唐朝暉, 吳元喜
(華中科技大學(xué) 國家級(jí)生命科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 湖北 武漢 430074)
基于虛實(shí)融合的智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)
唐朝暉, 吳元喜
(華中科技大學(xué) 國家級(jí)生命科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 湖北 武漢 430074)
針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中的人員、器材、過程等管理問題,設(shè)計(jì)了智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以虛實(shí)融合學(xué)習(xí)為核心,以微信、網(wǎng)站、APP為互動(dòng)信息平臺(tái),以手機(jī)、計(jì)算機(jī)、平板等多終端為載體,結(jié)構(gòu)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),使用便捷高效,在虛實(shí)融合開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果。
實(shí)驗(yàn)室開放管理; 虛實(shí)融合; 開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)
2012年教育部發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》明確指出,“要為每一名學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化學(xué)習(xí)的信息化環(huán)境和服務(wù)”[1]。信息化背景下的個(gè)性化人才培養(yǎng)已經(jīng)成為未來教育發(fā)展的主要方向,而基于虛實(shí)融合的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式倡導(dǎo)以學(xué)生為主體,以充分發(fā)展學(xué)生能力為目的,為學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)提供了良好的教育示范[2-3]。
20世紀(jì)60年代初,美國率先提出了“開放實(shí)驗(yàn)”的概念,國內(nèi)也從上世紀(jì)80年代提出并提倡進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)踐與推廣[4]。然而,如何在保障安全的前提下提高實(shí)驗(yàn)室資源的利用率,將實(shí)驗(yàn)時(shí)間、資源、空間、內(nèi)容等對(duì)學(xué)生全面開放?尤其是生物學(xué)實(shí)驗(yàn),內(nèi)容更新快、周期長、原理復(fù)雜、試劑昂貴、不安全因素較多等在一定程度上阻礙了開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面實(shí)施。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)終端設(shè)備的發(fā)展,為構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室全開放的信息化管理體系,促進(jìn)開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供了有力的技術(shù)支持。
近年來,迅速發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)也為開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)造了良好的條件[5]。我校生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心自2008年起就開始在生物學(xué)及生物醫(yī)學(xué)工程、生物物理等交叉學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究[6]。2014年獲批國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(以下簡稱“中心”),中心在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)、虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建等方面積累了豐富的資源與經(jīng)驗(yàn),已初步形成以“理工醫(yī)交叉、產(chǎn)學(xué)研一體”為特色、虛實(shí)融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[7-8]。
本文就以虛實(shí)融合的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)而構(gòu)建的智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)及實(shí)踐作一概述,旨在能夠全方位支撐研究型大學(xué)拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。
教學(xué)管理主要指管理者通過一定的管理手段,使教學(xué)活動(dòng)達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)的過程,是正常教學(xué)秩序的保證[9-10]。由于開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有實(shí)驗(yàn)人員、時(shí)間、內(nèi)容等多方面的不確定性,給實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理帶來了較多問題[11-12],在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:
(1) 器材管理:如何在學(xué)生進(jìn)行實(shí)體開放實(shí)驗(yàn)前收集、整理學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的個(gè)性化需求,如何根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)人員、時(shí)間、內(nèi)容等安排對(duì)實(shí)驗(yàn)試劑、耗材、設(shè)備等進(jìn)行及時(shí)調(diào)配及準(zhǔn)備,如何保證學(xué)生能夠安全、規(guī)范地進(jìn)行試劑配制、儀器使用,實(shí)驗(yàn)過程中各類實(shí)驗(yàn)器材的損壞、增補(bǔ)等如何得到及時(shí)反饋等。
(2) 人員管理:如何確定實(shí)體開放實(shí)驗(yàn)的學(xué)生名單及其實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,如何在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師與學(xué)生之間建立及時(shí)、有效、一一對(duì)應(yīng)的互動(dòng),以使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中能夠得到教師及時(shí)的指導(dǎo)與評(píng)價(jià)等。
(3) 過程管理:如何保障學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗(yàn)過程中的安全,如何培養(yǎng)與督促學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中養(yǎng)成良好的基本實(shí)驗(yàn)素養(yǎng),如何對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行考核,如何對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)等。
上述教學(xué)管理問題表明,構(gòu)建一個(gè)高效運(yùn)行、方便實(shí)用的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系非常有必要。總結(jié)了多年開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),從開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)入手,以安全、高效、及時(shí)、方便為原則,使用網(wǎng)站、微信、APP等信息交流平臺(tái),以手機(jī)、計(jì)算機(jī)、平板等多終端為應(yīng)用載體,以虛實(shí)融合學(xué)習(xí)為核心,設(shè)計(jì)了智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng),在實(shí)踐應(yīng)用中取得了良好的效果。
智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)主要由系統(tǒng)管理模塊、教師課堂管理模塊、學(xué)生學(xué)習(xí)管理模塊、師生互動(dòng)模塊和虛實(shí)融合學(xué)習(xí)模塊5個(gè)部分構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系見圖1。
圖1 智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)基本構(gòu)架
2.1 系統(tǒng)管理模塊
該模塊包括用戶管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)器材采購系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)等部分,是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心用戶、設(shè)備、耗材等的綜合管理模塊,也是協(xié)調(diào)其他模塊之間互動(dòng)的主要部分。
(1) 用戶管理系統(tǒng)包括學(xué)生用戶、實(shí)驗(yàn)教師用戶、教輔教師用戶及其他管理員用戶,用戶模塊主要用于對(duì)各類各級(jí)用戶進(jìn)行授權(quán)、編輯等管理,確保用戶之間、用戶與系統(tǒng)之間的有效銜接。
(2) 實(shí)驗(yàn)器材采購系統(tǒng)是對(duì)中心設(shè)備及耗材的使用、購買、庫存等的動(dòng)態(tài)管理,教師用戶可以查看庫存情況,提出購買或使用申請(qǐng),其中試劑按照國家危險(xiǎn)化學(xué)品管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí),對(duì)使用者規(guī)定了權(quán)限。大型設(shè)備或易出危險(xiǎn)的設(shè)備使用申請(qǐng)者,必須有培訓(xùn)或虛擬操作經(jīng)驗(yàn)方可通過設(shè)備的預(yù)約申請(qǐng)。
(3) 實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)可以讓學(xué)生有條件地預(yù)約開放實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)桌、實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備等。這里的條件是指教師布置的預(yù)習(xí)任務(wù),包括文獻(xiàn)閱讀、預(yù)習(xí)報(bào)告、課題實(shí)驗(yàn)方案、虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等。
2.2 教師課堂管理模塊
該模塊包括教師所授實(shí)驗(yàn)課堂各類信息管理,實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理、遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)器材訂購、使用授權(quán)管理系統(tǒng)等,便于實(shí)驗(yàn)教師在開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)儀器等使用進(jìn)行授權(quán),并能夠?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)的完成情況,并在異常情況下,及時(shí)采取停電等措施,消除安全隱患,保障人員和設(shè)備安全。
2.3 學(xué)生學(xué)習(xí)管理模塊
該模塊包括學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)成績、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的反饋等各類個(gè)性化學(xué)習(xí)信息以及與實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)、師生互動(dòng)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等各類學(xué)習(xí)資源的鏈接。
2.4 師生互動(dòng)模塊
基于微信平臺(tái)的師生互動(dòng)平臺(tái),可以讓師生之間交流更加及時(shí)有效,既可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程、材料設(shè)備使用等各類信息與技術(shù)的交流,也可以及時(shí)推送相關(guān)實(shí)驗(yàn)的參考文獻(xiàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)資源、預(yù)習(xí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等實(shí)驗(yàn)相關(guān)各類資料。
2.5 虛實(shí)融合學(xué)習(xí)系統(tǒng)
該系統(tǒng)包括虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)輔助等,是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)共享的碎片化虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí),可以熟悉開放實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)或開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),做好實(shí)驗(yàn)前的充分準(zhǔn)備;通過設(shè)備使用學(xué)習(xí)系統(tǒng)、試劑使用說明等自主學(xué)習(xí)輔助工具,學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,及時(shí)得到實(shí)體實(shí)驗(yàn)必備的相關(guān)信息及幫助,順利開展自主實(shí)體實(shí)驗(yàn),真正做到虛實(shí)融合。
我?!吧锟茖W(xué)大實(shí)驗(yàn)”“生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)”“生化與分子生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)”等綜合實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)數(shù)多、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綜合性和設(shè)計(jì)性強(qiáng),有的直接從科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化而來,學(xué)生是具有一定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的大學(xué)三年級(jí)學(xué)生,因此開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式一直是我校采取的一種主要的教學(xué)形式。此外實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心還承擔(dān)了學(xué)院本科生包括iGEM、BioMod在內(nèi)的各級(jí)各類學(xué)科競賽輔導(dǎo)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的部分項(xiàng)目等,這些對(duì)實(shí)驗(yàn)室的開放管理提出了較高的要求。
圍繞智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng),通過虛擬資源使用,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)技能;通過學(xué)生在線學(xué)習(xí)考核、虛擬仿真操作與評(píng)價(jià)以及師生互動(dòng),了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況,落實(shí)實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié);通過網(wǎng)絡(luò)化智能管理系統(tǒng),提高過程管理效率,保障學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全;通過形成性評(píng)價(jià)體系,促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成,提高學(xué)生綜合素質(zhì)。
3.1 實(shí)踐案例
圖2以學(xué)生開展一個(gè)虛實(shí)融合的開放綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程為主線,具體描繪了智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)各個(gè)組成部分在學(xué)生實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)上如何發(fā)揮管理與服務(wù)功能的。
圖2 開放管理系統(tǒng)在虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
圖2中的實(shí)線長方框?yàn)橹悄軐?shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)的組成部分,虛線長方框?yàn)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng),菱形框?yàn)榻處?系統(tǒng)對(duì)學(xué)生相關(guān)行為/信息的判斷部分。
3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)
在學(xué)生與教師頻繁互動(dòng)的教學(xué)活動(dòng)中,智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)在時(shí)間、空間、質(zhì)量、安全、評(píng)價(jià)等方面體現(xiàn)了下述特點(diǎn):
(1) 以學(xué)生為主體,體現(xiàn)教學(xué)服務(wù)理念。網(wǎng)絡(luò)共享虛擬實(shí)驗(yàn)資源、通過二維碼或APP即可查詢的設(shè)備及試劑使用說明等為學(xué)生開展綜合性、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)提供了便利,使學(xué)生更加專注于創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容。
(2) 以網(wǎng)絡(luò)為載體,使教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)資源信息推送等各類信息可以在手機(jī)、計(jì)算機(jī)、平板等終端上自由使用,使管理高效、便捷。
(3) 針對(duì)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的微信交流平臺(tái),保障師生間的即時(shí)互動(dòng)、信息及時(shí)推送。
(4) 每個(gè)學(xué)生一個(gè)實(shí)驗(yàn)桌、一個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間段,使實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的管理與評(píng)價(jià)更科學(xué),有利于教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)與管理。
(5) 設(shè)備使用狀態(tài)監(jiān)控等預(yù)警及阻止環(huán)節(jié)的設(shè)置,進(jìn)實(shí)驗(yàn)室前的師生安全考試等為開放實(shí)驗(yàn)過程提供了安全保障。實(shí)驗(yàn)室責(zé)任人可以遠(yuǎn)程管理實(shí)驗(yàn)室,處理應(yīng)急事故,避免事故的發(fā)生和擴(kuò)大。
(6) 通過遠(yuǎn)程監(jiān)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況,使教師可以隨時(shí)監(jiān)督及控制開放實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié),提高了教學(xué)效率。
3.3 應(yīng)用成效
隨著智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng)的運(yùn)行與完善,開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)也逐漸被教師所接受。目前,實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已經(jīng)有一半以上的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課或基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用了開放實(shí)驗(yàn)教學(xué),相對(duì)于幾年前的2~3門開放課程,數(shù)量得到很大提高。
新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也帶來了良好的教學(xué)效果:從學(xué)生方面看,學(xué)生整體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、獨(dú)立操作能力、表達(dá)及與人溝通能力等有所提高,在近幾年國際、國內(nèi)各個(gè)級(jí)別的學(xué)科競賽中取得了優(yōu)異的成績,如在iGEM國際遺傳工程機(jī)械設(shè)計(jì)大賽中,我校團(tuán)隊(duì)2014年獲國際銀獎(jiǎng),2015年和2016年獲國際金獎(jiǎng);在BIOMOD國際生物分子設(shè)計(jì)大賽中,我校團(tuán)隊(duì)2015年獲國際金獎(jiǎng),2014年和2016年獲國際銀獎(jiǎng);在省級(jí)大學(xué)生生物實(shí)驗(yàn)技能競賽中,我校學(xué)生2014年獲4個(gè)一等獎(jiǎng),2016年獲3個(gè)一等獎(jiǎng)和2個(gè)二等獎(jiǎng);另外還有100多人參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目,發(fā)表了20多篇研究性論文。從教師方面看,學(xué)生水平的提高及開放實(shí)驗(yàn)的實(shí)施對(duì)教師提出了新的、更高的要求,促使實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師不斷提高自身的教學(xué)水平,積極參加教學(xué)改革及專業(yè)研究。近年來,在教學(xué)研究、教學(xué)競賽、課題研究等多方面獲得了多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì),如中心獲得3個(gè)省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目,1個(gè)教學(xué)研究項(xiàng)目獲校級(jí)教學(xué)成果特等獎(jiǎng),1人在學(xué)校教學(xué)競賽中獲一等獎(jiǎng),發(fā)表教學(xué)研究論文20多篇。
信息化背景下的基于虛實(shí)融合的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加注重學(xué)生個(gè)性化發(fā)展及教師多樣化指導(dǎo),這對(duì)教學(xué)管理提出了較高的要求。針對(duì)目前開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中遇到的管理方面的問題,設(shè)計(jì)了以虛實(shí)融合學(xué)習(xí)為核心,以微信、網(wǎng)站、APP等為互動(dòng)信息平臺(tái),以手機(jī)、計(jì)算機(jī)、平板等多終端為載體的智能實(shí)驗(yàn)室開放管理系統(tǒng),該系統(tǒng)對(duì)開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)中器材、人員、過程等方面進(jìn)行科學(xué)高效的管理,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中既調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性,也提高了教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與指導(dǎo)水平,取得了良好的應(yīng)用效果。
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Open management system for intelligent laboratory based on virtual-actual integration
Tang Zhaohui, Wu Yuanxi
(National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Life Sciences and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)
In view of the management problems about personnel, equipment, process, etc., in the experimental teaching mode, the open management system for the intelligent laboratory is designed. This system takes the virtual-actual integrated learning as a core, the WeChat, the website and APP as the interactive information platform, and the terminals such as mobile phones, computers, tablets, etc., as a carrier, its structure is scientific and rigorous, and its utilization is convenient and efficient. The good application effect is achieved in the practice of the virtual-actual integrated open experimental teaching.
laboratory open management; virtual-actual integration; open experimental teaching
G642.0
A
1002-4956(2017)10-0226-04
10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.056
2017-04-09修改日期2017-06-02
國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31571303);湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(13067)
唐朝暉(1968—),女,江蘇鎮(zhèn)江,博士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)槿祟愡z傳學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué).
E-mail:zh_tang@hust.edu.cn