智能化实验室教学管理模式
2011-01-13许丹
许 丹
(武夷学院 电子工程系，福建 武夷山 354300)
智能化实验室教学管理模式
许 丹
(武夷学院 电子工程系，福建 武夷山 354300)
结合作者多年的实验室教学管理经验，对传统实验室教学管理模式中存在的一些问题进行了探讨，提出一种新的智能化实验室教学管理模式。该模式运用先进的计算机智能系统，便于实现实验室的开放教学，网络化，智能化，同时提高实验室的安全性保障。
实验室;智能化;教学管理模式
1.引言
随着高校基础教育改革的不断深入，实践教学已成为高校教学中不可缺少的一部分。实验室是高校进行实践教学、科学研究和技术推广、以及培养学生动手实践能力和创造性思维能力不可缺少的基础阵地。因此，高校有针对性的科学的实验室管理模式对于实践教学的效果具有举足轻重的作用。本文结合作者多年的实验室教学管理经验，对传统实验室教学管理模式存在的一些问题，如仪器设备的利用率不高，多数是验证性实验，学生没有创新能力等等进行了探讨，针对这些问题提出了一种新的智能化实验室教学管理模式。
2.传统实验室教学管理模式的不足
在传统模式下进行的实验室教学管理，课程内容和实验项目的设置基本是根据教材和文献。仪器操作使用的规范和流程，以及实验品的用量等，也都给出了详细的规定。[1]学生只是按部就班地按照规范进行机械性的重复实验。这种格式化的教学限制了学生思维的灵活性和创新能力培养，导致学生在实验操作中不具备应变能力，实验操作中稍有变化，便不知如何应对，最后往往还是需要教师动手解决。[2]
此外，传统的实验教学中，资源设备的利用率不高，且容易由于人为操作不当导致额外损耗。根据作者多年的实验室教学经验，一堂实验课不同学生完成实验的速度有很大的不同。有些学生一节课就可以完成实验内容，而有些学生可能需要两节甚至更多的时间。由于一堂实验课的仪器一般都是统一配备，对于提前完成了实验的学生来说，实验仪器就被闲置了。而有些学生往往会继续摆弄仪器进行重复或者没有意义的实验，这样往往会造成不必要的仪器损耗。
3.智能化教学管理
随着计算机应用技术的发展，许多高校已经开始应用计算机智能化系统进行实验室的教学管理。例如，对实验室的进出以及仪器的使用进行刷卡控制。由学校对需要使用相关实验室的人员进行核对并发放智能卡，学生和教师通过刷卡来获得进出实验室以及使用实验仪器的权限。这样很大程度上提高了实验室的工作效率，保证实验室内部的安全性，减少了不必要的器材损耗。另外，在实验课的教学上，许多高校也采用了多媒体教学的方式，通过视频图像来演示实验过程以及仪器操作规范。与传统实验课模式——教师在台上亲自操作进行示范相比，计算机多媒体教学提供更加直观，更加形象生动的教学演示，教师也不再需要在每堂课上不断进行重复的实验演示。
以上所述的实验室智能化教学管理方法解决了一部分传统实验室教学管理模式的所存在的弊端,但是并没有从根本上改变传统的实验室教学方法和解决实验室资源利用率不高的问题。本文提出一种新型的智能化教学管理模式，旨在对传统的实验教学方式进行根本上的改变。该模式摒弃了传统实验教学中对实验内容机械性的重复，能够根据不同学生能力需求提供不同的教学内容和方式。实现以学生为中心，以培养学生实践能力和创新能力为根本的素质教育和科学管理模式[3]。
此模式实现的关键在于一套智能化实验室教学管理系统的设计。该系统不仅要能够保障实验室的安全性，例如进出控制，仪器使用权限控制等等，更重要的是能够提供个性化的教学内容管理。该系统的功能模块如表1所示。
表1 智能化管理系统模块
该系统包含三个模块：用户权限管理模块，教学内容管理模块和设备管理模块。用户权限管理模块对不同用户的权限进行分配和管理，其工作过程如图1所示。
图1 用户权限管理模块工作过程
根据上图，实验开始之前，教师和学生需要向系统申请实验室和仪器设备的操作使用权限。例如，学生甲在实验中需要使用仪器A，B和C，而学生乙需要使用仪器C,A和D，则他们在实验前需要向系统申请各自所需仪器的使用权限。系统将这些申请发送给实验室管理人员，管理人员核实学生的身份后，通过系统将相应的权限依次分配给学生。实验过程中，当学生甲完成第一个实验后（假设该实验需要仪器A），教学管理模块发送实验完成的指令给权限管理模块，权限管理模块收到通知后即取消甲使用A仪器的权限，并把A仪器的使用权限分配给其他需要的学生（例如乙），同时，系统分配给甲下一个实验所需仪器的使用权限（假设为仪器B）。这样的权限管理模式不仅能够提高实验仪器的安全保障（学生不能够随意使用当前实验不相关的仪器），而且能够使设备资源得到充分的利用。
设备管理模块的主要功能是接收权限管理模块发出的用户权限内容指令，并根据不同的用户权限开启或者锁定相关实验室仪器设备。
该智能化教学管理系统的核心部分是教学管理模块。该模块要实现个性化教学内容的提供和学生学习情况的反馈功能，其设计结构如图2所示。
图2 教学管理模块设计结构
在图2所示的教学管理模块中，教师根据课程要求，事先设计好若干个不同难度的实验项目，并录入智能系统。实验课开始前，学生先通过系统预约实验项目。实验课开始后，每个学生面前都放置一台装有智能系统的计算机设备，以接收智能系统的教学指令。智能系统开始向学生提供事先设计好的实验项目。项目说明、操作规范等都由多媒体的形式演示给学生。同时，系统发送指令给权限管理模块，让学生可以使用本实验相关的仪器设备。学生完成实验后，将实验数据输入系统进行验证。若实验结果正确，系统自动提供下一个实验项目，并发送指令通知权限管理模块将本次实验的仪器使用权限分配给其他学生，同时分配下一个实验仪器的使用权限给当前学生。如果学生在实验中遇到问题，可以通过系统提供的在线提问平台向教师提问，教师同样通过系统进行解答。该系统还可以对学生的实验数据进行记录并反馈给教师，便于教师进行分析，对教学内容进行调整。例如，如果多个学生在某个实验中得到相似的错误结果，教师可以在通过和学生交流以及数据分析后，归纳出原因和注意事项，提醒后面的学生。又如，对于某个实验，大多数学生都不能得到正确结果，教师就可以考虑适当调整实验的内容。
与传统的实验教学模式相比，智能化模式在两个方面显著提高了实验教学效率。第一，系统根据每个学生的实验学习情况提供不同难度的实验项目，真正做到以学生为中心的实验教学。第二，当一个学生完成实验后，相关仪器设备能够立即分配给其他学生进行实验，实现了仪器设备的按需分配，明显提高了资源利用率。在具体实施过程中，一堂实验课的学生可以分成若干组，每组学生分配不同的实验项目。当一个学生完成实验后，通知系统，系统搜索到其他组完成实验的学生的空闲设备，然后把仪器使用权限分配给当前的学生。
4.智能化模式与传统模式的比较
在本节中我们用数据对智能化教学模式与传统教学模式进行比较。
在传统的教学模式下，一堂课的实验数目是事先设定好的，并且每个学生的试验项目和实验顺序都是一样的。例如，一堂课时间为45分钟，计划要完成3个实验，每个实验预计15分钟完成，每个实验需要一台仪器。那么，在一堂有30个学生的实验课中，每个学生面前必须摆放3台仪器进行3个实验，则一共需要30×3=90台仪器。此外，由于这堂课计划实验项目数为3个，即使有些学生10分钟就可以完成一个实验，他们最多也只能在课堂完成3个实验。相反，在智能化教学模式中，实验数目和项目是根据每个学生的实验情况提供的。例如，30个学生事先分成3组，每组10个学生。不同组的学生做不同的实验。当有学生完成一个实验后，通过系统搜索可以找到其他组完成实验的学生，这样他们就可以相互交换做不同的实验。这样，假设同样需要完成3个实验，那么一共只需要30台仪器，每个实验10台。即使考虑到不同学生完成实验速度的差别，也只需要多准备若干台仪器备用即可，仪器总量明显少于传统的实验课。此外，如果有学生10分钟就可完成一个实验，那么他在完成3个实验后，系统会再提供给他新的实验。因此，一堂课的实验总量是根据学生的完成情况变化的。
我们用N表示一堂实验课的学生人数，用T表示课程总时间，用t表示每个实验预计所需的时间，并假设每个实验需要一台实验仪器。在智能化教学模式中，我们把学生分为 h(h>1)组，用 t’(t’ 表2 传统模式和智能化模式的比较 从表2可以看出，在同样的课程中，相比传统模式，智能化模式大大减少了仪器使用数，并且增加了学生可能完成的实验数目。 本文探讨了一种新的智能化实验室教学管理模式的设计。该模式不仅能够根据不同学生能力需求提供不同的教学内容和方式，真正做到因材施教，提高实践教学效益和教学质量，而且能够提高仪器设备的使用效率。另一方面，该模式便于实现实验室的开放教学，网络化和智能化管理，还能提高实验室的安全性，对学校基础教学的改革和学生的创造性思维培养提供了有力支持。 [1]董国强.实验室管理模式的研究与探索[J].实验室研究与探索,2005,24(6):93-96. [2]丁鸣.关于高校实验室建设的几点思考[J].实验室研究与探索,2009,46(3):37-39. [3]黄晓玲,段凤云,赵建科.嵌入式系统实验教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理,2006,23(4):85-87. Intelligent Laboratory Teaching and Management Mode XU Dan (Electronic Engineering Department of Wuyi University,Wuyishan,Fujian 354300) This paper discusses issues of the traditional laboratory teaching and management mode,and proposes a new intelligent mode of laboratory management.This mode uses advanced computer technology.It achieves a flexible and intelligent lab management,and enhances the lab security. laboratory;intelligence;teaching and management mode G482 A 1674－2109(2011)06－0081－04 2011-10-30 许丹（1958-），女，汉族，实验师，主要研究方向：实验室管理与研究。
5.总结
