朱正國 劉穎 黃旭雄

摘? ?要：文章以水產(chǎn)科學國家級實驗教學示范中心（上海海洋大學）為例，概述了水產(chǎn)與生命學院實驗教學中心虛擬仿真實驗平臺、顯微互動實驗室、顯微鏡室智能存取系統(tǒng)、創(chuàng)新開放實驗平臺等信息化項目的具體建設(shè)情況，分析了虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字化管理等信息技術(shù)手段在水產(chǎn)類雙一流學科建設(shè)中的優(yōu)勢和發(fā)揮的重要作用，總結(jié)出現(xiàn)代化信息技術(shù)在教育教學管理中的應(yīng)用成效，并對未來實驗教學中開放共享的信息化建設(shè)和應(yīng)用做出了展望。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù);虛擬仿真實驗;實驗教學;開放共享

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）07-0092-05

一、教育信息化建設(shè)的背景和意義

2020年是《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》收官之年，我國教育要全面完成規(guī)劃提出的教育管理信息化水平顯著提高、信息技術(shù)與教育融合發(fā)展的水平顯著提升等教育信息化建設(shè)的目標任務(wù)。[1]在全面實現(xiàn)“十三五”發(fā)展目標的基礎(chǔ)上，“再經(jīng)過15年努力，到2035年，總體實現(xiàn)教育現(xiàn)代化，邁入教育強國行列，推動我國成為學習大國、人力資源強國和人才強國，為到本世紀中葉建成富強民主文明和諧美麗的社會主義現(xiàn)代化強國奠定堅實基礎(chǔ)”，建設(shè)具中國特色智能化校園，統(tǒng)籌建設(shè)一體化智能化教學、管理與服務(wù)平臺。[2]發(fā)展中國特色世界先進水平的優(yōu)質(zhì)教育是《中國教育現(xiàn)代化2035》提出的十大戰(zhàn)略任務(wù)之一，教育教學機構(gòu)要充分利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式改革，實現(xiàn)規(guī)?；逃c個性化培養(yǎng)的有機結(jié)合。教育信息化改革發(fā)展有利于全面提升教育管理隊伍信息化技術(shù)水平，強化創(chuàng)新型綜合性人才培養(yǎng)能力，改善教育教學質(zhì)量和效果，促進產(chǎn)學研用一體化發(fā)展。在信息化飛速發(fā)展的新時代，我們要善于利用現(xiàn)代化信息技術(shù)的新成果強化和提升教育服務(wù)能力，堅持立德樹人，強化以能力為先的人才培養(yǎng)理念，堅持“學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的原則，突出應(yīng)用驅(qū)動、資源共享，將實驗教學信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，以高質(zhì)量實驗教學助推高等教育教學質(zhì)量變軌超車，助力高等教育強國建設(shè)。[3]

二、中心教育信息化項目建設(shè)現(xiàn)狀

上海海洋大學水產(chǎn)科學國家級實驗教學示范中心（以下簡稱“中心”）于2009年獲批，是支撐我校三個國家特色專業(yè)（水產(chǎn)養(yǎng)殖、生物科學、海洋漁業(yè)科學與技術(shù)）及其他水產(chǎn)類、生物類和環(huán)境類等13個專業(yè)的重要實踐教學平臺，在實踐教學改革、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、對外交流、科普教育及西部服務(wù)等方面發(fā)揮著重要示范輻射作用。近年來，依托水產(chǎn)學雙一流學科建設(shè)，中心堅持推進落實教育部、農(nóng)業(yè)部（現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局）、國家林業(yè)局（現(xiàn)國家林業(yè)和草原局）卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計劃，結(jié)合水產(chǎn)學和信息技術(shù)等領(lǐng)域的科技新成果，開展了一批有益的教學信息化建設(shè)項目，提升改造以水產(chǎn)養(yǎng)殖學為主要代表的學科專業(yè)，以此提升中心信息化教學管理水平，培養(yǎng)學生自主學習和創(chuàng)新實踐能力，推動高質(zhì)量優(yōu)質(zhì)教育資源建設(shè)及教學資源共享服務(wù)，確保中心實驗教學示范性作用和引領(lǐng)地位。

1.虛擬仿真實驗平臺

實驗教學有助于學生對理論知識的理解，提高學生的動手能力、創(chuàng)新意識和綜合科研能力;[4-6]隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息化實驗教學模式越來越多地被應(yīng)用于高校的實驗教學中，已成為信息化教學中舉足輕重的一部分。[7-9]虛擬仿真實驗采用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等信息化技術(shù)手段，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象以滿足教學大綱要求，[10]使學生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中實現(xiàn)高效、安全且經(jīng)濟的管理，達到真實實驗環(huán)境難以實現(xiàn)的教學效果，是對傳統(tǒng)實驗教學思想、體系和模式的革新，[8]是信息化高新技術(shù)與教育教學深度融合的時代產(chǎn)物。中心始終秉承以能力為先的人才培養(yǎng)理念，堅持“學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的原則，積極推動虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)與申報工作，搭建了獨立的虛擬仿真實驗平臺，基于B/S架構(gòu)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)不同仿真實驗項目的建設(shè)和通訊，在滿足接口的前提下，平臺可與其他項目進行無縫對接實現(xiàn)共同管理。虛擬仿真實驗平臺搭載了一套開課、排課的教務(wù)功能，可完成學期課程發(fā)布以及學生考核作業(yè)的收發(fā)、評判和統(tǒng)計等操作。中心以水產(chǎn)養(yǎng)殖學、海洋漁業(yè)科學與技術(shù)等特色學科專業(yè)課程為依托，完成了魚類數(shù)字標本庫、基礎(chǔ)實驗課程和實踐實訓等系列虛擬仿真實驗的初步構(gòu)建，目前已完成虛擬仿真實驗項目14個，其中國家級建設(shè)項目1個、上海市級建設(shè)項目3個、校級建設(shè)項目10個（見表1）。

傳統(tǒng)實踐教學過程中演示不足、細節(jié)體現(xiàn)不到位，以及學生學習觀察視度受限制等問題經(jīng)常發(fā)生，虛擬實驗則可通過仿真技術(shù)將基礎(chǔ)課程實驗原理、實驗步驟、操作實現(xiàn)等多維度可視化地呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)全過程的知識內(nèi)容要點和操作的技術(shù)難點具體化、細節(jié)化，使一些細微結(jié)構(gòu)變得清晰可辨，從而加深學生的認知和理解，人機交互式的動畫演示更能強化關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)控制等過程的操練，精細地還原現(xiàn)實實驗過程、逼真的實驗場地及環(huán)境渲染，能在實驗操作中給用戶帶來較強的沉浸式體驗。

以魚類綜合認知項目為例，通過3D仿真技術(shù)制作了條紋斑竹鯊、刀鱭等22種海淡水魚類數(shù)字標本模型，對魚類外部形態(tài)及特征結(jié)構(gòu)進行詳細描繪和展示。魚類標本是魚類學實驗教學中不可或缺的教具資源，更是我國魚類分類、資源保護和管理的重要依據(jù)。尤其一些珍貴和稀有種類具有十分寶貴的科學研究價值，有的種類標本已保存數(shù)十年甚至上百年之久，日常教學的頻繁使用會造成巨大損失。而建立種類豐富且逼真的數(shù)字標本可以替代真實標本，在保障正常教學活動的同時也減少了館藏標本的使用損耗，一定程度上保護了自然生物資源。

2.顯微互動實驗室

中心所有專業(yè)教學實驗室均配備多媒體教學設(shè)備，另建有2間顯微互動實驗室，并于2019年完成系統(tǒng)升級，單間實驗室可最多同時容納48人開展實驗。實驗室早先的系統(tǒng)為有線圖像傳輸和語音互動系統(tǒng)，每臺顯微鏡都必須通過寬帶和交換機進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，且受空間限制等因素影響，只有教師配有顯示設(shè)備，能通過電腦客戶端顯示和處理鏡下圖像，學生不能完成圖像捕捉，提交作業(yè)時只能通過一邊目鏡觀察一邊手繪的方式將圖像畫出來，往往需要花費很長時間才能完成;系統(tǒng)連接線路繁冗復(fù)雜，且語音設(shè)備由于使用中受到頻繁牽拉而極易損耗，需要不斷更換。后來系統(tǒng)升級為現(xiàn)代化無線顯微互動系統(tǒng)（見圖1），使用NOMIS Basic Class（教師端）和TouchScope（學生端）進行WIFI無線傳輸，最多可以承載60臺顯微鏡和移動終端同時在線進行課堂交互。學生可以在電腦、手機和其他手持智能終端設(shè)備通過TouchScope軟件同步顯微鏡下圖像，完成實時圖像編輯、位置標定、數(shù)據(jù)測量等操作，還可利用終端實現(xiàn)一鍵截屏、拍照、錄屏的功能，可在線與教師或同學進行互動交流，分享捕獲的圖片并查收和提交作業(yè)。教師除具有學生端的圖像編輯功能外，還可以實時在線監(jiān)控學生端畫面，收發(fā)作業(yè)，批閱實驗報告，發(fā)送圖文課件進行授課和講解等操作。顯微互動實驗室在系統(tǒng)升級后才真正意義上實現(xiàn)了現(xiàn)代化互動教學?？傮w而言，顯微互動實驗室具有以下功能優(yōu)點：①硬件簡潔?？墒∪ヅ涮纂娔X和語音系統(tǒng)以及大型數(shù)據(jù)傳輸承載硬件（交換機等）。②功能齊全。集顯像、測量、拍攝、授課、評估等教學活動于一體，功能多互動性強。③使用便捷。兼容多終端、多系統(tǒng)，指令清晰、操作便捷，數(shù)據(jù)傳輸快性能穩(wěn)定。④信息安全。專用網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)信息安全，能有效抵御外界病毒信息攻擊。

3.顯微鏡室智能存取系統(tǒng)

顯微鏡室智能存取系統(tǒng)運用計算機軟件、智能卡、智能物聯(lián)網(wǎng)、ARM微處理、IP技術(shù)及視頻監(jiān)控等技術(shù)，實現(xiàn)顯微鏡室學生學習、培訓、考核及顯微鏡自主借還全過程的智能化便捷管理，提高管理人員工作效率和對外服務(wù)水平，加強實驗室管理人員對顯微鏡等設(shè)備的巡查、維修維護及實驗室安全的宏觀控制。該系統(tǒng)以高效率的業(yè)務(wù)管理、高可靠的資源利用服務(wù)為宗旨，進一步滿足學生、教師和實驗室管理隊伍的需求，實現(xiàn)實驗室及顯微鏡等設(shè)備在存取、資源管理和服務(wù)等方面的全過程管理目標，顯微鏡“借用—歸還”流程如圖2所示。

（1）設(shè)立有效準入機制

在系統(tǒng)預(yù)約管理平臺用戶界面中設(shè)有學習與考核模塊，所有用戶（學生和教師）必須完成學習并通過考核才能獲取顯微鏡的預(yù)約使用資格。以往教學過程中，教師在課堂上需要花費較長時間先講解顯微鏡的正確使用方法，才能進行后續(xù)的實驗操作，講解過程難以做到面面俱到，且一定程度上影響課程進度和教學質(zhì)量。平臺通過圖文資料、視頻課件和虛擬仿真演示等內(nèi)容對用戶進行業(yè)務(wù)培訓，使其熟悉實驗室及系統(tǒng)服務(wù)管理制度并掌握顯微鏡使用、維護過程中各功能操作細節(jié)要領(lǐng)。每學期開課前組織集中考核，用戶也可隨時登錄平臺進行學習和考核。學習加考核的形式能大幅提升用戶實踐能力，規(guī)范的操作和管理能有效減少儀器使用中的損耗。

（2）用戶數(shù)據(jù)智能對接

該系統(tǒng)與學校教務(wù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)智能對接，可同步學生信息數(shù)據(jù)集，除姓名、學號、聯(lián)系方式等基本信息實時更新外，可同時導入學生課表信息，數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)解析處理后能自動判別學生需要使用顯微鏡的實驗課程及具體上課時間段，該課程時間段內(nèi)學生無需預(yù)約便可刷校園卡借取顯微鏡，待課程結(jié)束后按時歸還即可。非實驗課時間段，獲得使用資格的學生可通過預(yù)約管理平臺實現(xiàn)自主預(yù)約、智能派發(fā)，線下完成刷卡借還。智能處理能緩解實驗室專職管理隊伍的工作負荷，讓工作更加合理有序。

（3）精確的數(shù)據(jù)反饋

系統(tǒng)具有儀器設(shè)備“借出—歸還”過程化管理及用戶反饋體系，做到相關(guān)業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)自動處理，無需人工在登記簿填寫就能完成各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)記錄，可進行實時巡查和統(tǒng)計分析，生成實驗室日常管理維護所需數(shù)據(jù)報表，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)管理的可追溯性和便捷性。用戶借用顯微鏡時，系統(tǒng)根據(jù)各箱柜儀器的實時狀態(tài)及使用頻次，在保證設(shè)備能正常使用的情況下實現(xiàn)均衡式智能派發(fā)，避免某些設(shè)備過度使用而其他設(shè)備無人使用的情況發(fā)生，以此保障整體設(shè)備運行中的穩(wěn)定性和可靠性。

（4）可靠的安保體系

實驗室使用專用門禁、監(jiān)控和電控設(shè)施共同構(gòu)建實驗室、儀器設(shè)備及使用人員安全的保障體系，建立了遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管和現(xiàn)場實時監(jiān)督的協(xié)同管控機制，幫助實現(xiàn)中心各級安全管理制度的有效執(zhí)行。

4.創(chuàng)新開放實驗平臺

創(chuàng)新開放實驗平臺由儀器共享和水族創(chuàng)新兩部分組成，分設(shè)六間實驗室，總面積為180m2，平臺擁有大小型通用儀器設(shè)備50余臺，微循環(huán)養(yǎng)殖和繁殖系統(tǒng)60余套。實驗室內(nèi)均設(shè)有視屏監(jiān)控、遠程管理和門禁設(shè)備，管理員可通過網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)實現(xiàn)門禁和儀器設(shè)備一對一的監(jiān)查與控制，其管理平臺系統(tǒng)模塊構(gòu)成如圖3所示。創(chuàng)新開放實驗室承擔計劃內(nèi)教學（上課時間段）和計劃外教學（開放時間段）兩項任務(wù)，全面整合、開放實驗教學資源，提供開放式教學服務(wù)。

實驗室以24小時最大程度化的預(yù)約開放，實現(xiàn)教學資源充分共享，用戶可進行實驗室及儀器自由預(yù)約、智能派位、自主實驗，充分發(fā)揮學生的主動性，激發(fā)學習熱情。創(chuàng)新開放實驗室作為學院科研實驗室和大型儀器共享平臺的重要補充部分，能夠滿足水產(chǎn)學科本科生科學研究和創(chuàng)新實踐的基本需求，為廣大學生科研實踐工作提供有利場所。2019年9月1日至2020年9月1日期間，該開放平臺課外預(yù)約使用總次數(shù)為1141人次，預(yù)約使用總時長累計超1.7萬小時。（見圖4）實驗室開放程度越大，其匹配的管理服務(wù)水平要求也越高，創(chuàng)新開放實驗平臺運行中，中心嚴格按照學校實驗室安全管理章程等實驗室安全規(guī)范，做好實驗室安全管理和運行工作。學生需要通過平臺預(yù)習管理系統(tǒng)中的實驗室安全知識培訓與考核后才能預(yù)約使用，以此鞏固和完善實驗室準入機制，提升學校實驗室安全教學管理水平和師生人員安全素質(zhì)，為創(chuàng)新開放實驗平臺的安全運行提供堅實的保障。

三、信息化建設(shè)效果評價

經(jīng)過積極探索和嘗試，中心在實驗教學信息化建設(shè)與實踐中取得了良好的成效，能夠通過信息化手段解決傳統(tǒng)教學中的現(xiàn)實問題，切實提高教學質(zhì)量，促進產(chǎn)學研用的有機融合，推動高質(zhì)量優(yōu)質(zhì)化教學的公平性發(fā)展，進一步完善了信息化教學管理機制。

1.教育信息化建設(shè)能夠幫助解決教學中的現(xiàn)實需求問題

虛擬仿真實驗平臺作為生產(chǎn)實習和實踐教學的重要補充部分，在學生對理論知識的鞏固和實踐能力的提升過程中起著至關(guān)重要的作用。水產(chǎn)學科的專業(yè)課程及生產(chǎn)實習內(nèi)容主要涉及水生生物繁育養(yǎng)殖過程，有的周期長達數(shù)月之久，仿真實驗則可以大大縮短養(yǎng)殖生產(chǎn)周期，并且突破地域和季節(jié)限制，節(jié)約時間和管理成本。中心“淞航號駕駛”和“魷魚燈光誘釣”等項目充分體現(xiàn)了虛擬實驗風險性低、安全性高、效率高的優(yōu)勢，為海洋漁業(yè)科學與技術(shù)學生提供了良好的教學、培訓和訓練平臺，讓更多學生有機會熟悉和學習漁船設(shè)備結(jié)構(gòu)、駕駛操作、游釣漁業(yè)管理等海上生產(chǎn)實踐活動的作業(yè)方法，而不受時間、氣候和航線等因素的限制。實驗教學管理過程中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等信息技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)數(shù)字化、標準化、規(guī)范化的智能管理，大大減少管理中的人工干預(yù)過程，從而提高運行管理效率和教學質(zhì)量，得到學校師生的廣泛認可。

2.教育信息化建設(shè)推動完善信息化教學管理機制

中心信息化建設(shè)過程給我們帶來許多思考，在實踐過程中不斷完善信息化教學管理機制。信息化的便捷性在于降低了人工干預(yù)，為學生提供了更加開放自主的學習平臺，這就需要建立與其相適應(yīng)的管理體系，保障實驗教學中心正常安全地運行。中心建立了以傳統(tǒng)線下管理為基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)管理與其互為補充的雙線協(xié)同管理機制。網(wǎng)絡(luò)管理分為實驗預(yù)習和Web管理兩大模塊。不論是開放實驗室還是虛擬實驗平臺，都必須建立準入機制，學生只有在線完成實驗操作和儀器使用學習等實驗預(yù)習，并通過實驗室安全管理知識測試后才能進入實驗室開展實驗，這是保障實驗操作安全順利完成最基本的必要措施。網(wǎng)絡(luò)管理則設(shè)在管理員權(quán)限之下，能夠通過網(wǎng)絡(luò)終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)維護、門禁開關(guān)、儀器控制、視頻監(jiān)控、電子警報、信息安全等功能管理。（見圖5）

3.教育信息化建設(shè)促進產(chǎn)學研用有機融合

理論學習是實踐的基礎(chǔ)，實習實訓則是理論實踐的契機，學習的最終目的是解決實際生產(chǎn)問題，通過理論與實踐的結(jié)合發(fā)現(xiàn)問題、分析問題進而解決問題。如河蟹池塘生態(tài)育苗項目，以河蟹規(guī)?；B(yǎng)殖的現(xiàn)實案例為藍本，通過虛擬環(huán)境還原養(yǎng)殖場現(xiàn)實場景，讓學生在了解河蟹生物學習性的基礎(chǔ)上，學習掌握河蟹苗種選育、池塘規(guī)劃管理和疾病防控等技術(shù)，培養(yǎng)學生從事河蟹生態(tài)養(yǎng)殖的科學研究能力。中心每年組織學生志愿者參與“河蟹大賽”并與相關(guān)企業(yè)加強合作，提供學生參與實踐的機會，建立學校、企業(yè)多方培養(yǎng)的模式，切實提升學生學習實踐能力，培養(yǎng)其“知農(nóng)、懂農(nóng)、愛農(nóng)”的意識和情懷，為將來投身于水產(chǎn)行業(yè)發(fā)展奠定專業(yè)基礎(chǔ)。

4.教育信息化建設(shè)加快優(yōu)質(zhì)教育公平發(fā)展

隨著信息技術(shù)與教學的深度融合，教學信息化對高等教育已產(chǎn)生深遠的影響，有線終端移動設(shè)備讓大學生更好地利用網(wǎng)絡(luò)通訊進行開放式學習，網(wǎng)絡(luò)課程、虛擬仿真實驗教學等現(xiàn)代化教學產(chǎn)物不斷革新，在教學理念從“以教為中心”向“以學為中心”轉(zhuǎn)變的背景下，以學生為中心的能力培養(yǎng)是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的重要方面，智能化、開放型、多樣性的智慧教學環(huán)境為新時代人才培養(yǎng)提供了豐富的數(shù)字化資源和條件。中心通過虛擬仿真實驗平臺、顯微互動實驗室、顯微鏡室智能存取系統(tǒng)、創(chuàng)新開放實驗平臺等一系列信息化項目的建設(shè)，打造優(yōu)質(zhì)化教育資源和共享平臺，讓學生擁有更加自主的學習環(huán)境接受更為公平的教育。

5.教育信息化建設(shè)提高中心管理隊伍信息化技術(shù)水平

在基礎(chǔ)教育設(shè)施信息化得以保障的情況下，提升中心管理人員信息化教學能力。通過FD培訓、參加校內(nèi)外相關(guān)教學會議、聘請網(wǎng)絡(luò)科技有限公司介紹信息化教學項目、與其他院校實驗教學示范中心的研討，以及網(wǎng)絡(luò)培訓等多種渠道和方式促進多方學習交流，中心管理隊伍信息化技術(shù)水平得到了大幅提升。

四、結(jié)語

教育信息化是改革教育理念和模式的深刻革命，是促進教育公平、提高教學質(zhì)量的有效手段，是建設(shè)學習型社會的必由之路。[10]信息化教育助推教育教學質(zhì)量提升實現(xiàn)變軌超車，助力高等教育強國建設(shè)實現(xiàn)教育現(xiàn)代化。教育信息化改革是當前及今后一段時間我國教育教學改革的持續(xù)熱點，在實施教育現(xiàn)代化建設(shè)中要加強校企合作，明確分工，注重和完善教育信息化標準體系建設(shè)，積極構(gòu)建優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和共建共享環(huán)境，提供統(tǒng)一的操作規(guī)范，推進各院校間的無屏障交流，持續(xù)提升信息化教育的輻射范圍，打破教育信息化發(fā)展不平衡不充分的數(shù)字鴻溝，真正實現(xiàn)人人可享有優(yōu)質(zhì)教育資源的可持續(xù)發(fā)展局面。

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（編輯：王天鵬）