朱燕红, 史美萍, 谢海斌

(国防科学技术大学 机电工程与自动化学院，湖南 长沙 410073)

0 引 言

近年来，国内外许多高校纷纷立项建设实验教学实践基地，为高等学校进行科技创新活动提供了良好的实践环境[1-3]。然而，这些颇具规模的实践环境却呈现出物质规模大于内涵质量的不良现象，研究生实践环境因其对开放性、自主性的要求，在这方面的问题更显突出[4]，实际运行效率低，造成了一定的教学资源浪费。

教育部于2005年开始实施实验教学示范中心建设工程，并指出通过信息化建设来达到优质资源共享的目的[5]。我校在 “十一五”期间构建了 “控制科学与工程研究生综合实验中心”，目前已建成现代控制技术、智能系统技术和制导控制技术3个实验室和1个机器人技术创新基地。本中心秉承“素质教育和创新教育”的现代教育理念，努力探索应用型创新人才培养新模式[6]，以“服务优先、质量至上”为宗旨，在已有的物质基础上着眼于软环境的建设与实践，构建了一个数字化教学服务体系。

本文拟从开放模式、教学环境和教学资料等几个方面分析现有研究生实验室存在的一些具体问题，并以国防科大“控制科学与工程研究生综合实验中心”为例，介绍针对这些问题的数字化建设实践成效。

1 控制学科研究生实验教学存在的问题

目前，根据研究生培养特点[7]，研究生实验教学面临的问题主要表现在以下几个方面：

(1) 从管理模式而言。如何把研究生实验室开放式教学管理落到实处。统一课堂授课模式已经不能适应“素质教育和创新教育”的现代化教育理念要求。为了更好地实现资源共享，提高设备的利用率，必须实现实验室的开放式教学管理，打破时间、空间、内容和专业限制堡垒。而传统的基于纸笔、单机和教员职守的方式显然难于实现真正的开放。需要有一个服务于开放式管理的平台来保障其安全有效的运行[8]。

(2) 从教学实施保障条件而言。如何保障管理复杂软硬件环境使实验室高效稳定运行。控制类实验室的硬件一般都是计算机和典型控制对象的结合，每一台计算机都要内插/外接各种硬件板卡/设备，并安装各种复杂的软件系统和工具语言等，为了保证实践教学的高效运行，这些系统在开放状态下需要时刻保持正常，一旦出现问题则面临着繁重的故障排查工作，严重情况下可能需要整个系统重装，而传统的装机和维护方法，以及传统的设备管理模式无疑是一个十分费时费力的过程，不利于提高教学资源的利用率[9]。尤其是随着高等教育招生规模的不断增大，要求高校实验中心相应的扩大实验室规模，增加设备种类和台套数，资料膨胀导致设备管理的问题将愈加突出。

(3) 从教学资料而言。如何充分有效地利用积累的教学资源。经过多年的建设，实验室拥有丰富的教学资料，如教学视频、电子课堂资料、经典范例程序、历年学生实验数据、项目案例库、仿真模型等，这些资源都在不断地开发更新中，加以总结并充分利用可以促进教学整体水平不断提高，如何使学生和上课教员很方便地调阅这些资源进行备课和学习，将是展现实验中心服务水平和管理水平的重要窗口和平台。

2 网络化开放平台服务于教学管理模式

实验室开放管理通常包含实验预约、资格审查、进入实验场地、实验过程、数据归档、事故追查等方面。随着高校数字化校园建设的日益完善，充分利用校园信息化、网络化资源是实现开放式实验室管理的一种有效手段[10-11]。我校控制学科研究生综合实验中心经过多年的建设与实践，目前已构建了一个基于校园网的数字化资源一体化服务平台。该平台将实验中心门户网站、自主实验预约系统、门禁管理系统、全程视频实时监控系统、教学资源共享系统、仪器设备管理系统、实验效果检验评估系统、实验事故的有效追查制度、实验成果的及时归档制度等进行集成管理，信息共享[12]。

门户网站实现了实验中心基本信息公示和动态新闻发布，以及课表查询、学生实验预约、资格审核、个人预约查询、在线论坛等功能。结合网上实验预约和实验过程监控等手段，教师和学生可以通过服务平台了解实验中心场地、资源现状，管理人员也可以对实验中心资源进行更好的调度和管理，学生可以与管理员和老师远程互动，掌握最新的课程信息，进行自主实验预约。

另外，控制学科研究生实验中心区别于纯计算机实验室，存在设备种类复杂，操作要求规范等问题，因此很难实现真正意义上的全开放。针对这一问题，通过在网站上发布研究生助教助管岗位招聘，来辅助实现这种复杂条件下的实验室开放。在网站上提供全程培训电子教程，对助教助管岗位学员进行前期培训，辅导学生以保障实验室安全运行并且提高学生自主实验效率。对助教助管岗位给予相应的实践学分，并通过网站公示的办法对优秀学员进行表彰和实际奖励。

实现实验中心开放式管理的传统方式和数字化方式对比如表1所示。

表1 实验中心开放式管理方式对比

3 数字化教学环境优化实验教学实施条件

教学活动实施主要分为实验准备、教学实施和实验数据传输存储3个过程，实验中心着眼这3个实施过程以及设备的管理进行数字化教学环境建设[13]。

3.1 教学准备过程数字化建设

实验前准备包括实验环境准备和实验过程准备两部分。其中，实验环境准备主要是指为实验开设提供必需的软硬件环境，包括配备有多媒体设备和内部局域网的专门实验室，装有实验所需应用软件的计算机，实验专用设备及耗材，可供实验资料下载、实验数据上传和实验过程监控的网络服务器等。实验过程准备主要是指在实验开设前加强实验相关理论知识与实验常见问题的整理与积累，做好实验课件，设计好实验报告形式等。经过多年的积累，目前实验中心已建立了实验环境常见故障数据库和相关实验内容关键测试点DEMO库，并形成了一套规范的教学准备体系。首先是实验环境准备，具体过程为：开机检查软硬件是否正常，如有问题则参考常见故障数据库进行局部故障排查；如遇到新的故障并成功解决，则将其归档以充实故障数据库；遇到不能局部排除的则启用硬件还原卡或ghost备份还原系统进行应急恢复，确保实验环境正常运行；其次是进行实验内容准备。实验中心根据多年的运行经验组织相关课程的老师建立了实验内容测试库，测试库里有根据经验总结的针对每门课程设计的关键测试点，调通这些关键测试点就能验证实验系统的正常完好，与测试点相对的是课前设计好的demo，直接调用相应的demo或搭配简单的线路连接就能方便地进行测试点实验。规范的教学准备体系流程如图1所示。

3.2 多媒体教学过程数字化建设

多媒体教学过程的数字化主要包括构建内部局域网和多媒体教学视频库，安装基于局域网的电子教室以辅助多媒体教学，提高实验课堂教学质量。

教学过程中，学员各就其位，教员通过教师机发布指令，可以完成对所有或指定学生机的系列操作，实现屏幕广播、学生端屏幕监控、遥控管理操作、收发作业、群组在线讨论等丰富的网络教学功能。使得空间较大，人数较多且不能集中的实验教学变得轻松简单。

结合录屏软件和DV等其他音像设备，形成规范的多媒体教学视频库，随时随地的复现课堂，成为教员备课和学员学习的重要参考资料。

3.3 基于服务器的数据传输存储体系建设

为了方便实验过程的数据传输和存储，实验中心建设了基于专用服务器的数据传输存储系统，通过局域网与实验室其他工作电脑相连，在局域网上安装文件传输软件来实现数据的存储、传输和下载，文件通过构建客户机/服务器系统进行传输，保证了数据传输和存储的安全性，轻松实现实验数据的热备份。

教员在上课过程中能在文件传输软件上共享课程大纲、实验大纲、实验指导书、多媒体课件、作业模板等相关资料；实验中心管理人员上传实验需要的设备说明书、操作手册、实验要求等，并及时维护和整理学生上传的实验数据，保证实验数据库的及时动态更新；学员可以及时地获取课程实验或自主实验所需要的相关参考资料，并且上传每次实验的数据。

3.4 设备管理数字化

实验中心基于Web开发了专门的实验中心仪器设备管理系统，挂靠在实验中心的门户网站，对实验室设备进行系统化、规范化、信息化的管理[14]。仪器设备管理系统主要内容包括实验设备的入库出库、实验设备的日常维护与及时报修机制、设备损坏时的责任追查等。将实验设备名称、型号规格、配件、单价、生产厂家、性能技术指标、设备说明书、操作手册、所属实验室、存放地点、环境要求、购置日期、维修情况、使用状况、预约情况等各种参数输入系统进行动态管理，并与自主预约实验系统联动，实验中心管理人员通过仪器设备管理系统并结合视频监控系统，随时掌握所有仪器设备状态，进行实时跟踪，定时测试、维护、保养。学员可以在线了解仪器设备的相关参数，根据实验仪器设备状态来预约实验，极大提高实验预约效率和仪器设备利用效率。在管理系统中提供了各种设备的说明书和操作手册，还提供了相关的软件可供免费下载。

同时，把安全操作手册作为设备管理系统中的一个重要部分，学生所预约的实验如需使用到大型或精密设备，在选定实验后网站后台自动弹出设备管理系统中相对应的安全操作规则，学生必须通读完并确定后才能成功预约当前实验。营造安全文化氛围提高安全操作意识，从而减少因误操作而引发的设备损耗，提高安全素质，杜绝安全事故的发生[15]。

4 动态数字教科书建设促进教学资料的有效利用

实验中心依托现有实验环境和实验设备，结合学科专业特色建立了规范数据库。已建成的包括：标准实验数据库、实验案例库和仿真系统库。

标准实验数据库是指结合学科专业特色事先采集相关数据建立起来的一些可以直接被调用的标准数据资源，既可用于课程实践教学又可用于科学研究，有效的简化实验教学和科学研究的前期准备工作，提高工作效率。目前标准试验数据库以模式识别系列课程为切入点，具体构建了路标识别数据库、道路识别数据库、行人检测数据库等。实验案例库是在实验室运行过程中搜集和整理的一些典型实例，包括配套的软件程序、简单硬件设备和相应的说明文档。目前库内有模拟电梯控制系统、杆球平衡系统、云台控制系统等，为教学和科研工作提供参考，也可以从应用层面上有针对性的帮助新学者快速上手。仿真系统库是为了提高教学质量专门针对课程内容把学习结合各种典型案例建成实例仿真系统软件，如“警察抓小偷”，“空中战斗对峙”等，在机房里安装运行仿真软件便可以轻松实现情景模拟。这种结合具体情景的授课模式使得学习知识点不再是单纯地为了完成实验要求，更重要地是明确所学的知识点在未来的工作中是如何应用的，有助于学员准确理解知识并提高学员的学习兴趣。

通过不断地开发新的教学资源，并融合各方面的信息，实验室教学资源管理系统可以不断地得到完善。结合实验中心网站、实验室管理系统可以满足教师和学生实现检索、浏览、下载、视频点播、在线交流、资源共享等功能，方便在线学习的同时，也方便实验管理人员做好科学统一调配管理，形成了一部动态的、带视听的、不断更新的立体化实验教学教科书，有效地提升了任课教员的备课效率和学生自学的积极性。

5 结 语

国防科技大学控制科学与工程研究生综合实验中心通过构建数字化教学服务体系，切实提高了实验中心的运行效率，从真正意义上实现了开放式教学管理模式，向需要利用实验室资源的人开放，在想要进行科研探索的时间开放，以实验项目需要的最佳形式开放，有利于调动学生学习的积极性和挖掘学习潜能，促进学生的个性化发展，使得实验教学和管理上水平、出效益。目前，实验中心已开设12个教学实验单元和8个综合实践项目，同时还可为控制学科相关方向的创新实践活动提供了专门的平台，课外指导的学生在各种竞赛中先后获得国家级一等奖12项、二等奖3项、三等奖1项、新型发明专利1项及省级奖励多项。

实践证明，加强实验室软环境建设是教学改革中的重要举措[16]，如何将现代化手段不断完善应用，促进投入资源的节约和高效利用，实现高校实验室可持续发展，同时保证其安全性、稳定性是实验室建设过程中必须注意的，也是下一阶段的工作重点。

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