开放性综合实验教学系统构建研究

王前 段雨爱 左霞

摘 要：本文介绍了首都师范大学化学系实验教学中心为解决开放性综合实验教学改革中出现的管理问题，设计开发的基于Google Web Toolkit （GWT）和MongoDB数据库、使用Java开发的开放性综合实验教学系统。概述了本教学系统的功能设计、系统流程、系统特点等内容。实践证明：该系统大大提高了开发性综合实验教学的管理效率，方便了学生自主学习，提高了实验室及仪器的开放使用率。

关键词：开放性实验；选课系统；Google Web Toolkit；MongoDB

中图分类号：TP315 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）01-0087-03

为适应新形势下本科生教育要求，提高高等教育质量，高校普遍开始探索建立学生自主学习模式，促进科研与教学互动，把科研成果转化为教学内容，实验室、研究基地等向学生开放。结合学分制，采用开放性的实验教学模式。[1]-[3]具体实施中，根据学生培养方案，结合教师自身科研内容，开设大量综合性实验项目，学生可根据自身学习兴趣自主选择实验项目。开放性实验教学打破了原先固定化的教学方式，给学生以自主学习的空间。教师将科研内容转化为教学内容，可以加深学生对专业学科领域的认识。同时，将实验室对学生开放，提高实验室及仪器设备利用率。

开放性实验教学，涉及到的任课教师数量较多，实验项目种类繁多，学生选择自由度大，实验项目实施的自由度较大，且涉及到实验室及大型仪器的开放预约管理问题，依靠人工管理困难较大。因此，需要利用信息化手段解决开放性实验教学的管理问题。

本文介绍一种基于Google Web Toolkit（GWT）工具和MongoDB数据库、使用Java开发的开放性综合实验教学系统。该系统基于B/S架构，使用者可以使用浏览器进行登录操作。该系统根据首都师范大学化学系综合实验课程特点定制，可以有效地满足开放性综合实验教学的需求，大大减轻了开放性实验教学课程安排及实验室开放管理的工作量。

一、系统总体设计

本系统采用B/S三层结构体系，在Linux环境下，以MongoDB为后台数据库，使用GWT工具包，构建了界面友好，可操作性强的开放性实验选课系统。

结构中，基于GWT工具包，使用Java编程语言编写AJAX前端，然后GWT将Java代码编译到优化的JavaScript 中，这样制作的浏览器前段界面可兼容目前所有主流的浏览器，如IE、Chrome、Firefox等；后端功能模块化，各模块间相对独立，为今后继续扩展该系统奠定了基础；数据库采用非关系型MongoDB，与传统的关系型数据库，如SQL、Oracle、Microsoft Access等相比，操作简单，对于大数量级、高并发、弱事务的应用，MongoDB可以应对自如。由于教学系统中本身存在大量的读取操作，使用MongoDB可以更加快速地实现数据读取，提高系统效率。

1.系统功能设计

该开放性综合实验教学系统面向开设综合实验课程的学生、实验教学教师、课程负责教师以及实验中心管理人员使用。本系统由选课子系统、教学子系统、实验室管理子系统三部分组成。系统用户分为三种：课程负责人、实验教学教师和学生。通过选课子系统，课程负责人进行实验项目管理、课程参数设置以及实验课程发布；实验教学教师进行实验项目发布、项目容纳人数设置、项目开设时间设置；学生可以进行实验信息查询、实验项目预约以及已选课表查询等操作。通过教学子系统，实验教学教师进行教学资源维护以及实验成绩发布；课程负责人进行实验成绩统计以及评教结果统计；学生可以进行实验数据上传、实验成绩查询以及教学效果评价等操作。通过实验室管理子系统，学生可以进行实验室开放申请、仪器开放申请；实验教师进行实验室开放管理、仪器开放管理；课程负责人进行实验室开放统计以及仪器开放使用统计。其功能设计如图1所示。

2.系统流程

基于以上功能，开放性实验选课系统的流程框架如图2所示。

首先，由课程负责教师设置综合实验课程参数，包括限选专业及实验开设周次，如图3所示。

实验教学教师根据要求提交具体实验项目，同时，提交实验讲义、预做实验数据等。课程负责教师审核后选择适合本课程的实验项目，分类组合为一门综合实验课程。课程负责教师只负责该课程的总体安排，具体实验项目的管理由实验教学教师负责。实验教学教师的职责分为两种：一是教学；二是管理。教学方面：负责实验项目的维护，包括各类教学资源，如讲义、参考资料等；管理方面：包括实验室开放管理和仪器开放管理，学生可在课程时间内预约实验室做实验以及使用实验仪器，实验教学教师对实验室和仪器的开放使用进行管理。学生使用该系统，实现三个主要功能：选课、预约以及评价。

3.实验课排课设计

采用分组循环的教学方式，每个实验项目在三周内完成。课程总时长9周，学生可选择3个实验项目学习，1～3周完成一个项目，4～6周完成一个项目，7～9周完成一个项目。相应的，每个实验项目理论上也可以循环三次。

在项目设置上，为学生提供多种实验项目供选择，相同的实验项目不能重复选择。此外，内容相近的实验项目，由课程负责教师设置为相同类别，也不能一起选择。此外，针对一些特殊情况，比如，有些实验项目可能不能连续开设三次，可以在课程设置中选择该项目可以开设的周次。

二、系统特点

1.实验项目的全面性与学生自主选择的统一

教师根据学生培养方案及自身科研内容，制定实验项目内容，内容覆盖多个研究领域，项目数目较多。学生可根据自身学习情况，选择其中几个实验项目。在系统设置上，由课程负责教师设置部分内容相近的实验项目互斥，引导学生选择不同方向的实验项目。

2.实验课程二级负责制度

课程负责教师只负责实验课程的总体设置以及实验项目的选择及分类。具体实验项目由各任课老师负责，包括实验项目简介、开设地点、使用仪器和试剂、实验讲义和参考资料等。充分体现教师对实验项目的自主控制。

3.智能排课系统

开放性综合实验课程与传统课程不同，课程的变动性较大。相应的智能选课系统方便了开放性实验课程的课程安排，提高了教师的参与积极性

4.实验开放性

由于综合实验涉及多个学科内容、步骤较多，学生可能一次实验不能取得理想的实验结果。综合实验课程在设置时充分考虑学生自主实验的需求，系统中设置了实验室开放预约及仪器开放预约的功能，学生可以在实验项目周期内，网上预约实验室做实验，若涉及到一些大型仪器的使用，可以预约使用。极大地方便了学生自主学习和探究，并且提高了实验教学中心仪器的使用率。

5.数据统计功能方便管理

通过系统可以自动统计出所开设实验项目的选课率，每个实验项目的参与人数，实验室开放使用率、仪器开放使用率以及学生成绩、学生对教学的评价等。

三、结论

基于GWT使用Java 语言开发的开放性综合实验教学系统，以MongoDB为后台数据库，该系统基于B/S架构，使用者可以使用浏览器进行登陆操作。该系统可以有效地解决开放性综合实验课程中的选课、实验室开放以及教学管理等难题。方便学生自主学习、教师专注实验教学以及实验室高效管理。

参考文献：

[1]洪军，胡建业，王福梅.基于创新型人才培养的开放性实验教学在生物专业的实践[J].实验室科学，2013（1）： 71-73.

[2]殷树娟.面向应用型人才的开放性实验教学的改革与探索[J].实验技术与管理，2013（8）： 145-147.

[3]俞远志，张立庆，傅晓航.开放性实验教学模式的实践与思考[J].实验室研究与探索，2012（3）： 153-155.

（编辑：杨馥红）