機電液一體化實驗教學(xué)示范中心信息化建設(shè)的探索與實踐

　　機電液一體化實驗教學(xué)示范中心信息化建設(shè)的探索與實踐
　　
　　吳立軍 劉鑫剛 景常海 沈艷芝 袁林
　　
　�。ㄑ嗌酱髮W(xué)機械工程學(xué)院，河北秦皇島066004）
　　
　　[摘要] 在調(diào)研和分析國內(nèi)各大高校實驗教學(xué)示范中心信息化建設(shè)情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息化建設(shè)評價指標及燕山大學(xué)的客觀條件，進行了燕山大學(xué)機電液一體化國家級實驗教學(xué)示范中心信息化建設(shè)的探索和實踐。分別從實驗管理信息化、實驗資源信息化、實驗手段信息化三個方面闡述了中心信息化建設(shè)的具體內(nèi)容和應(yīng)用效果，并探討了更深層次的建設(shè)規(guī)劃。
　　
　　[關(guān)鍵詞] 實驗教學(xué)；示范中心；信息化建設(shè)；機電液一體化
　　
　　[中圖分類號]G642.423
　　
　　[文獻標識碼] A
　　
　　[文章編號] 1005-4634 （2013） 01-0047-05
　　
　　引言
　　
　　國家教育部于2005年5月啟動了高等學(xué)校實驗教學(xué)示范中心建設(shè)和評審工作，旨在推動高等學(xué)校加快實驗教學(xué)改革，加強實驗室建設(shè)，培養(yǎng)大學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，提高高等教育質(zhì)量，更好地滿足我國經(jīng)濟社會發(fā)展和建設(shè)創(chuàng)新型國家的需要。經(jīng)過6年的建設(shè)，現(xiàn)已有國家級實驗教學(xué)示范中心500余個，涵蓋物理、化學(xué)、生物、力學(xué)、機械、電子、計算機、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟管理、傳媒和綜合性工程訓(xùn)練中心等19個學(xué)科類別。燕山大學(xué)機電液一體化實驗教學(xué)示范中心（以下簡稱實驗中心）于2008年通過教育部評審，批準為國家級實驗教學(xué)示范中心機械類建設(shè)單位。
　　
　　隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，并受教育部大力建設(shè)實驗教學(xué)示范中心且將信息化手段的應(yīng)用作為其評定的重要指標等多方面影響，各高校在實驗教學(xué)中競相引入各類信息化手段。目前，國家級實驗教學(xué)示范中心信息化建設(shè)的評價指標主要包含三方面的內(nèi)容：建成網(wǎng)絡(luò)化實驗教學(xué)和實驗室管理信息平臺；具有豐富的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)資源；實現(xiàn)網(wǎng)上輔助教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理。上述三個方面的建設(shè)內(nèi)容可以概括為實驗管理、實驗資源和實驗手段（方法）三個方面的信息化實現(xiàn)。
　　
　　在充分調(diào)研和分析了國內(nèi)各大高校國家級實驗教學(xué)示范中心信息化建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，實驗中心從實驗管理、實驗資源和實驗手段三個方面逐步開展信息化建設(shè)工作。同時，充分考慮了燕山大學(xué)目前的實驗教學(xué)軟硬件設(shè)施、實驗學(xué)時分配、指導(dǎo)教師層次以及校園網(wǎng)平臺配置等多方面客觀因素，探索出了一條適合學(xué)校校情的具體建設(shè)路線。
　　
　　經(jīng)過近5年的發(fā)展，實驗中心目前的信息化建設(shè)工作已經(jīng)取得了顯著的成果，基本實現(xiàn)了實驗管理、實驗資源和實驗手段的信息化，初步構(gòu)建了三個方面相互滲透、互為補充、相輔相成的集成化信息平臺，該平臺在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。
　　
　　1 國內(nèi)實驗示范中心信息化建設(shè)現(xiàn)狀
　　
　　國家級實驗教學(xué)示范中心項目的實施，帶動了國內(nèi)各高校積極開展實驗教學(xué)改革，加大對實驗教學(xué)的投入和建設(shè)力度。信息化建設(shè)作為中心建設(shè)的評價指標之一，同時也是一種推動實驗教學(xué)體系和管理模式改革創(chuàng)新的有效途徑，受到了各高校的普遍重視�，F(xiàn)對國內(nèi)各高校實驗教學(xué)示范中心的信息化建設(shè)作簡單介紹。
　　
　　在實驗管理方面，部分實力雄厚的重點高校發(fā)揮自身優(yōu)勢，開發(fā)了集成多種功能的實驗教學(xué)綜合管理系統(tǒng)。清華大學(xué)開發(fā)了一套全校范圍的集實驗教學(xué)管理、網(wǎng)上預(yù)約、實驗教學(xué)教務(wù)管理為一體的實驗課選課系統(tǒng)；四川大學(xué)開發(fā)的實驗室與實踐教學(xué)綜合管理系統(tǒng)是一套基于全校的實驗教學(xué)選課系統(tǒng)，可以將全校的實踐類課程統(tǒng)一管理，在多年的實踐中該系統(tǒng)已經(jīng)推廣到國內(nèi)多所高校。
　　
　　在實驗資源方面，開放式的學(xué)習(xí)資源庫是各大高校的重點建設(shè)內(nèi)容，包括實驗方法的介紹、實驗儀器的使用說明、實驗過程的圖文及視頻展示、相關(guān)知識的拓展講解等。上海交通大學(xué)國家級物理實驗教學(xué)中心從2004年開發(fā)了一套基于XML的開放式學(xué)習(xí)系統(tǒng)，包括了近200項物理實驗，實驗項目的開放為學(xué)生預(yù)習(xí)及課外學(xué)習(xí)提供了便利Ⅲ。
　　
　　在實驗手段方面，實驗輔助系統(tǒng)、虛擬實驗系統(tǒng)、遠程實驗等先進的信息化產(chǎn)品也在國內(nèi)高校中得到了應(yīng)用。教學(xué)輔助平臺有卓越提供的課程中心、賽爾網(wǎng)絡(luò)提供的BlackBoard等；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系研發(fā)的“大學(xué)物理虛擬實驗”在國內(nèi)高校得到廣泛的應(yīng)用；華南師范大學(xué)、大連理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校都先后開設(shè)了遠程實驗Ⅲ。
　　
　　2實驗中心信息化建設(shè)
　　
　　2.1 網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)平臺搭建
　　
　　燕山大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和基礎(chǔ)服務(wù)體系為實驗中心的網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)平臺搭建提供了必要的基礎(chǔ)和條件。硬件方面，學(xué)校建設(shè)了高速光纖傳輸網(wǎng)，建立了由核心層、匯聚層和接入層所組成的三層架構(gòu)的大型校園網(wǎng)絡(luò)，校園網(wǎng)絡(luò)主干帶寬萬兆�；�礎(chǔ)服務(wù)軟件方面，校園網(wǎng)提供包括郵件服務(wù)、域名服務(wù)、目錄服務(wù)和透明IP服務(wù)、WWW服務(wù)等基礎(chǔ)服務(wù)功能，同時逐步健全了防火墻、行為管理和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、病毒查殺多層面的網(wǎng)絡(luò)安全防范體系。
　　
　　在此基礎(chǔ)之上，實驗中心購置多臺高配置品牌服務(wù)器，以門戶網(wǎng)站建設(shè)為切入點，逐步進行信息化建設(shè)的各項工作。服務(wù)器是各網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行載體，門戶網(wǎng)站則是各系統(tǒng)的入口和宣傳窗口，兩者共同構(gòu)成了實驗中心網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)平臺。
　　
　　實驗中心的門戶網(wǎng)站（http: //mec. ysu. edu.cn/mehlab/）基于NET平臺，使用ASP. NET和C#語言來開發(fā)，并結(jié)合HTML、CSS、Java Script等技術(shù)實現(xiàn)。WEB服務(wù)器采用微軟IIS6.0，數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2005。網(wǎng)站經(jīng)過不斷完善和改進，目前已經(jīng)建立起由中心概況、新聞通知、教學(xué)隊伍、管理運行、實驗教學(xué)、實驗資源、成果榮譽、信息平臺、實踐創(chuàng)新等欄目組成的宣傳性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
　　
　　實驗中心的管理系統(tǒng)、實驗資源系統(tǒng)以及實驗輔助系統(tǒng)等功能模塊均是由門戶網(wǎng)站拓展出來的，圖1為實驗中心信息化平臺示意圖。實驗中心門戶網(wǎng)站通過設(shè)置登錄界面或者超級鏈接的方式將各個系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)實時共享。
　　
　　2.2實驗教學(xué)綜合管理系統(tǒng)
　　
　　在實際的教學(xué)過程中，由于實驗班級數(shù)、學(xué)生人數(shù)多，并呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，實驗指導(dǎo)教師除保證教學(xué)一線的正常教學(xué)外，還要耗費相當(dāng)大的精力進行實驗課程安排、時間地點調(diào)整、班級實驗變更等諸多業(yè)務(wù)性的工作上。因此，迫切需要運用現(xiàn)代化、科學(xué)化、規(guī)范化的管理手段來提高工作效率，使得實驗教師能全身心的投入到教學(xué)一線的工作中。
　　
　　實驗中心開發(fā)了一種基于WEB的實驗教學(xué)綜合管理系統(tǒng)，包括實驗課程（項目）管理、實驗預(yù)約等具體功能。系統(tǒng)采用B/S模式，開發(fā)語言和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)與門戶網(wǎng)站相同，這樣可以使兩者實現(xiàn)有機結(jié)合。下面就管理系統(tǒng)的關(guān)鍵功能模塊作簡要介紹。
　　
　　1）以實驗項目為核心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫建設(shè)是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)性工作，系統(tǒng)各個對象的關(guān)系如圖2所示，實驗項目是整個系統(tǒng)的核心，起著鏈接各個對象的作用。理論教學(xué)以專業(yè)劃分，不同專業(yè)的理論課在學(xué)時分配上有所區(qū)別，所進行的實驗項目和學(xué)時分配有直接關(guān)系，這樣就建立起了“學(xué)生一班級一專業(yè)一理論課程一實驗項目”的左側(cè)關(guān)系鏈。實驗中心目前分為幾個實驗組，建立起“實驗組一實驗教師一實驗項目”的右側(cè)關(guān)系鏈。
　　
　　2）以班級為單位的智能篩選實驗、預(yù)約實驗。通過數(shù)據(jù)庫的鏈接關(guān)系，系統(tǒng)可智能的為某個班級篩選出自己班級所需開設(shè)的實驗項目列表。列表可以展示每個實驗項目的學(xué)時、實驗地點、預(yù)約起始周及預(yù)約狀態(tài)等，這些都使得每個班級能夠直觀地查看本班級的實驗預(yù)約情況。
　　
　　本系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一在于其預(yù)約流程的“智能”性，流程示意圖如圖3所示。
　　
　　以圖2中的班級1-1為例，實驗預(yù)約需要經(jīng)過以下幾個主要流程：（1）“班級一項目”智能匹配。根據(jù)班級所屬專業(yè)獲取班級1-1所修的理論課程，由各門理論課獲取所需開設(shè)的實驗項目列表；（2）“項目一教師一實驗組”智能匹配。每個實驗項目分別由一位或多位教師負責(zé)指導(dǎo)，指導(dǎo)教師又組成不同的實驗小組；（3）“智能排除、選擇”模塊。該部分是本系統(tǒng)的核心模塊，將實現(xiàn)各項目預(yù)約時間節(jié)點的排除和選擇。本系統(tǒng)預(yù)約模塊以教學(xué)周為單元，以兩個標準課時為節(jié)點，節(jié)點的預(yù)約狀態(tài)決定班級是否可進行預(yù)約操作。圖4所示為某一個實驗項目在某一教學(xué)周（單元）內(nèi)的預(yù)約情況圖表。一周共有35個時間節(jié)點，各節(jié)點分別通過讀取數(shù)據(jù)庫記錄來判斷該節(jié)點的預(yù)約狀態(tài)。
　　
　　3）以實驗組為范圍的預(yù)約審批與管理。本系統(tǒng)提出了實驗組“容量”的概念，即某實驗組在同一個時間節(jié)點所允許預(yù)約的實驗項目的最大數(shù)量，這是為了解決某些實驗組的指導(dǎo)教師數(shù)量不足而設(shè)置的參數(shù)�；�于以上考慮，實驗預(yù)約記錄的審批和管理是在實驗組范圍內(nèi)進行的，實驗組管理員根據(jù)本組指導(dǎo)教師的具體情況進行實驗項目的編排、實驗組“容量”的設(shè)置、預(yù)約單的審批管理等。通過本系統(tǒng)的“智能排除、選擇模塊”添加的預(yù)約記錄，沒有任何客觀時間或?qū)嶒烅椖康臎_突，如果教師或班級沒有個別的主觀因素，實驗組管理員只需要點擊批準通過即可生成預(yù)約成功記錄，班級或?qū)W生可隨時查詢自己的預(yù)約記錄是否通過，從而根據(jù)預(yù)約記錄安排學(xué)習(xí)計劃；否則可退單并注明退單的原因。
　　
　　2.3 實驗資源系統(tǒng)
　　
　　實驗資源建設(shè)可以歸結(jié)為教學(xué)資源中的空間資源（物力資源）系統(tǒng)的開發(fā)，分為硬件資源和軟件資源兩部分。硬件資源以實驗室及實驗設(shè)備查詢系統(tǒng)為核心，提供實驗室信息查詢功能和儀器設(shè)備信息查詢功能。軟件資源以實驗項目庫為核心，提供實驗前預(yù)習(xí)和實驗后總結(jié)的可學(xué)習(xí)資源。
　　
　　實驗中心的實驗資源系統(tǒng)建立在門戶網(wǎng)站的平臺基礎(chǔ)之上，開發(fā)語言和數(shù)據(jù)庫與管理系統(tǒng)保持一致。其中，儀器設(shè)備數(shù)據(jù)庫已基本覆蓋實驗中心所有的實驗教學(xué)設(shè)備（儀器），主要字段包括設(shè)備編號、設(shè)備名稱、設(shè)備類型、儀器型號、用途簡介、主要技術(shù)指標等，查詢系統(tǒng)可以提供多參數(shù)的高級檢索功能。
　　
　　實驗資源系統(tǒng)的實驗項目庫建設(shè)是與管理系統(tǒng)同時進行的，實驗項目使得兩個系統(tǒng)銜接起來。管理系統(tǒng)側(cè)重于實驗項目的所屬和分類，通過實驗項目把不同的對象鏈接起來；而資源系統(tǒng)更側(cè)重于實驗項目的具體內(nèi)容，向?qū)W生提供與實驗相關(guān)的學(xué)習(xí)資源。目前，實驗中心的實驗項目庫覆蓋本科生開設(shè)的所有實驗，主要字段有實驗名稱、所屬理論課程、實驗?zāi)康摹�實驗基本描述、涉及主要儀器設(shè)備、實驗教材（指導(dǎo)書）、教學(xué)課件、特色資源鏈接等。其中，特色資源鏈接可以訪問與該實驗項目相關(guān)的精品課程資源、課外科技活動信息、教師科研項目信息等，使得學(xué)生除了學(xué)習(xí)了解實驗項目本身之外，還能夠拓展知識面，提高學(xué)生對實驗的認識水平和準備能力。
　　
　　2.4多媒體演示實驗系統(tǒng)
　　
　　我國傳統(tǒng)的演示實驗來源于實驗科普宣傳資料及櫥窗，隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，通過視頻采集設(shè)備對實驗過程進行記錄或制作Flash動畫的形式展示實驗過程成為現(xiàn)實。目前，視頻或動畫形式的演示實驗在國內(nèi)高校的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。
　　
　　實驗中心的多媒體演示實驗系統(tǒng)開發(fā)從基本素材的采集入手。選取典型實驗案例，一方面通過視頻采集和后期處理制作成WEB頁面可以瀏覽的視頻壓縮文件，另一方面將某些實驗細節(jié)（如機構(gòu)傳動、齒輪嚙合等內(nèi)容）制作成Flash動畫，更加生動逼真地展示實驗過程。圖5所示為齒輪常見的傳動方式動畫WEB頁面截圖。
　　
　　使用與管理系統(tǒng)、資源系統(tǒng)相同的開發(fā)技術(shù)可以將這些多媒體素材和數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)實驗項目聯(lián)系起來，再借助網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布，這些素材就能被學(xué)生訪問，同時具備高級檢索功能。
　　
　　3信息化建設(shè)成效與展望
　　
　　實驗中心的信息化網(wǎng)絡(luò)平臺經(jīng)過幾年的建設(shè)和完善，其穩(wěn)定性和安全性已經(jīng)在實際的運行使用過程中得到了檢驗，完全能夠滿足中心實驗教學(xué)及管理工作的具體要求。表1列舉了信息化平臺部分運行指標的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以看出，平臺目前擁有較高的訪問量和利用率，實驗教學(xué)資源豐富。
　　
　　筆者就實驗中心信息化平臺應(yīng)用的效果評價進行了問卷調(diào)查。學(xué)生用戶普遍反映該平臺的WEB頁面制作精良，學(xué)習(xí)資源非常豐富，預(yù)約系統(tǒng)操作簡便且互動性強。平臺的應(yīng)用拓寬了學(xué)生獲取知識的空間，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性；教師用戶認為平臺的應(yīng)用極大地減輕了實驗指導(dǎo)教師的日常工作負擔(dān)，各個系統(tǒng)操作簡單易用，老師們可以有更多的精力投入到一線的教學(xué)工作中去。同時也為教師素質(zhì)與能力的提高和實驗室的可持續(xù)發(fā)展提供了空間；學(xué)校教務(wù)部門也對實驗中心信息化平臺的整體水平和構(gòu)思給予了較高地評價。
　　
　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及各高校校園網(wǎng)建設(shè)的進一步完善，實驗中心的信息化建設(shè)還應(yīng)不斷地深入下去，做到與時俱進，擴大實驗中心的輻射范圍、豐富實驗輔助手段是下一步的主要工作。實驗中心的信息化平臺的輻射范圍目前主要還僅限于校園內(nèi)部，作為國家級教學(xué)示范中心，應(yīng)該定位于全國范圍，增強與教育部門和兄弟院校的交流與合作，增加信息來源的途徑，擴大實驗中心在國內(nèi)的影響力，逐步建成高度信息化、立體化、開放化的機械類實驗教學(xué)示范中心。另外，實驗中心將豐富實驗教學(xué)輔助手段，開發(fā)或引進虛擬實驗、遠程實驗、網(wǎng)絡(luò)實驗等先進的輔助教學(xué)系統(tǒng)。
　　
　　4結(jié)束語
　　
　　實驗教學(xué)是實踐教學(xué)的重要組成部分和基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，在高等教育教學(xué)改革中受到了高度關(guān)注。實驗教學(xué)示范中心擁有優(yōu)質(zhì)的實驗教學(xué)資源，是高校深化教學(xué)改革，推進素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和實踐能力，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)的主要陣地。燕山大學(xué)機電液一體化實驗教學(xué)示范中心在信息化建設(shè)方面從功能定位及建設(shè)內(nèi)容上作了前瞻性的規(guī)劃與設(shè)計并付諸實施，從科學(xué)實驗管理、充實實驗資源、豐富實驗手段等方面開展針對性的建設(shè)工作，初步建成了一個功能齊備、性能穩(wěn)定、可持續(xù)性強的信息化網(wǎng)絡(luò)平臺。平臺的應(yīng)用取得了良好的效果，實現(xiàn)了教與學(xué)的雙贏。
　　
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