数字化实验教学平台的构建

王德利，汤海峰，孟 威，孟庆繁，滕利荣

（吉林大学 生命科学学院，吉林 长春 130012）

计算机信息技术的日新月异，数字化、网络化、多媒体化的信息技术越来越广泛地应用于教育事业，正在逐渐地改变着高校的教育教学方式［1-2］。近年来，我国高等学校数字化校园建设受到广泛的重视［3］，作为实验教学手段的重要创新，数字化实验教学平台的建设与应用正在不断改变着高校实验教学的现状，并极大地提高了实验教学的教学质量和办学效益。

1 数字化资源库的建立

（1）实验教学资料的储存。实验教学资料收集要全面。实验教学指导模块包括教学大纲、教学日历、考评方式与标准、教学设计、评价考核、实验室安全教育等项目；实验过程管理模块包括实验教学及考试安排通知单、实验成绩分析报告单、实验助教成绩评定表、实验习惯要求等项目；实验学习指导模块包括学习指南，教学单元中的重点难点、实验教材内容、实验基本技术指导、实验器材、实验原理、实验操作步骤、实验报告与实验记录撰写方法及要求等项目；实验教学效果评价模块包括实验预习试题库、实验考试题库、实验习惯成绩、预习成绩、操作成绩、实验报告成绩及实验总成绩单等项目。

（2）照片或图片的储存。主要是实验操作过程和实验结果的照片。拍摄这些照片时要做到拍摄角度恰当、视角专业、像素适宜、光线充足、图像清晰。要使用专业照相机拍摄。

（3）视频或录像短片储存。视频拍摄前要做好充分的场景与器材准备，动作图像与音频应分开制作，要为动作的拍摄准备拍摄脚本，为音频录制准备解说稿本。要选择专用实验室和专业摄像器材，确保录音和录像质量。拍摄场景和器材要符合拍摄要求。

（4）CAI（computing assisted instruction）课件的储存。制作前要对课件的主题和结构有清晰的把握，要做充分的素材准备。首页应清新整洁、创意新颖、华丽优美，切忌多幅图片杂乱无章、主题不明、文本繁多、色彩过杂、搭配不当等。次页目录要简单明了，其他所有内容都只能是目录的陪衬，决不能喧宾夺主。文字内容要言简意赅、主题鲜明、详略得当、恰到好处；动画效果要合理适度；图文混排要布局合理，背景应清雅，切忌零乱。

2 数字化实验教学平台组件

数字化实验教学平台包括“虚拟实验教学系统”等5个子系统，每个子系统都有软件，并需要进行硬件的购置、安装、调试。软件包括驱动程序、安装程序、服务器软件、客户端软件等；硬件随子系统的功能不同而有所不同，但基本的构成包括服务器、客户端计算机、显示器、高清数码摄像头、数字化投影仪、交换机、耳机、数码显微镜等。此外还要制作数字化实验教学平台网站，并通过校园局域网与Internet宽带顺畅相连，满足实验教学需要。用户可以在任何时间、地点轻松登录，利用数字化实验教学平台进行学习。

3 数字化实验教学平台结构、内容及功能特点

利用计算机进行远距离网络学习和交互活动，有利于学生跟进学科前沿发展、提高动手能力和进行基础性的科研训练［4］。通过对数字化实验教学平台及其子系统的开发、建设及整合，该平台已广泛应用在我校实验教学中，对提高实验教学质量起到了重要推动作用。

3.1 虚拟实验教学系统建设

按照实验教学的要求，虚拟实验教学系统要提供逼真的实验环境，要能够随意使用和操作所需的虚拟仪器和器材，并依据具体实验内容，建立与教学内容相适应的实验教学模型，采用计算机仿真技术，实现实验过程的仿真操作［5-6］，并能够对实验数据进行实时记录和分析。系统还具有实验教学所需要的其他辅助功能，如介绍实验目的、原理和要求，实验仪器、设备的使用帮助等。学生可以自行选择实验动物、实验器械和处理因素进行实验设计并完成实验。

虚拟实验教学系统采用了计算机虚拟仿真技术与网络技术，涵盖了大量的实验模拟仿真内容。为了提高系统的仿真效果，在设计时应从以下几方面进行突破：（1）模拟仿真性，采用虚拟现实技术，为使用者构建了一个模拟仿真的实验环境；（2）互动交流性，利用多媒体编程软件功能来设计实验，通过实时的人机交互完成实验；（3）趣味创新性，模拟实验生动有趣，设计的实验内容允许学生自主选择实验动物、实验药物以及实验器械，培养了他们的创造性与创新性；（4）网络开放性，系统通过网络向用户开放，实验者可以自由地进入或退出，具有良好的开放性；（5）用途广泛性，对教师而言起到辅助教学的作用；对学生而言，则起到知识的预习、熟悉及强化的作用［7］。系统还应具有实验成本低、难度小、不受时间空间限制，操作简便易行等优势。

在进行虚拟实验设计时，要根据实验的内容确定是否有必要设计成虚拟实验；或者在一个实验过程中，哪一部分内容有必要设计成虚拟实验，而哪些部分是只设计成示教实验［8］。在设计虚拟实验时还要考虑人机交互，要有简单而形象的操作界面，要方便人的参与和控制，模拟的实验动物、仪器设备、实验耗材以及实验输出等有较高的仿真性（最好用现场环境和实物照片），显示的数据、现象要真实直观。要具体考虑到所在学校的计算机网络教学环境是否适合开展虚拟实验教学，要设计出能在教学中应用并能达到减少实验成本，使教学资源充分共享的虚拟实验系统。

3.2 精品资源共享课程建设

国家精品资源共享课程是以普及共享优质课程资源为目的，体现现代教育思想和教育教学规律，服务学习者自主学习，展示教师先进教学理念和方法并通过网络传播的开放课程。教育部明确要求“精品课程要使用网络进行教学与管理，相关的教学大纲、教案、习题、实验指导、参考文献目录等要上网并免费开放，鼓励将网络课件、授课录像等上网开放，实现优质教学资源共享［9］”。

我国精品资源共享课程建设起步较晚，尚不能满足学习者深层次的学习需求［10］。我们所建设的精品资源共享课，以教师和学生为服务主体，也面向社会开放。实验课程是精品资源共享课的重要组成部分，我们在建设精品资源共享课时尽量避免简单的课堂搬家，注重实验技能和实验现象的展现，对专业性问题进行了深度剖析和详细论述。在进行内容规划时，加强对课程的顶层设计，既包括经典的学科知识体系，又融入学科前沿知识和课程建设的学科优势与特色。在课程设计时，根据需要按实验技术类型或按实验项目划分章节，但始终遵循了“由简单到复杂，由基础到综合”的基本原则，使知识结构形成了一个完整的体系。讲授过程中力争做到取材合适，内容阐述循序渐进，有启发性、便于自学，使学生能够掌握基本理论、基本知识和基本技能。

3.3 网络监控互动系统建设

网络监控互动系统采用全数字化的计算机压缩技术，具有“模拟”监控系统无法比拟的许多优点，可以完全自动地对监控对象进行不间断的全程监控，并可以非常方便地查询任一时间、任一地点的现场图像。系统采用先进的数字处理技术，使得图像质量更高、更易于保存。

信号采集系统是整个网络监控互动系统的基础，只有在前端采集到了良好的图像信号，才有可能在后端进行高质量的回显与存储。摄像机的安装位置直接影响到整个网络监控互动系统的有效性，摄像机与镜头的搭配选择会直接影响到后端的成像质量，因此在安装摄像机时要进行仔细定位和系统调整。网络监控互动系统中的数字监控主机应当具有强大的图像数据处理能力、卓越的数字图像压缩处理技术、整合的系统功能设计、优秀的网络功能、超强的稳定性以及良好的可扩展性和可升级性。

网络监控互动系统还可以完成实验室共享功能，使一个实验室与其他实验室通过监控系统、多媒体系统相联通而实现视频互动，也可扩展为大型会议的分会场，使多点教学和网络会议成为现实。计算机网络监控实验的远程功能还可让用户通过网络实时调控异地实验室的真实设备，通过网络实时获得实验结果，并且所有的数据都是在真实的状况下得到的［11］。

3.4 实验教学同步反馈系统建设

实验教学同步反馈演示系统有效地解决了围观教师做动物手术等演示实验的弊端，也更易于同步观察动物机体反应与生理波形［12］。该软件运行于加载TCP／IP协议的Windows2000以上系统网络，集电脑教室的同步教学、控制、管理、音视频广播等功能于一体，能同时实现屏幕监视和远程控制等网络管理的目的，是进行多媒体网络教学的非常好的软件产品。实验教学同步反馈演示系统专门针对电脑教学和培训网络开发，可以非常方便地进行电脑教学，进行广播与点播、屏幕监视、遥控辅导、屏幕录制、屏幕回放、网上语音广播、两人对讲和多方讨论、VCD／MPEG／AVI／MP3／WAV／MOV／RM／RMVB等视频流的网络播放等，对于传统的辅助教学模式来说是一种教学上的突破。

3.5 微格实验室教学系统建设

“微格教学”（micro-teaching）产生于美国斯坦福大学，它是把现代视听设备应用于教学，对师范生“角色扮演”课程进行改造而形成的。网络技术的发展和微格教学的数字化，为网络环境下的数字微格教学提供了技术支持［13］。在数字化实验教学平台中，微格教学环境的主要变化是微格实验室教学系统的数字化。我们将微格实验室与多媒体教学设备相结合，配备视频采集设备和数字化投影机，构建了集计算机、网络、多媒体、音视频、存储、传输等多种技术于一体的数字化微格实验室教学系统。数字化微格教学系统改变了传统的机电控制方式，采用软件管理，既增强了控制的精确性，又简化了指导教师或专业人员的操作程序，体现了易学易用的特点。数字化微格实验室教学系统将文件纳入网络文件服务器中，不再受传统微格教学系统使用文件的局限性，使校园网中的特定用户随时可以调用文件，最大限度实现了资源共享。微格实验室教学系统还有可视对讲功能、远程遥控功能、多播功能、评课功能、示范功能、系统多媒体监控及扫描功能、远程传送功能等。

4 结束语

数字化实验教学平台能够传播最新教育观念与教育信息，创造了教育技术现代化的校园环境，是以学生为本的现代教育发展模式和网络教学的重要技术支撑，并为教师对教学理念和教学过程的分析和反思提供了素材。数字化实验教学平台突破了时间和空间的限制，对提高高等教育教学质量和大学生的创新能力大有裨益。

我国数字化教学起步较晚，数字化实验教学平台的建设水平也有差异。虽然我们已经开发并搭建了这一平台，但还有许多需要改进和优化的地方，主要涉及资源的添加和更新、各环节或节点的衔接、硬件维护和软件升级等问题。数字化实验教学平台建设是一项系统工程，需要具有前瞻性的全面规划和配套建设来予以支持，更需要有效地组织与协调。在优化与完善实体实验室的基础上，不断地开拓网上教学新模式，建设丰富的数据资源，是今后数字化实验室的发展方向［14］。

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［1］张力.国家中长期教育改革和发展规划纲要高等教育解读［EB／OL］.（2010-03-02）［2010-04-15］.http：／／www.gov.cn／xwfb／2010-03／02／content＿1545475.htm.

［2］晏秋.信息环境下高校本科教学数字化途径研究［J］.西南交通大学学报：社会科学版，2010，11（4）：86-89.

［3］徐朝军，李艺.数字化实验室的建设［J］.实验室研究与探索，2003，22（1）：9-12.

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［5］张佳佳，黄辉先，颜长春.虚拟实验平台的设计［J］.现代电子技术，2004（11）：40-41，44.

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［7］徐静，孙艺平，王冬梅.虚拟实验与真实实验在机能学实验中之比较［J］.医学与哲学：人文社会医学版，2009（6）：75-76.

［8］林桂平，向秋玲，王淑珍，等.虚拟实验及其在生理学教学中的应用［J］.医学教育探索，2007（10）：948-949，955.

［9］教育部.教育部关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知［EB／OL］.（2003-04-14）［2014-05-06］.http：／／www. moe.edu.cn／publicfiles／business／htmlfiles／moe／s3843／201010／109658.html.

［10］盛明婷，戴心来，王朋娇.精品资源共享课可持续发展建设研究［J］.中国教育技术装备，2012（30）：7-9.

［11］翟敬梅，徐晓，黄平，等.基于 Web的远程监控实验教学系统的设计［J］.开放教育研究，2010，16（5）：107-112.

［12］马捷，张金，石彬，等.类纸屏幕课件分阅系统中的UDP广播问题研究［J］.计算机应用与软件，2012，29（2）：97-100.

［13］孟令春.基于网络的微格教学系统设计与实现［J］.电脑知识与技术，2008（21）：474-476.

［14］柯红岩，钱大益，刘云，等.国家级实验教学示范中心的数字化实验室建设［J］.实验技术与管理，2011，28（11）：99-101.