面向卓越工程教育的实验室开放实施机制

2013-07-19陈庆奎

实验室研究与探索 2013年1期

陈庆奎

(上海理工大学光电实验中心，上海200093)

0 引言

随着国家经济的飞速发展和经济增长模式向创新型国家转型的需要，卓越工程教育已经列入《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020 年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020 年)》的重大改革项目，它是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。面对卓越工程教育的需求，传统的教育模式急需改革，特别是实验教学和实验室管理模式方法等需要更新。过去传统的实验教学模式，学生按照既定的教学指导书重复安排实践过程。如何把高校的实验室资源充分利用，提供给各类学生从事创新型、探索型、综合型、复合交叉型的实验工作已经成为各类高校教学研究人员研究的焦点［1-6］。国家重点实验室的开放方法和机制也逐步引起重视［7-8］。同时，全国各地高校纷纷开展实验室开放机制方法的探索［9-15］，这些研究从学院学科实验室开放［9-12］、面向工科学生［13］、实验室开放过程管理［15］等方面进行了初步探讨。实验室开放管理的信息化制成机制也被提出［16］。然而，实验室开放的实施面临许多困难。

虽然，文献［1-16］从各个角度对实验室的开放进行了探讨，并且取得不错的效果，但是完整的解决方案还未见报道。本文就此问题提出实验室开放管理和制订模型，可以有效解决。

1 实验室开放面临的困难

(1)面对多学科、多层次实验环境和设备，面对过去的实验资源区块划分，如何公平、合理、充分利用，是一个亟待解决的问题。随着国家对高等教育抚需、扶特、扶强的发展策略，各个大学纷纷调整学校资源，构建基于学科群的复合大学院，致使学院内的学科众多、水平层次高低不一、实验资源分布不均、资源区块壁垒，这些都为实验室资源的充分共享和开放使用带来不便。以光电信息与计算机工程学院为例，该学院基于光电信息学科群，由原光电学院、电子学院、计算机学院合并而成。该学院拥有国家重点学科、国家工程中心、上海重点实验室等优秀资源，专业覆盖光学工程、仪器科学与技术、控制科学与工程、电气工程、信息与通信工程、计算机科学与技术、电子科学与技术等一级学科，现有光电信息工程、光信息科学与技术、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、自动化、电子信息工程、电子信息科学与技术、信息与计算科学、通信工程、网络工程、计算机科学与技术等11 个本科专业，拥有本科、硕士、博士各类学生3 500 多名，实验室规模可想而知。面对如此规模实验，如何把各个层次的实验资源充分利用起来是一个值得研究的问题。

(2)实验室教师短缺、实验室教师科研水平普遍不高等问题也会阻碍实验室开放的顺利进展。目前，高校为了提高国际化办学水平，积极主动引进各类海内外优秀人才充实教师队伍。然而，实验室教师队伍的发展却不容乐观。随着教师队伍的老化退休，实验教师的人数逐渐减少，实验队伍水平提高困难。①由于学校发展策略，实验室教师逐步由教学型转向实验教学管理服务型，因而实验教学编制越来越少;②由于各类学校提高了入校门槛，没有博士学位的人员无法进入教师队伍，而博士毕业生又很少愿意到实验室工作，致使实验师整体业务水平的提高受到了影响。

(3)实验室开放实验的内容无法确定，如何构建创新型、探索型、综合型、复合交叉型的实验内容是一个十分关键的问题。传统的课内实验大多由老师指定实验教材，按照一定的步骤实施;综合性的实验也仅限于某个专业内部，即使跨越多个学科专业也会往往重视某些关键问题;而卓越工程教育需要更符合的专业人才，需要跨学科的专业人才。例如物联网数据收集开发技术，不仅要求学生掌握传感器硬件、RFID、WSN基础知识，会进行硬件开发设计，还要求学生掌握通信技术、数据处理技术、复合软件开发技术等等。以目前的教学机制还无法满足上述需要，况且随着新技术、新应用需求的展开，还会出现更多的综合性、复合型技术，因此开放实验机制是解决上述问题的可行办法。但是，构建创新型、探索型、综合型、复合交叉型的实验内容是之关键。

(4)缺乏切实可行的、面向众多实验资源和大规模学生的实验室开放信息支撑系统。面对上万个实验设备，面对几万名学生，如何有效分配实验室开放资源，同时又不影响正常的教学机制运行和学科项目的实施，这就需要一个高效的信息支持系统。

为面向卓越工程师教育的需要，根据光电信息与计算机工程学院实验室开放的现状，提出了实验室开放管理机制和模型，该方法可以有效解决上述4 个实验室开放难点;所提出的开放管理过程模型运用工作流技术，构建了实验室开放信息支持系统。该方法适用于高校大学院的实验室开放管理。

2 开放实验室组织架构

为了融合多学科实验室资源，有效地使用实验室开放资源，我们对实验中心的架构进行了调整，下面给出该架构内容。

2.1 实验中心实验室服务层次架构

实验中心是一个面向多个服务对象的实验机构，主要对象包括:各个学院、部门;学员内部各个系的本科专业;各个系的所属学科以及省市、国家级科研机构。因而按照实验服务对象的不同，把实验中心的实验室分为6 个服务层次，它们分别是:①学校基础实验服务层;②学院基础实验服务层;③各系本科专业实验服务层;④各学科专业实验(研究生)服务层;⑤省市、国家级实验室，工程中心;⑥横跨上述各层的学院创新实验服务基地。

2.2 实验基地和实验室

实验中心的基本构成单元是实验室，它是实验实际操作的实体单位。实验室的命名依赖于其所支持的具体实践内容，如传感器、单片机、ARM 实验室等。其内容，所定义的各个实验服务层中都包含若干个实验室。一个实验基地由若干个专业(或学科)相关的实验室构成，是一个具有支持一个专业或学科的系列实验能力的机构。实验基地的命名以系或一级学科为单位，即一个系有一个以其命名的“本科试验基地”、一个一级学科有一个以其学科命名的“创新实验基地”。如计算机科学与技术本科实验基地、计算机科学与技术学科创新实验基地。一个实验服务层包含若干个实验基地、一个实验基地包含若干个实验室。

为了实现学科交叉创新，学院统一构建一个创新实验服务基地，主要支持学科交叉的项目研究、研究生创新实验、本科生创新就业实训实验和全国或上海各类大奖赛等工作。

2.3 实验中心服务人员组织结构

实验中心服务人员为三级组织架构。①实验中心。第一级是隶属学院的实验中心，其由于统筹学院的实验资源、管理模式以及服务模式。②分中心。第二级由隶属实验中心的实验分中心构成，各个实验分中心负责一组实验基地(包含若干个实验室)的管理、实验服务、辅助建设和实验考核等工作。③实验组。第三级为由若干个实验人员和教学人员构成的实验组。实验组是面向单位实验室建设、管理和实践教学的基层服务机构。实验组可以根据实际需要在各个分中心内部调动，采用就近属地隶属原则，即以实验室所在地隶属为分级管理机制。实验中心结构见图1。

图1 实验中心结构

2.4 实验室应用原则

面对实验室创新实验和开放的需求，制定了实验室应用原则:

(1)实验室纵向、横向贯通原则。实验室的构建和分配必须面向全院各个层次教学科研的需要，低层实验服务必须对高层实验服务开放。同时为了提高学院各个层次学生的创新能力，对低层被服务对象的少数优秀成员可以使用高层实验服务设施。为了提高各个学科交叉的能力，高层被服务对象可以使用其低层实验服务的大部分资源。学院创新实验服务基地的实验资源是基于学院所有可行的实验设备的。

(2)面向服务质量的原则。实验中心的所有服务设备、管理办法、考核制度等机制都是以提高服务质量为宗旨。一方面，服务必须是使学生能够真正地掌握实验技能和动手能力。另一方面，这些服务必须促使教师更好地利用实验资源，搞好教学、科研工作。

(3)面向创新教学、科研支持的原则。实验中的实验室构建、管理机制、考核机制必须适应国家面对创新人才培养的需要，逐步构建创新型、实际操作型、设计实施型的实验基地。根据实际情况逐步淘汰验证性实验。

(4)面向学科交叉的原则。实验中心必须利用实验室为沟通桥梁，来衔接学院所属的各个学科、专业的交叉处，构建综合性、交叉性的实验环境。充分服务于光学、仪器仪表、通信工程、控制理论与工程、电气工程和计算机科学与技术的交叉性科研教学工作。

(5)实验室逐步开放的原则。实验中心为了提高服务质量、面向学科交叉、支持创新实验，做到纵向、横向贯通，实验室必须创造一切可行的办法，逐步开放中心所属的实验室。制定适当的管理办法、考核和激励机制。

(6)提高利用率的原则。实验中心架构有效地融合了各层次、各学科的资源，通过贯通融合使用，可以提高实验资源的利用率。需要优化资源分配原则、管理办法和开发自动化管理工具。

2.5 实验室评估

实验中心将根据各个实验室的实际运行情况，统计运作数据，来评估实验室建设和运行的结构，主要评估内容如下:①实验室利用率;②实验教学模式;③实验内容创新度;④实验教学效果;⑤实验室服务对象的适合度;⑥实验室之间支持度。

3 构建开放实验组，提高实验室教研水平

3.1 实验组架构

为了有效地支持“实验中心开放架构”，充分适应新的架构的6 个服务层的动态变化机制，为了适应目前实验室分散布局管理的特点，为了体现良好的可扩展性，提高实验实的教研水平，提出建立基层实验单元—实验组机制:

(1)实验组。实验组是由一组相关专业、研究方向的专业实验人员和教学人员组成。实验组有一名组长和一名副组长。每个实验组负责一个或几个实验室的教学实施、管理、维护等工作。

(2)组长。组长来自实验中心，参与实验室的早期规划、建设实施、验收接管、日常维护、实验教学等领导工作。

(3)副组长。副组长来自相关实验研究方向的系(青年博士教师)，是相关课程或研究方向的负责人，主要负责开放实验课程的规划、实验教学大纲的制定、实践内容的设计、指导相关教师进行实验辅导、定期更新实验内容。副组长必须参与实验室的规划、建设工作。

(4)组员。组员是从事实验室管理的专业技术人员，组员必须具备相应学科或专业的基本技能，熟练掌握实验室设备和基本实验操作步骤。可以辅助认可教师的实验教学工作。组员必须接受新建实验室的业务培训，实验室建设项目组必须负责对相应的组员进行培训。

3.2 实验组组成原则

为了使实验组有效运行，建议用以下组成原则进行约束:①1 个组员可以参加不多于3 个以上的实验组，鼓励组员具备跨学科实验辅导，培养复合性实验室管理人员。如果由于地理位置分散等客观原因，组员可以适当减少所参与的组。②中心将根据实际工作量、实验室分布、实验特性诸类情况动态调整组员的分布。③实验组可以根据实际需要在各个分中心内部调动，采用就近属地隶属原则，即以实验室所在地隶属为分级管理机制。④分中心负责对实验组的考核、评估工作，每年将考核信息汇总至实验中心。⑤实验组每年必须进行若干次的实践教学研讨，主要研讨:实践教学的内容、学生对实践的掌握情况、实验设备中存在的问题、实践教学改进措施、交叉性实践所受约束、社会对实践教学内容的需求等等。组长负责把相应的研讨内容文档提交实验中心。学院将根据研讨内容及时调整实验室发展策略，适应社会发展的需要。

3.3 实验组激励措施

构建有效激励措施，促进实验组健康发展:①考虑对创新实验室(或学科交叉实验室)的实验组的工作量系数的适当增加，以促进实验室开放服务水平的提高。②对具有多学科复合实验支持能力的组员给与出国进修、高层次学历教育优先的策略。③对具有支持国际联合办学的实验人员优先给与出国进修、高层次学历深造的机会。④鼓励以实验组为单位成立实验教学研究项目组，学院将给与一定数目的科研经费予以支持。项目组必须严格遵守学院有关科研项目管理的规定，认真完成科研项目。对成果优秀的实验组进行奖励。⑤学院对组长和副组长给与一定数目的岗位津贴。

4 引进多种机制，促进创新开放实验

针对目前创新实验内容贫乏，启动如下机制，进行改进。

4.1 引入博士教师进实验室

随着高校教师队伍的发展，青年博士教师已经成为教师后备力量的主体。一方面，新进校的青年博士教师具有较好的理论研究基础，但也有相当一部分缺乏实际动手和工作经验，他们需要教学研究与社会实际结合起来，必须针对社会需求对实践教学工作进行探讨，并从事实践教学工作。因此可以启动青年博士教师进入实验室。引入博士教师进行实验教学研究工作，不仅可以提高工程化教学水平，也促使他们深入社会实际了解国家建设所需，进而促进理论教学和科学研究同步发展，还可以大大提高实验教学水平，提高工程化教学的竞争力。主要措施是每个引进博士在首聘期内践行3 项实验内容:①从事实验室教学1 年;②构建一门理论实践课教材和教学环境(配合主讲教师，或自己主讲);③结合国家建设需要，构建1 个开放创新实验平台和指导教材。这样持续下去，学校的工程化实践水平就会大大提高，青年博士教师的理论教学更结合实际。为了实现这个目标，需要做许多工作，如经费支持、教学工作考核、博士实验员与专职实验师的关系、实验资源共享、理论课与实践课协同调整等。

4.2 加强专职实验人员培训

随着实验室老教师的退休，青年教师的流动，实验中心的教师越来越少，并且年龄趋于年轻化，并且大多是女教师。学位和学历大多是硕士水平，但教学科研缺乏竞争力，对实验中心的发展支持乏力。中心组织教学研究机构，提高他们的教学科研水平。通过教学研究、发表教学论文，积累教学科研成果是目前提高他们实践教学水平最可行的途径。①构建相关学科、专业的实践教学研究组，每个组有1 或2 个博士教师参加，研究组主要研究工程化实验教学、开放实验教学模式，并参与实践环境的搭建;②制定合适的实验室人员发展目标，制定评高级实验师的年限、教研论文、实践教材等数量和质量等，目标即制定的切实可行。实验人员可以根据指定目标，通过持续努力，来发展自己，进而提升了实验教师队伍的水平。

4.3 引进兼职人员，补充开放实验管理人员

为加强实验室人员管理，把人员分为几类:①专职管理人员。指隶属实验室中心的各类专职教师、教辅、办公管理人员;②兼职管理人员。指受学院聘任管理并且使用实验室资源的各类研究生、青年教师;③兼职责任人员。指对指定实验室的使用人员的导师，或教研室(研究所)、专业、学科等学院分管机构的负责人;④长期应用人员。指在实验室开放实验时间段并且长期使用实验室的人员，如研究生、青年教师等。

每个兼职负责人可以兼顾多个实验室，负责为每个进入实验室的长期实验人员分配实验资源，对其所负责的实验室指定兼职管理人员，对相关人员进行教育、管理和监督工作。长期实验人员必须对其所分配到的独享资源承担指定保障责任，包括状态汇报、规范使用、软件维护等，保障实验设备不会影响实验课程的正常开设;对个人计算机系统，做好一键恢复系统，做好数据备份，避免软件系统间的冲突。每个实验室原则上配有2 名兼职管理人员，保障实验室在非工作时间内的正常工作，主要工作有:实验室的开门与关门、实验物品整理清点、实验室的水电管理、实验室设备的状况汇报、共享资源的指定责任和实验室安全等;对实验室高端资源的使用，需要长期使用人员、兼职管理人员和专职管理人员共同签字，并做好日志;专职实验人员负责实验室的日常管理，和兼职责任人员沟通信息，定期组织所属兼职管理人员开会，定期汇总实验室状态信息，统计实验室利用率，定期检查和维护实验室设备，每日检查和维护实验室的安全和卫生，每日做好日志工作，做好实验中心网站的实验室开放信息的实时发布和维护工作。

5 实施

光电信息与计算机工程学院根据该模型架构，把实验中心分为:重点学科和国家工程中心，专业技术实验中心、基础技术实验中心、电工电子实验中心、计算中心等分中心。整合后的70 多个实验室被分为面向学校、面向学院基础技术、面向学科的专业实验室，使不同层次的学生分别使用相应的实验设施。为了开放各个实验中心构建了实验组，并且聘用了20 多名研究生作为兼职实验室管理人员。根据开放实验室管理架构，以及各类人员的情况，构建了实验室开放管理系统，系统流程见图2。系统主页如图3 所示，该模式开放机制已经运行一个学期，取得了有效的成果。

图2 开放实验室管理流程

6 结语

实验室开放面临众多问题，如多学科、多层次、实验资源管理复杂、高水平的实验教师缺乏、开放创新实验内容贫乏、没有有效的实验室管理架构和信息系统支持等问题。本文结合光电实验中心的实际，从开放的管理架构、管理方法、规范流程以及信息化实现技术方面进行了初步探讨，并且通过一个阶段的运行，取得初步效果。但是，实验室开放是一个复杂的系统工程，需要不但探索、实践、完善。