CAI实验室在高校教学科研中的实践与管理

祝永卫　刘淑珍　张 宇　陈永宝　訾学红　李 钒　王 湛

1.北京工业大学国有资产管理处　北京　100124 2.北京工业大学环境与能源工程学院　北京　100124

CAI实验室在高校教学科研中的实践与管理

祝永卫1刘淑珍2张 宇1陈永宝2訾学红2李 钒2王 湛2

1.北京工业大学国有资产管理处北京100124 2.北京工业大学环境与能源工程学院北京100124

随着计算机与网络技术的普及，高校非计算机专业的CAI实验室是否还应保留，成为大学实践教学环节和国有资产管理研究的重要问题。以我校环境与能源工程学院的基础化学实验中心的CAI实验室为例，阐述了在计算机网络技术普及的时代，CAI实验室在实践教学、高年级本科与研究生科学研究、实验室安全、数据交换的管理工作中起着重要作用，已成为培训、管理与资源共享平台。从实践结果来看，CAI实验室功能需要不断升级。

CAI；教学；科研；管理

计算机辅助教学，即Computer Aided Instruction，简称CAI，是在计算机辅助下进行的各种教学活动。自20世纪90年代起，高校的各个院系开始逐步建立CAI实验室（机房）。而20世纪90年代中后期的互联网服务进一步使得CAI实验室以及公共计算机使用率大大提高，且供需矛盾日益激化。由于计算机价格不菲，且互联网的服务并不广泛，只是单位内部具有互联网接口，所以互联网服务几乎只能依赖公共机房。各个院系也在这一时期纷纷建立不同归属关系的公共CAI实验室，这一阶段是CAI实验室的黄金时期。

进入21世纪后，随着计算机与网络技术的高速发展，笔记本电脑、3G乃至4G智能手机、iPad等智能平板电脑在大学生中广泛应用，传统意义上的公共机房功能已经完全被取代。机房已由原来的门庭若市变得门可罗雀。非专业计算的CAI实验室的存废问题已经是摆在了各个高校管理部门乃至各个公共计算机实验室面前的棘手问题，如同“鸡肋”，食之无味弃之可惜。

笔者以环境与能源工程学院的基础化学实验中心的CAI实验室为例，分析了在新时期大型机房在网络与多媒体教学实践，对科研共享与虚拟训练平台的支持，在实验室安全管理与数据安全交换方面的一些发展，认为非专业的CAI实验室在目前和未来的教育与学科发展中不仅不能弱化，反而更应积极改进升级功能以适应学科与技术发展的要求。

1　高校CAI实验室在实践教学中的现状及发展

随着网络技术的发展，大型计算机服务器的建设购买并没有减少，主要向两个方向发展：服务器功能，对网络包括有线和无线网络提供支撑服务；专业化的大型计算功能，支持科研尤其与计算相关的科研领域。其中，一个是公众服务与信息系统安全的管理，另一个是更专业化的科研服务。而传统意义的一台大型主机服务器接几十个终端的传统机房何去何从？以下将从教学，本科生与研究生科研，以及实验室管理三方面阐述高校CAI实验室在实践教学中的现状及发展。

从我校环境与能源工程学院的CAI实验室使用情况统计结果分析，课堂教学与评测考试占主要预约的70%～75%，而学术交流与应用软件使用交流占25%～30%，除此之外，进行课题研究的本科生和研究生使用CAI实验室进行相关的资料查询工作和实验数据处理，其利用效率还是非常高。CAI实验室还承担了本科生入学和研究生升学的网上心理测试和学生网上评教工作，部分的周六日还有工程硕士的教学预约。

1.1在教学实践中的应用

从现有的环境与能源学院基础化学实验中心的机房使用来看，机房的使用率较高，且涉及多个专业多个课程。通过与国外合作的远程英文教学以及中英文双语教学，可以看出全球网络教学对目前的公共教学机房需求会进一步提高。

1.1.1文献联机检索类课程

文献联机检索类课程占预约课程的25%～30%，其中包括化学化工文献检索，环境保护法规与文献使用等专门的文献检索类课程的上机实践，还有物理化学实验方法，近代物理化学实验技能等包括文献检索以及查询数据库检索类内容，研究生的文献选读类的课程也多数使用公共计算机房。

1.1.2利用软件进行虚拟操作和互动教学类的课程

此类课程的比例占到60%以上，其中包括仪器设备分析、化工原理、化学反应工程学、传递物理课程等，此类课程有一个重要的环节是互动学习功能，采用人机对话方式进行专题讨论学习。在与任课教师的沟通中发现，一般的多媒体教室只有一个大屏幕，针对某一细节的反复播放达不到良好的效果，而利用公共机房的主机广播功能，每名学生针对一个小屏幕，细节课题很容易的突出显示，教学效果好。

1.1.3网络教学的课程

如今网络教学已经成为非常流行的名词。“慕课”已经成为当今自主学习的重要方式之一。教育部及各大高校都在纷纷推进网络课程公开化，尤其精品课程的网上公开教学在推动中。以著名的Chemistry in Context-Applying Chemistry to Society（中译《化学与社会》）为例，这是一门针对非化学专业的普通化学课程教材，主要针对英语为母语的高中生和大一、大二的学生。我们让大三、大四学生和研究生对照中、英2个版本通过Mcgraw-Hill出版社的在线学习中心进行网络学习，发现中国学生最大的问题还是语言的障碍，尤其在脱离开教材的网络学习过程。目前以大多数中国学生的英语水平，需要借助教师辅助开展网络学习。除了课堂讲述外，应该至少按照讲授课时1:1配比网络学习辅导课时，若广泛开设此公开课对机房使用的需求还会持续增加。

另外，我校与美国德克萨斯农工大学化学系合作共同开设材料化学与生物化学2门英语和中英双语教学课程目前正处于教师互访和共同开课的阶段。其中德克萨斯农工大学提出共同分享网络教学资源，进行网络互动教学。除视频音频交互之外，还需要网络互动。目前除了两地时差问题，只能早晨和晚上同步开课外，网络的协议与CAI机房的支持正是目前所商讨的问题。

1.2在学生科研学习实践中的应用

目前各高校大型仪器设备的数量有限，需要分析测试和使用此类仪器设备的学生越来越多。如何解决这一供需矛盾，CAI实验室可以在这方面发挥一定的作用。

首先，将小程序在CAI实验室的平台上共享，可以利用此资源进行学生的入门培训。目前专业机群集中在专业实验室并且资源紧缺。如果完全将教学和科研使用放置在一个机群上面，势必造成计算资源的进一步紧张，系统维护的风险增加，尤其利用网络对教学资源开放过程会造成因网络安全漏洞造成的其他各种风险。而采用相对封闭的CAI实验室机群服务可以有效地避免外网的安全风险，也不用向软件公司支付高额的公共使用权限的购买费用。

其次，承担大型仪器设备非实际操作类培训提高大型仪器的利用率。通常价值十万元以上的仪器设备称为大型仪器设备，当然价值跨度很大（有些设备近千万），这类设备通常需要专人维护和操作。通常这类仪器在高校中同时承担科研和教学双重任务，机时非常紧张，运用仿真操作软件可以更直观地训练学生而不占用大型仪器设备。结果的数据处理与分析是每个使用者最关心的，将x射线衍射的数据处理软件及数据库演示版本放置在CAI实验室机群平台上，实验数据可以离线进行分析，大大降低占用机时，提高衍射仪的工作效率。

从当前的CAI实验室的机群辅助科研效果来看，其中流体计算、量子化学、分子反应动力学、热力学等计算软件放置在CAI实验室机群上，可以达到更高的使用效率，在小的范围内服务需要使用的人员，同时又避免了放置在大公共计算平台需要支付高昂的版权使用费用，也不用担心大型开放平台网络系统安全的维护问题。而将数据分析与处理软件在公共机房的机群共享，可以大大提高大型仪器设备的使用效率，无论在实验操作培训，还是在数据离线分析上都能大量缓解专业仪器机时紧张的矛盾。前文统计中长时间使用机房的研究生和高年级本科生就是利用机房机群处理他们的实验数据。

1.3在实验室管理中的应用

化学、化工、环境以及材料类实验室因为涉及大量的化学试剂，包括有毒有害、易制毒等化学试剂都需要严格管理，而所用的反应设备又涉及高温高压等专业仪器设备。学校的特点是人员流动性强，不断有学生毕业和新生加入。管理的制度建设和与制度相配套的管理措施和相应的仪器设备成为关键。

过去安全教育一直是课堂讲授和书面考核，而书面考核不够全面，且实验室的钥匙管理总会有疏漏。现在实现了实验室的电子门锁，与学校的一卡通相关联，彻底实现了一人一卡和初步实现了实验室门禁实时监控和全员管理。所有人员信息都通过机房机群纳入实验楼内的局域网管理。每个电子门锁都联网。门禁的开放，首先要通过计算机群的安全管理条例的学习和考核。通过全面的学习和考核后才能有权使用门禁系统。针对不同的安全级别，不同的实验室专业职能，根据不同人的需要开启不同实验室的进入许可。人刷卡进入实验室时，系统会有记录。与实验室内外的监控摄像配合，可以掌握所有实验室人员进出现场。这为实验室安全人员值守管理转变为系统实时监控管理，对于事故隐患的预警和事故责任认定都有重要帮助。

实验室另一管理问题是数据与计算机系统的安全问题。如何做到重要系统的病毒隔离和数据的安全传输一直是实验室管理的重点。尤其是专用计算机，诸如运算机群，专业设备配备的计算机等。限制使用一直是过去传统的处理方案。专人使用这些专用计算机，数据输出拷贝只能刻录光盘。光盘的一次性使用也是一种资源的浪费。在公共机群的平台上采用有权限的FTP协议传输结果数据，或者采用特定账户权限管理单向向用户传输数据和实验结果报告。这个实验数据的交互平台，可以为全面管理大型仪器设备，分析任务的分配与分析结果汇总提供良好的服务。

在现代化学化工类实验室中，安全培训与管理和数据高效安全的处理与传输是重要的问题，而目前基于局域网络的公共机房机群系统在支持这两方面功能中扮演重要角色。

2　结束语

在当今计算机高速发展，巨型计算如“云计算”系统飞速发展，而网络智能手机、平板电脑技术日新月异时代。处于中间状态的CAI实验室机群平台与实验室何去何从？从校环境与能源工程学院的基础化学实验中心的CAI实验室的应用实践中可以看到无论在实践教学环节，科研的辅助环节还是实验室现代管理环节都扮演重要角色。如何摆脱现在专业教学机房利用率不高的尴尬局面，需要使用者和管理者从更深层的角度考虑。从上述的实践可以看出这类多功能化的教学机房不仅不能淘汰可能更需进一步发展，更需要投入人力和物力将这个公共平台的功能不断延伸，为教学、科研和管理更好的服务。

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［4］ 郭桂银，吕忠林，陈智，查珍.计算机实验教学改革的几点实践［J］.实验技术与管理，2001，5（18）:110-113.

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Practice and Management of CAI Laboratory for Teaching and Scientific Research in University

Zhu Yongwei， Liu Shuzhen， Zhang Yu， Chen Yongbao， Zi Xuehong， Li Fan， Wang Zhan
Beijing University of Technology， Beijing， 100124， China

It is becoming an important issue practice teaching and state-owned assets management research that non-computer professional CAI Laboratory should be retained or not in college， With the popularity of computer and network technology. The CAI Laboratory of the basic chemistry experiment laboratory center belongs to college of environmental and energy engineering in our university as one example，present paper elaborated that CAI laboratory plays an important role in practice teaching， senior undergraduate and graduate research，laboratory safety training and management， during the popularity of computer network technology era. Now the CAI Laboratory has become the data exchange， training， management and resource sharing platform. From a practical viewpoint， CAI experimental feature requires continuous upgrade.

CAI； teaching； scientific research； management

2014-04-09

祝永卫，硕士，工程师。

北京工业大学教育教学研究项目资助：物理化学创新性实践教学平台的研究与构建（编号：ER2013C18）。