王德利，湯海峰，孟 威，孟慶繁，滕利榮

（吉林大學 生命科學學院，吉林 長春 130012）

計算機信息技術的日新月異，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、多媒體化的信息技術越來越廣泛地應用于教育事業(yè)，正在逐漸地改變著高校的教育教學方式［1-2］。近年來，我國高等學校數(shù)字化校園建設受到廣泛的重視［3］，作為實驗教學手段的重要創(chuàng)新，數(shù)字化實驗教學平臺的建設與應用正在不斷改變著高校實驗教學的現(xiàn)狀，并極大地提高了實驗教學的教學質(zhì)量和辦學效益。

1 數(shù)字化資源庫的建立

（1）實驗教學資料的儲存。實驗教學資料收集要全面。實驗教學指導模塊包括教學大綱、教學日歷、考評方式與標準、教學設計、評價考核、實驗室安全教育等項目；實驗過程管理模塊包括實驗教學及考試安排通知單、實驗成績分析報告單、實驗助教成績評定表、實驗習慣要求等項目；實驗學習指導模塊包括學習指南，教學單元中的重點難點、實驗教材內(nèi)容、實驗基本技術指導、實驗器材、實驗原理、實驗操作步驟、實驗報告與實驗記錄撰寫方法及要求等項目；實驗教學效果評價模塊包括實驗預習試題庫、實驗考試題庫、實驗習慣成績、預習成績、操作成績、實驗報告成績及實驗總成績單等項目。

（2）照片或圖片的儲存。主要是實驗操作過程和實驗結果的照片。拍攝這些照片時要做到拍攝角度恰當、視角專業(yè)、像素適宜、光線充足、圖像清晰。要使用專業(yè)照相機拍攝。

（3）視頻或錄像短片儲存。視頻拍攝前要做好充分的場景與器材準備，動作圖像與音頻應分開制作，要為動作的拍攝準備拍攝腳本，為音頻錄制準備解說稿本。要選擇專用實驗室和專業(yè)攝像器材，確保錄音和錄像質(zhì)量。拍攝場景和器材要符合拍攝要求。

（4）CAI（computing assisted instruction）課件的儲存。制作前要對課件的主題和結構有清晰的把握，要做充分的素材準備。首頁應清新整潔、創(chuàng)意新穎、華麗優(yōu)美，切忌多幅圖片雜亂無章、主題不明、文本繁多、色彩過雜、搭配不當?shù)?。次頁目錄要簡單明了，其他所有?nèi)容都只能是目錄的陪襯，決不能喧賓奪主。文字內(nèi)容要言簡意賅、主題鮮明、詳略得當、恰到好處；動畫效果要合理適度；圖文混排要布局合理，背景應清雅，切忌零亂。

2 數(shù)字化實驗教學平臺組件

數(shù)字化實驗教學平臺包括“虛擬實驗教學系統(tǒng)”等5個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都有軟件，并需要進行硬件的購置、安裝、調(diào)試。軟件包括驅(qū)動程序、安裝程序、服務器軟件、客戶端軟件等；硬件隨子系統(tǒng)的功能不同而有所不同，但基本的構成包括服務器、客戶端計算機、顯示器、高清數(shù)碼攝像頭、數(shù)字化投影儀、交換機、耳機、數(shù)碼顯微鏡等。此外還要制作數(shù)字化實驗教學平臺網(wǎng)站，并通過校園局域網(wǎng)與Internet寬帶順暢相連，滿足實驗教學需要。用戶可以在任何時間、地點輕松登錄，利用數(shù)字化實驗教學平臺進行學習。

3 數(shù)字化實驗教學平臺結構、內(nèi)容及功能特點

利用計算機進行遠距離網(wǎng)絡學習和交互活動，有利于學生跟進學科前沿發(fā)展、提高動手能力和進行基礎性的科研訓練［4］。通過對數(shù)字化實驗教學平臺及其子系統(tǒng)的開發(fā)、建設及整合，該平臺已廣泛應用在我校實驗教學中，對提高實驗教學質(zhì)量起到了重要推動作用。

3.1 虛擬實驗教學系統(tǒng)建設

按照實驗教學的要求，虛擬實驗教學系統(tǒng)要提供逼真的實驗環(huán)境，要能夠隨意使用和操作所需的虛擬儀器和器材，并依據(jù)具體實驗內(nèi)容，建立與教學內(nèi)容相適應的實驗教學模型，采用計算機仿真技術，實現(xiàn)實驗過程的仿真操作［5-6］，并能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行實時記錄和分析。系統(tǒng)還具有實驗教學所需要的其他輔助功能，如介紹實驗目的、原理和要求，實驗儀器、設備的使用幫助等。學生可以自行選擇實驗動物、實驗器械和處理因素進行實驗設計并完成實驗。

虛擬實驗教學系統(tǒng)采用了計算機虛擬仿真技術與網(wǎng)絡技術，涵蓋了大量的實驗模擬仿真內(nèi)容。為了提高系統(tǒng)的仿真效果，在設計時應從以下幾方面進行突破：（1）模擬仿真性，采用虛擬現(xiàn)實技術，為使用者構建了一個模擬仿真的實驗環(huán)境；（2）互動交流性，利用多媒體編程軟件功能來設計實驗，通過實時的人機交互完成實驗；（3）趣味創(chuàng)新性，模擬實驗生動有趣，設計的實驗內(nèi)容允許學生自主選擇實驗動物、實驗藥物以及實驗器械，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)造性與創(chuàng)新性；（4）網(wǎng)絡開放性，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡向用戶開放，實驗者可以自由地進入或退出，具有良好的開放性；（5）用途廣泛性，對教師而言起到輔助教學的作用；對學生而言，則起到知識的預習、熟悉及強化的作用［7］。系統(tǒng)還應具有實驗成本低、難度小、不受時間空間限制，操作簡便易行等優(yōu)勢。

在進行虛擬實驗設計時，要根據(jù)實驗的內(nèi)容確定是否有必要設計成虛擬實驗；或者在一個實驗過程中，哪一部分內(nèi)容有必要設計成虛擬實驗，而哪些部分是只設計成示教實驗［8］。在設計虛擬實驗時還要考慮人機交互，要有簡單而形象的操作界面，要方便人的參與和控制，模擬的實驗動物、儀器設備、實驗耗材以及實驗輸出等有較高的仿真性（最好用現(xiàn)場環(huán)境和實物照片），顯示的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象要真實直觀。要具體考慮到所在學校的計算機網(wǎng)絡教學環(huán)境是否適合開展虛擬實驗教學，要設計出能在教學中應用并能達到減少實驗成本，使教學資源充分共享的虛擬實驗系統(tǒng)。

3.2 精品資源共享課程建設

國家精品資源共享課程是以普及共享優(yōu)質(zhì)課程資源為目的，體現(xiàn)現(xiàn)代教育思想和教育教學規(guī)律，服務學習者自主學習，展示教師先進教學理念和方法并通過網(wǎng)絡傳播的開放課程。教育部明確要求“精品課程要使用網(wǎng)絡進行教學與管理，相關的教學大綱、教案、習題、實驗指導、參考文獻目錄等要上網(wǎng)并免費開放，鼓勵將網(wǎng)絡課件、授課錄像等上網(wǎng)開放，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學資源共享［9］”。

我國精品資源共享課程建設起步較晚，尚不能滿足學習者深層次的學習需求［10］。我們所建設的精品資源共享課，以教師和學生為服務主體，也面向社會開放。實驗課程是精品資源共享課的重要組成部分，我們在建設精品資源共享課時盡量避免簡單的課堂搬家，注重實驗技能和實驗現(xiàn)象的展現(xiàn)，對專業(yè)性問題進行了深度剖析和詳細論述。在進行內(nèi)容規(guī)劃時，加強對課程的頂層設計，既包括經(jīng)典的學科知識體系，又融入學科前沿知識和課程建設的學科優(yōu)勢與特色。在課程設計時，根據(jù)需要按實驗技術類型或按實驗項目劃分章節(jié)，但始終遵循了“由簡單到復雜，由基礎到綜合”的基本原則，使知識結構形成了一個完整的體系。講授過程中力爭做到取材合適，內(nèi)容闡述循序漸進，有啟發(fā)性、便于自學，使學生能夠掌握基本理論、基本知識和基本技能。

3.3 網(wǎng)絡監(jiān)控互動系統(tǒng)建設

網(wǎng)絡監(jiān)控互動系統(tǒng)采用全數(shù)字化的計算機壓縮技術，具有“模擬”監(jiān)控系統(tǒng)無法比擬的許多優(yōu)點，可以完全自動地對監(jiān)控對象進行不間斷的全程監(jiān)控，并可以非常方便地查詢?nèi)我粫r間、任一地點的現(xiàn)場圖像。系統(tǒng)采用先進的數(shù)字處理技術，使得圖像質(zhì)量更高、更易于保存。

信號采集系統(tǒng)是整個網(wǎng)絡監(jiān)控互動系統(tǒng)的基礎，只有在前端采集到了良好的圖像信號，才有可能在后端進行高質(zhì)量的回顯與存儲。攝像機的安裝位置直接影響到整個網(wǎng)絡監(jiān)控互動系統(tǒng)的有效性，攝像機與鏡頭的搭配選擇會直接影響到后端的成像質(zhì)量，因此在安裝攝像機時要進行仔細定位和系統(tǒng)調(diào)整。網(wǎng)絡監(jiān)控互動系統(tǒng)中的數(shù)字監(jiān)控主機應當具有強大的圖像數(shù)據(jù)處理能力、卓越的數(shù)字圖像壓縮處理技術、整合的系統(tǒng)功能設計、優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能、超強的穩(wěn)定性以及良好的可擴展性和可升級性。

網(wǎng)絡監(jiān)控互動系統(tǒng)還可以完成實驗室共享功能，使一個實驗室與其他實驗室通過監(jiān)控系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)相聯(lián)通而實現(xiàn)視頻互動，也可擴展為大型會議的分會場，使多點教學和網(wǎng)絡會議成為現(xiàn)實。計算機網(wǎng)絡監(jiān)控實驗的遠程功能還可讓用戶通過網(wǎng)絡實時調(diào)控異地實驗室的真實設備，通過網(wǎng)絡實時獲得實驗結果，并且所有的數(shù)據(jù)都是在真實的狀況下得到的［11］。

3.4 實驗教學同步反饋系統(tǒng)建設

實驗教學同步反饋演示系統(tǒng)有效地解決了圍觀教師做動物手術等演示實驗的弊端，也更易于同步觀察動物機體反應與生理波形［12］。該軟件運行于加載TCP／IP協(xié)議的Windows2000以上系統(tǒng)網(wǎng)絡，集電腦教室的同步教學、控制、管理、音視頻廣播等功能于一體，能同時實現(xiàn)屏幕監(jiān)視和遠程控制等網(wǎng)絡管理的目的，是進行多媒體網(wǎng)絡教學的非常好的軟件產(chǎn)品。實驗教學同步反饋演示系統(tǒng)專門針對電腦教學和培訓網(wǎng)絡開發(fā)，可以非常方便地進行電腦教學，進行廣播與點播、屏幕監(jiān)視、遙控輔導、屏幕錄制、屏幕回放、網(wǎng)上語音廣播、兩人對講和多方討論、VCD／MPEG／AVI／MP3／WAV／MOV／RM／RMVB等視頻流的網(wǎng)絡播放等，對于傳統(tǒng)的輔助教學模式來說是一種教學上的突破。

3.5 微格實驗室教學系統(tǒng)建設

“微格教學”（micro-teaching）產(chǎn)生于美國斯坦福大學，它是把現(xiàn)代視聽設備應用于教學，對師范生“角色扮演”課程進行改造而形成的。網(wǎng)絡技術的發(fā)展和微格教學的數(shù)字化，為網(wǎng)絡環(huán)境下的數(shù)字微格教學提供了技術支持［13］。在數(shù)字化實驗教學平臺中，微格教學環(huán)境的主要變化是微格實驗室教學系統(tǒng)的數(shù)字化。我們將微格實驗室與多媒體教學設備相結合，配備視頻采集設備和數(shù)字化投影機，構建了集計算機、網(wǎng)絡、多媒體、音視頻、存儲、傳輸?shù)榷喾N技術于一體的數(shù)字化微格實驗室教學系統(tǒng)。數(shù)字化微格教學系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的機電控制方式，采用軟件管理，既增強了控制的精確性，又簡化了指導教師或?qū)I(yè)人員的操作程序，體現(xiàn)了易學易用的特點。數(shù)字化微格實驗室教學系統(tǒng)將文件納入網(wǎng)絡文件服務器中，不再受傳統(tǒng)微格教學系統(tǒng)使用文件的局限性，使校園網(wǎng)中的特定用戶隨時可以調(diào)用文件，最大限度實現(xiàn)了資源共享。微格實驗室教學系統(tǒng)還有可視對講功能、遠程遙控功能、多播功能、評課功能、示范功能、系統(tǒng)多媒體監(jiān)控及掃描功能、遠程傳送功能等。

4 結束語

數(shù)字化實驗教學平臺能夠傳播最新教育觀念與教育信息，創(chuàng)造了教育技術現(xiàn)代化的校園環(huán)境，是以學生為本的現(xiàn)代教育發(fā)展模式和網(wǎng)絡教學的重要技術支撐，并為教師對教學理念和教學過程的分析和反思提供了素材。數(shù)字化實驗教學平臺突破了時間和空間的限制，對提高高等教育教學質(zhì)量和大學生的創(chuàng)新能力大有裨益。

我國數(shù)字化教學起步較晚，數(shù)字化實驗教學平臺的建設水平也有差異。雖然我們已經(jīng)開發(fā)并搭建了這一平臺，但還有許多需要改進和優(yōu)化的地方，主要涉及資源的添加和更新、各環(huán)節(jié)或節(jié)點的銜接、硬件維護和軟件升級等問題。數(shù)字化實驗教學平臺建設是一項系統(tǒng)工程，需要具有前瞻性的全面規(guī)劃和配套建設來予以支持，更需要有效地組織與協(xié)調(diào)。在優(yōu)化與完善實體實驗室的基礎上，不斷地開拓網(wǎng)上教學新模式，建設豐富的數(shù)據(jù)資源，是今后數(shù)字化實驗室的發(fā)展方向［14］。

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