。這將有利于學(xué)生在學(xué)習過程中產(chǎn)生積極的情感，切實提高學(xué)生對知識的理解和實際操作能力。網(wǎng)上實驗教學(xué)的應(yīng)用，改革了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，有效地強化了實驗教學(xué)的效果。由于高校連年擴大招生規(guī)模，在校學(xué)生迅速增加，許多高校實驗場地、實驗設(shè)備儀器、師資力量均嚴重不足，實驗課程的教學(xué)出現(xiàn)很大困難［10］。解決這些問題的一種有效辦法是開設(shè)網(wǎng)上實驗教學(xué)。

在網(wǎng)上實驗教學(xué)中，可充分發(fā)揮校園網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，不受時間和場地限制，只要能上網(wǎng)就能做實驗，真正激發(fā)學(xué)生實驗的興趣。實驗教師可先將實驗內(nèi)容和要求發(fā)到網(wǎng)上，通知學(xué)生下載并預(yù)習，了解實驗步驟，做好實驗準備；學(xué)生在網(wǎng)上觀看實驗教學(xué)課件、實驗過程錄像、實驗過程動畫等資料，然后根據(jù)實驗步驟進行操作，按要求完成實驗；教師可以在網(wǎng)上給學(xué)生以具體指導(dǎo)，及時發(fā)現(xiàn)并幫助學(xué)生解決操作中的問題，實驗課后在網(wǎng)上提交實驗報告。網(wǎng)上實驗教學(xué)的實施和實現(xiàn)可解決目前實驗教學(xué)中存在的問題，可以提高實驗教學(xué)效率，實現(xiàn)實驗教學(xué)模式的革新和教學(xué)質(zhì)量的提高［11］。三網(wǎng)融合為網(wǎng)上實驗教學(xué)提供了良好的平臺，是計算機技術(shù)和多媒體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是實驗教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。

2.3 應(yīng)用視頻系統(tǒng)，使實驗教學(xué)具有遠程學(xué)習功能

視頻實驗教學(xué)系統(tǒng)的主要功能是采用現(xiàn)代通信技術(shù)將教師現(xiàn)場實驗的圖像、聲音和電子白板等信息實時地傳送到遠端教室或?qū)W生的學(xué)習界面上，通過該系統(tǒng)，遠端的學(xué)生可以看到并聽到教師實時的實驗教學(xué)，又可實現(xiàn)教師、學(xué)生之間進行實時交流。教師在實驗教學(xué)活動中可以看到學(xué)生的表情和動作，聽到學(xué)生的聲音，并可和學(xué)生進行異地實時交流，達到現(xiàn)場教學(xué)的效果。應(yīng)用視頻實驗教學(xué)，它不僅創(chuàng)造良好的交互式學(xué)習氛圍和提供了現(xiàn)代化的教學(xué)手段，而且提供給學(xué)生更多更靈活的學(xué)習方法，既能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性，也可以提高教師教學(xué)的工作效率，讓教師的教學(xué)工作事半功倍。

視頻實驗教學(xué)是利用現(xiàn)代的三網(wǎng)融合技術(shù)平臺，將教師實驗和學(xué)生觀看的靜、動態(tài)圖像、圖片、語音、文字等多種資料實現(xiàn)實況互現(xiàn)，使得在地理上分散的實驗室可以共聚一處，建立點對點或多點之間的雙向視頻、雙向音頻，以及數(shù)據(jù)等交互式信息的實時通信與共享，實現(xiàn)教師做實驗、學(xué)生觀看實驗過程、實時雙向交流、課件演示，作業(yè)分發(fā)與回收等功能。實現(xiàn)過程是教師在實驗室上課，通過攝像頭、麥克風、音響等多媒體設(shè)備將其聲音、圖像、數(shù)據(jù)等傳送到視頻實驗教學(xué)系統(tǒng)主控機房，利用視頻實驗教學(xué)系統(tǒng)將其實驗過程內(nèi)容數(shù)字化后再利用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€分視頻實驗教學(xué)系統(tǒng)接收機上，各分實驗管理技術(shù)人員在主控機房調(diào)控、接收實驗室傳送過來的實驗教學(xué)信息，傳輸?shù)蕉嗝襟w教室的計算機上，最后在多媒體教室通過投影儀、屏幕、音響等多媒體教學(xué)設(shè)備顯示實驗過程內(nèi)容，實現(xiàn)實時通信、同步實驗教學(xué)、信息資源共享等實效。

2.4 構(gòu)建微格實驗教學(xué)系統(tǒng)，提高學(xué)生實驗操作技能

融入網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的微格實驗教學(xué)系統(tǒng)與數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備接軌，把現(xiàn)代的微格教學(xué)系統(tǒng)通過交換機或路由器等設(shè)備連接校園網(wǎng)，構(gòu)建成微格實驗教學(xué)系統(tǒng)［12］。

（1）利用主控制臺有效實時快速地對微格實驗室的實驗過程進行處理?？刂浦行耐ㄟ^視音頻控制技術(shù)及音/視頻數(shù)字處理器，可對任意一臺攝像機信號進行監(jiān)視，控制人員可以對實驗室內(nèi)的實驗教學(xué)全過程從不同方位進行監(jiān)控、錄像，通過操作多功能云臺、多倍變焦鏡頭對實驗操作人員的動作拍攝特寫鏡頭，對實驗室內(nèi)的聲音可進行同期錄音。主鏡頭進行錄像時，可對其他鏡頭進行預(yù)覽并預(yù)調(diào)，再切換入主畫面，控制任何一臺攝像機，并將信號通過不同軌道自由切換，控制人員通過特技機完成多鏡頭之間的特技鏡頭切換，實現(xiàn)對整個實驗過程的監(jiān)控錄像。

（2）利用多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在微格實驗教學(xué)中自動生成網(wǎng)絡(luò)課件。通過中心控制室，可隨時將微格實驗室內(nèi)上課的優(yōu)秀教師實驗課或?qū)W生實驗練習實時全程的視頻信號和音頻信號直接送到視音頻采集卡進行實時視音頻采集。采集后的信號可存于服務(wù)器硬盤或使用專用軟件對其進行編輯、制作和過程處理后，把需要刻錄光盤的內(nèi)容直接刻錄制成光盤課件，為課后研討及精品實驗課程增添更多的教材。

（3）利用微格實驗教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢，能提高培養(yǎng)學(xué)生實驗操作技能方面的效率。微格實驗教學(xué)是一種模擬實景的實驗教學(xué)，實驗操作技能培訓(xùn)則是面對真實環(huán)境進行的完整的實踐課程。微格實驗教學(xué)的目的是讓學(xué)生實踐所學(xué)的實際操作技能，逐漸熟練地掌握。在融入現(xiàn)代信息技術(shù)元素的微格實驗操作技能培訓(xùn)中，多個監(jiān)視器可以看到不同攝像機的拍攝畫面，受培訓(xùn)者能及時看到自己的實驗操作過程，獲得自我反饋信息，利于及時修正。同時教師可以在計算機控制室中進行實時點評，并將操作情況保存在硬盤上，并根據(jù)需要，可以隨時播放。這利于教師掌握實驗教學(xué)中的個別情況，減輕了指導(dǎo)教師的負擔，使之能有更多的時間對學(xué)生的實驗工作進行評價和指導(dǎo)。微格實驗教學(xué)系統(tǒng)將全面提高實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實際操作技能的效率，達到提高實驗教學(xué)效果的作用。

3 結(jié)束語

高校構(gòu)建“三網(wǎng)融合”應(yīng)用平臺，必將促進高校管理與教學(xué)創(chuàng)新，進而促進教學(xué)方法的改變。作為知識與創(chuàng)新的匯集地，高校在應(yīng)用新技術(shù)方面必須創(chuàng)造一種有效的運行模式，實現(xiàn)管理與教學(xué)共贏。構(gòu)建一個集語音、視頻和信息數(shù)據(jù)于一體的實時、交互、多媒體化的基于“三網(wǎng)融合”技術(shù)的校園網(wǎng)應(yīng)用于實驗教學(xué)，整合實驗資源和實現(xiàn)實驗教學(xué)創(chuàng)新，可以把實驗教學(xué)、實驗管理等各部門連接成一個有機整體。提高高校實驗教學(xué)與管理信息化應(yīng)用水平，是未來高校發(fā)展的趨勢。

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