曾 浩，謝禮瑩，韓 術(shù)，顏 芳

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理

新型網(wǎng)絡(luò)化信息化開放式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與運(yùn)行模式實(shí)踐

曾 浩，謝禮瑩，韓 術(shù)，顏 芳

（重慶大學(xué) 微電子與通信工程學(xué)院，重慶 400044）

通過網(wǎng)絡(luò)化信息化實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，不僅可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的自由開放，幫助學(xué)生完成各種創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，而且可以進(jìn)行教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)共享建設(shè)，發(fā)展線上線下混合式教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。該文以重慶大學(xué)國(guó)家級(jí)電工電子教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為例，系統(tǒng)介紹了開放實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化、信息化建設(shè)方法，同時(shí)也介紹了針對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的運(yùn)行模式。

開放實(shí)驗(yàn)室；創(chuàng)新實(shí)踐；混合式教學(xué)

隨著新工科建設(shè)、工程教育認(rèn)證、共享課程建設(shè)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)等一系列人才培養(yǎng)質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，人們不斷探索新的教育教學(xué)模式，以增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力及解決復(fù)雜工程問題的能力[1-4]。一方面，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程在本科課程體系中的比重不斷增加；另一方面，依托實(shí)驗(yàn)室資源，積極開展創(chuàng)新實(shí)踐、電子競(jìng)賽等各種第二課堂項(xiàng)目[5-6]。在上述背景下，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施條件和運(yùn)行模式，已經(jīng)不能滿足教育發(fā)展需求。

1 實(shí)驗(yàn)室條件和運(yùn)行面臨的困難

1.1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)置不能高效實(shí)現(xiàn)開放機(jī)制

電子信息相關(guān)專業(yè)學(xué)生工程能力培養(yǎng)，需要通過學(xué)生完成各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、電子競(jìng)賽等具體項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)。由于專業(yè)自身特點(diǎn)，學(xué)生需要使用各種相應(yīng)的專業(yè)儀器設(shè)備，才能完成相關(guān)訓(xùn)練項(xiàng)目。通常的做法就是利用專業(yè)實(shí)驗(yàn)室擁有的硬件資源，以實(shí)驗(yàn)室開放模式加以解決。但實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期，網(wǎng)絡(luò)化和信息化程度不高，使得現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室難以具體實(shí)現(xiàn)開放[7-9]。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段陳舊

在教學(xué)運(yùn)行環(huán)節(jié)，目前的做法是每節(jié)實(shí)驗(yàn)課開始時(shí)，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)儀器使用進(jìn)行介紹，然后學(xué)生開始自行實(shí)驗(yàn)操作。這種傳統(tǒng)教學(xué)模式存在兩個(gè)明顯不足：首先是課堂時(shí)間緊張。由于在學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)之前，教師需要花費(fèi)一定時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解，占用了較多課堂時(shí)間，學(xué)生用于完成實(shí)驗(yàn)的時(shí)間往往非常緊張。學(xué)生僅僅能夠機(jī)械地完成要求的實(shí)驗(yàn)步驟，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果的思考。其次，由于實(shí)驗(yàn)操作涉及很多內(nèi)容，在教師講解后，學(xué)生難以記住所有細(xì)節(jié)，學(xué)生會(huì)有很多疑問。教師需要對(duì)這些問題不斷重復(fù)講解，指導(dǎo)效率不高。

1.3 學(xué)生缺少課外對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)

學(xué)生雖然都有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，但實(shí)驗(yàn)是一個(gè)具有顯著實(shí)踐特點(diǎn)的課程，僅僅依靠實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，學(xué)生并不能在課外對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行很好的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳。該問題的本質(zhì)，其實(shí)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不夠豐富，沒有適合在實(shí)驗(yàn)室外的課余時(shí)間使用的有效教學(xué)資源。

2 實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方案

解決上述實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行問題的方法，就是利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化和信息化的技術(shù)，提供有效的開放實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及豐富的在線教學(xué)資源，從而幫助學(xué)生完成各種第二課堂的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程學(xué)習(xí)。

2.1 開放實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

重慶大學(xué)國(guó)家級(jí)電工電子教學(xué)示范中心（以下簡(jiǎn)稱中心）由諸多專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室和專業(yè)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成。針對(duì)這些實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)設(shè)施改造，包括了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、門禁網(wǎng)絡(luò)、電源網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)4個(gè)部分。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

在早期建設(shè)中，部分實(shí)驗(yàn)室僅僅配置了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器，沒有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。2018年，為了完成實(shí)驗(yàn)室開放管理，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)配置了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)，并把中心所有計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化連接。在網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置一個(gè)中心服務(wù)器，通常安裝在一個(gè)單獨(dú)的控制工作間。服務(wù)器運(yùn)行相應(yīng)的管理軟件，既管理中心所有實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)、管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)也運(yùn)行相應(yīng)的中心網(wǎng)站，確保學(xué)生通過計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)或者移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，在實(shí)驗(yàn)室外也能方便訪問服務(wù)器。

為了確保開放實(shí)驗(yàn)的有效運(yùn)行，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室安裝需刷卡進(jìn)入的門禁系統(tǒng)。該門禁系統(tǒng)與示范中心服務(wù)器連接。學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)登錄賬號(hào)，完成預(yù)約。在獲得管理員教師批準(zhǔn)后，憑校園卡刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

考慮實(shí)驗(yàn)室安全，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)電源電路進(jìn)行重新建設(shè)。電源管理是確保實(shí)驗(yàn)室安全的重要組成部分。對(duì)于沒有學(xué)生使用的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，電源是斷開的。只有在學(xué)生預(yù)約的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生預(yù)約的工作臺(tái)電源才會(huì)打開。同時(shí)，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)室安裝相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備。監(jiān)控的圖像通過中心服務(wù)器進(jìn)行記錄。

2.2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器管理軟件建設(shè)

在完成實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)后，需要運(yùn)行相應(yīng)的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開放管理和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)管理[10]。管理軟件是基于Web服務(wù)器的系統(tǒng)，對(duì)于教師和學(xué)生而言，就是通過一個(gè)網(wǎng)站進(jìn)行訪問。服務(wù)器管理軟件包括用戶賬號(hào)管理、管理員控制、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫、教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫及歷史記錄數(shù)據(jù)庫。

賬號(hào)管理是完成學(xué)生和管理員賬號(hào)建立和登錄管理。顯然，學(xué)生和管理員具有不同的權(quán)限。學(xué)生具有兩個(gè)主要權(quán)限：一個(gè)是預(yù)約實(shí)驗(yàn)室時(shí)間和相應(yīng)實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)的權(quán)限，二是訪問教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫。前一個(gè)功能是幫助學(xué)生確定開放實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)入時(shí)間和位置，后一個(gè)功能是便于學(xué)生進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)；而管理員則負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)生預(yù)約進(jìn)行審批。同時(shí)，管理員具有訪問所有數(shù)據(jù)庫資源的權(quán)限。在學(xué)生完成預(yù)約申請(qǐng)并獲得管理員審核通過后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在相應(yīng)時(shí)間開放預(yù)約實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)，并對(duì)預(yù)約試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行通電和斷電。這一功能，無須管理員進(jìn)行其他操作。

該管理系統(tǒng)具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)。其一是教師和管理員都可以通過Web網(wǎng)頁進(jìn)行相應(yīng)操作，教師不需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行值守，也不需要在實(shí)驗(yàn)室完成審核工作，大大方便了學(xué)生和教師的操作。其二，服務(wù)器涵蓋了支持創(chuàng)新實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)室開放功能和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源訪問功能。對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，以及教師實(shí)施線上線下混合式教學(xué)方法，都提供了基本條件。

2.3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主體單位

實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施與學(xué)校教學(xué)具體要求結(jié)合密切，在選擇建設(shè)承建單位時(shí)，要確保對(duì)方熟悉學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)特點(diǎn)，具有豐富的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。另外，實(shí)驗(yàn)室各種設(shè)備，包括電源管理、門禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)，在運(yùn)行中往往會(huì)出現(xiàn)各種問題，后期維護(hù)離不開承建公司的支持。所以，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中要考慮維護(hù)需求。特別是對(duì)于一些易損設(shè)備，要采用可靠易維修的型號(hào)和品牌。

3 開放實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行模式

3.1 開放實(shí)驗(yàn)室的目的

隨著我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，社會(huì)對(duì)相關(guān)專業(yè)的人才提出了更高要求，高校需要不斷加強(qiáng)對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。目前，各種電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目、綜合課程設(shè)計(jì)等，成為學(xué)校利用實(shí)驗(yàn)室資源開展培訓(xùn)的有效途徑。根據(jù)電子信息類專業(yè)特點(diǎn)，上述培養(yǎng)措施需要學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備，在第二課堂完成。而專業(yè)實(shí)驗(yàn)室面向?qū)W生開放，就成為解決學(xué)生需求的必然手段[11]。

3.2 開放與教學(xué)的合理銜接

我校國(guó)家級(jí)示范中心早期建有不同性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室，包括以教學(xué)為主的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)室，以及針對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐的開放實(shí)驗(yàn)室。但隨著學(xué)生對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室需求增加，同時(shí)也為了提高實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源的利用率，目前已經(jīng)淡化了實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)功能，而是盡量采用綜合實(shí)驗(yàn)室的布局。因此實(shí)驗(yàn)室就存在日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)和開放的協(xié)調(diào)問題。多年管理經(jīng)驗(yàn)告訴我們，為了方便實(shí)驗(yàn)室完成日常教學(xué)，在硬件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，需要確保實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師具有對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室門禁、電源的簡(jiǎn)單控制能力，即在實(shí)驗(yàn)教學(xué)期間，可以很方便地取消門禁系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)。同時(shí)，在每個(gè)學(xué)期開學(xué)之前，管理員要根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程排課結(jié)果，確定可以開放的時(shí)間范圍，從而減小開放和教學(xué)之間的矛盾。

3.3 實(shí)驗(yàn)室人員管理

在實(shí)驗(yàn)室開放運(yùn)行過程中，管理員不僅需要對(duì)學(xué)生的開放申請(qǐng)進(jìn)行實(shí)時(shí)審批，還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)開放設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)負(fù)責(zé)完成對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的管理和突發(fā)事件的處理。所謂數(shù)據(jù)庫管理，主要是指用戶數(shù)據(jù)庫、教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫及預(yù)約時(shí)間信息的管理[11]。為了實(shí)現(xiàn)學(xué)生刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)學(xué)生的校園卡信息需要錄入服務(wù)器，但由于學(xué)生多，錄入工作量較大且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師提供的信息及時(shí)更新。此外，依據(jù)實(shí)驗(yàn)課表規(guī)劃出實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間，也是較為繁瑣的工作。鑒于上述工作性質(zhì)，中心設(shè)置了專門的實(shí)驗(yàn)管理崗位，該崗位教師不直接參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，只負(fù)責(zé)中心各種日常管理，包括開放實(shí)驗(yàn)室管理。

4 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)運(yùn)行模式

教學(xué)示范中心的基本功能，仍然是完成學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。但隨著第二課堂項(xiàng)目的逐漸普及和擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)室也承擔(dān)了諸如競(jìng)賽培訓(xùn)、大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃等項(xiàng)目，需要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開放。教學(xué)示范中心針對(duì)目前主要的實(shí)驗(yàn)課程，積極開展了教學(xué)資源信息化建設(shè)。

為了提供學(xué)生在課外完成實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)課程，教師制作了相應(yīng)的教學(xué)視頻，對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行了視頻化的講解和展示。同時(shí)，提供實(shí)驗(yàn)的課件和相關(guān)參考資料。這些教學(xué)資源，統(tǒng)一以教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫方式，存放在中心服務(wù)器上。學(xué)生通過網(wǎng)頁，無論是實(shí)驗(yàn)過程中還是課前課后，可以對(duì)上述教學(xué)資源進(jìn)行訪問。網(wǎng)頁中也提供師生交流的互動(dòng)區(qū)，真正做到了線下線上混合教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化信息化教學(xué)[12]。

經(jīng)過多門實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的實(shí)踐，學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果大大改善。學(xué)生基本都能在課堂時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求，教師的指導(dǎo)難度也大大降低。

5 結(jié)語

把網(wǎng)絡(luò)化、信息化的現(xiàn)代技術(shù)手段，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)及學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中，充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)室在人才培養(yǎng)中的作用。我校國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心經(jīng)過1年多的運(yùn)行，形成了相應(yīng)的運(yùn)行機(jī)制。實(shí)踐表明，網(wǎng)絡(luò)化、信息化的技術(shù)手段大幅提升了實(shí)驗(yàn)室資源利用率，也顯著提高了教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)也降低了教師的工作難度。

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Construction and operation model practice of open laboratory with new network and informationization

ZENG Hao, XIE Liying, HAN Shu, YAN Fang

(School of Microelectronics and Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Through the construction of network information laboratory infrastructure, not only can the free and open laboratory resources be realized and students be helped to complete various innovative training projects, but also can the construction of network sharing of teaching resources be carried out, online and offline hybrid teaching mode be developed and the quality of experimental teaching be improved. By taking the laboratory construction of the National Electrical and Electronic Teaching Demonstration Center of Chongqing University as an example, this paper systematically introduces the network and informationization construction methods of the open laboratory infrastructure and also introduces the operation mode for innovative practice and experimental teaching.

open laboratory; innovativepractice; blended teaching

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0264-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.062

2019-04-18

重慶大學(xué)教改項(xiàng)目（2017Y51）

曾浩（1977—），男，四川瀘州，博士，教授，系主任，主要研究方向?yàn)榭垢蓴_陣列天線技術(shù)。E-mail: haoz@cqu.edu.cn