基于虚实融合的智能实验室开放管理系统

唐朝晖， 吴元喜

(华中科技大学 国家级生命科学与技术虚拟仿真实验教学中心， 湖北 武汉 430074)

基于虚实融合的智能实验室开放管理系统

唐朝晖， 吴元喜

(华中科技大学 国家级生命科学与技术虚拟仿真实验教学中心， 湖北 武汉 430074)

针对实验教学模式中的人员、器材、过程等管理问题，设计了智能实验室开放管理系统。该系统以虚实融合学习为核心，以微信、网站、APP为互动信息平台，以手机、计算机、平板等多终端为载体，结构科学严谨，使用便捷高效，在虚实融合开放实验教学实践中取得了良好的应用效果。

实验室开放管理； 虚实融合； 开放式实验教学

2012年教育部发布的《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》明确指出，“要为每一名学习者提供个性化学习的信息化环境和服务”[1]。信息化背景下的个性化人才培养已经成为未来教育发展的主要方向，而基于虚实融合的开放式实验教学模式倡导以学生为主体，以充分发展学生能力为目的，为学生个性化培养提供了良好的教育示范[2-3]。

20世纪60年代初，美国率先提出了“开放实验”的概念，国内也从上世纪80年代提出并提倡进行开放式实验教学模式的实践与推广[4]。然而，如何在保障安全的前提下提高实验室资源的利用率，将实验时间、资源、空间、内容等对学生全面开放？尤其是生物学实验，内容更新快、周期长、原理复杂、试剂昂贵、不安全因素较多等在一定程度上阻碍了开放式实验教学的全面实施。随着互联网技术、移动终端设备的发展，为构建实验室全开放的信息化管理体系，促进开放式实验教学的开展提供了有力的技术支持。

近年来，迅速发展的虚拟仿真实验技术也为开放式实验教学创造了良好的条件[5]。我校生命科学与技术学院实验教学中心自2008年起就开始在生物学及生物医学工程、生物物理等交叉学科领域进行虚拟实验技术的研究[6]。2014年获批国家级虚拟仿真实验教学中心(以下简称“中心”)，中心在虚拟实验教学资源的建设、虚拟仿真平台构建等方面积累了丰富的资源与经验，已初步形成以“理工医交叉、产学研一体”为特色、虚实融合的实验教学体系[7-8]。

本文就以虚实融合的开放式实验教学为基础而构建的智能实验室开放管理系统及实践作一概述，旨在能够全方位支撑研究型大学拔尖创新人才的培养。

1 开放式实验教学面临的主要问题

教学管理主要指管理者通过一定的管理手段，使教学活动达到人才培养目标的过程，是正常教学秩序的保证[9-10]。由于开放式实验教学具有实验人员、时间、内容等多方面的不确定性，给实验教学管理带来了较多问题[11-12]，在生物学实验教学中主要表现为以下几个方面：

(1) 器材管理：如何在学生进行实体开放实验前收集、整理学生对实验器材的个性化需求，如何根据具体实验人员、时间、内容等安排对实验试剂、耗材、设备等进行及时调配及准备，如何保证学生能够安全、规范地进行试剂配制、仪器使用，实验过程中各类实验器材的损坏、增补等如何得到及时反馈等。

(2) 人员管理：如何确定实体开放实验的学生名单及其实验时间、实验内容，如何在实验指导教师与学生之间建立及时、有效、一一对应的互动，以使学生在实验过程中能够得到教师及时的指导与评价等。

(3) 过程管理：如何保障学生在实体实验过程中的安全，如何培养与督促学生在实验过程中养成良好的基本实验素养，如何对学生实验过程进行考核，如何对实验结果进行形成性评价等。

上述教学管理问题表明，构建一个高效运行、方便实用的开放实验教学管理体系非常有必要。总结了多年开放实验教学经验，从开放实验教学的各个环节入手，以安全、高效、及时、方便为原则，使用网站、微信、APP等信息交流平台，以手机、计算机、平板等多终端为应用载体，以虚实融合学习为核心，设计了智能实验室开放管理系统，在实践应用中取得了良好的效果。

2 智能实验室开放管理系统的组成及功能

智能实验室开放管理系统主要由系统管理模块、教师课堂管理模块、学生学习管理模块、师生互动模块和虚实融合学习模块5个部分构成，其结构及相互关系见图1。

图1 智能实验室开放管理系统基本构架

2.1 系统管理模块

该模块包括用户管理系统、实验器材采购系统、实验预约系统等部分，是对实验教学中心用户、设备、耗材等的综合管理模块，也是协调其他模块之间互动的主要部分。

(1) 用户管理系统包括学生用户、实验教师用户、教辅教师用户及其他管理员用户，用户模块主要用于对各类各级用户进行授权、编辑等管理，确保用户之间、用户与系统之间的有效衔接。

(2) 实验器材采购系统是对中心设备及耗材的使用、购买、库存等的动态管理，教师用户可以查看库存情况，提出购买或使用申请，其中试剂按照国家危险化学品管理标准进行分级，对使用者规定了权限。大型设备或易出危险的设备使用申请者，必须有培训或虚拟操作经验方可通过设备的预约申请。

(3) 实验预约系统可以让学生有条件地预约开放实验所需的实验室、实验桌、实验主要设备等。这里的条件是指教师布置的预习任务，包括文献阅读、预习报告、课题实验方案、虚拟实验项目等。

2.2 教师课堂管理模块

该模块包括教师所授实验课堂各类信息管理，实验室远程监控与管理、远程电源监控系统、实验器材订购、使用授权管理系统等，便于实验教师在开放式实验教学中，通过网络对实验台、实验材料、实验仪器等使用进行授权，并能够实时远程动态掌握学生的实验、虚拟实验等各个环节的完成情况，并在异常情况下，及时采取停电等措施，消除安全隐患，保障人员和设备安全。

2.3 学生学习管理模块

该模块包括学生的实验课程、实验项目、实验成绩、实验报告、教师对实验过程的反馈等各类个性化学习信息以及与实验预约系统、师生互动系统、安全系统、虚拟实验系统等各类学习资源的链接。

2.4 师生互动模块

基于微信平台的师生互动平台，可以让师生之间交流更加及时有效，既可以随时进行实验课程、材料设备使用等各类信息与技术的交流，也可以及时推送相关实验的参考文献、虚拟实验资源、预习作业、实验报告等实验相关各类资料。

2.5 虚实融合学习系统

该系统包括虚拟实验学习、实体实验辅助等，是整个系统的核心部分。学生通过网络共享的碎片化虚拟实验项目的学习，可以熟悉开放实验的各个环节或开展实验设计，做好实验前的充分准备；通过设备使用学习系统、试剂使用说明等自主学习辅助工具，学生可以在虚拟实验的基础上，及时得到实体实验必备的相关信息及帮助，顺利开展自主实体实验，真正做到虚实融合。

3 智能实验室开放管理系统实践案例

我校“生物科学大实验”“生物技术大实验”“生化与分子生物学综合实验”等综合实验课程学时数多、实验项目综合性和设计性强，有的直接从科研项目转化而来，学生是具有一定实验基础的大学三年级学生，因此开放式实验教学模式一直是我校采取的一种主要的教学形式。此外实验教学中心还承担了学院本科生包括iGEM、BioMod在内的各级各类学科竞赛辅导、大学生创新创业的部分项目等，这些对实验室的开放管理提出了较高的要求。

围绕智能实验室开放管理系统，通过虚拟资源使用，激发学生学习兴趣，强化实验基础技能；通过学生在线学习考核、虚拟仿真操作与评价以及师生互动，了解学生实验情况，落实实验各个环节；通过网络化智能管理系统，提高过程管理效率，保障学生实验安全；通过形成性评价体系，促进教学目标达成，提高学生综合素质。

3.1 实践案例

图2以学生开展一个虚实融合的开放综合实验项目的过程为主线，具体描绘了智能实验室开放管理系统各个组成部分在学生实验的各个环节上如何发挥管理与服务功能的。

图2 开放管理系统在虚实融合实验教学中的应用

图2中的实线长方框为智能实验室开放管理系统的组成部分，虚线长方框为学生实验活动，菱形框为教师/系统对学生相关行为/信息的判断部分。

3.2 系统特点

在学生与教师频繁互动的教学活动中，智能实验室开放管理系统在时间、空间、质量、安全、评价等方面体现了下述特点：

(1) 以学生为主体，体现教学服务理念。网络共享虚拟实验资源、通过二维码或APP即可查询的设备及试剂使用说明等为学生开展综合性、创新型实验提供了便利，使学生更加专注于创新实践活动内容。

(2) 以网络为载体，使教学资源、实验资源信息推送等各类信息可以在手机、计算机、平板等终端上自由使用，使管理高效、便捷。

(3) 针对实验课堂教学设计的微信交流平台，保障师生间的即时互动、信息及时推送。

(4) 每个学生一个实验桌、一个实验时间段，使实验教学过程的管理与评价更科学，有利于教师对学生进行个性化指导与管理。

(5) 设备使用状态监控等预警及阻止环节的设置，进实验室前的师生安全考试等为开放实验过程提供了安全保障。实验室责任人可以远程管理实验室，处理应急事故，避免事故的发生和扩大。

(6) 通过远程监控学生的实验情况，使教师可以随时监督及控制开放实验活动的各个环节，提高了教学效率。

3.3 应用成效

随着智能实验室开放管理系统的运行与完善，开放式实验教学也逐渐被教师所接受。目前，实验教学中心已经有一半以上的专业实验课或基础实验课的部分实验项目采用了开放实验教学，相对于几年前的2～3门开放课程，数量得到很大提高。

新的实验教学模式也带来了良好的教学效果：从学生方面看，学生整体实验设计能力、独立操作能力、表达及与人沟通能力等有所提高，在近几年国际、国内各个级别的学科竞赛中取得了优异的成绩，如在iGEM国际遗传工程机械设计大赛中，我校团队2014年获国际银奖，2015年和2016年获国际金奖；在BIOMOD国际生物分子设计大赛中，我校团队2015年获国际金奖，2014年和2016年获国际银奖；在省级大学生生物实验技能竞赛中，我校学生2014年获4个一等奖，2016年获3个一等奖和2个二等奖；另外还有100多人参与大学生创新创业项目，发表了20多篇研究性论文。从教师方面看，学生水平的提高及开放实验的实施对教师提出了新的、更高的要求，促使实验指导教师不断提高自身的教学水平，积极参加教学改革及专业研究。近年来，在教学研究、教学竞赛、课题研究等多方面获得了多项奖励，如中心获得3个省级教学研究项目，1个教学研究项目获校级教学成果特等奖，1人在学校教学竞赛中获一等奖，发表教学研究论文20多篇。

4 结语

信息化背景下的基于虚实融合的开放式实验教学更加注重学生个性化发展及教师多样化指导，这对教学管理提出了较高的要求。针对目前开放式实验教学实践中遇到的管理方面的问题，设计了以虚实融合学习为核心，以微信、网站、APP等为互动信息平台，以手机、计算机、平板等多终端为载体的智能实验室开放管理系统，该系统对开放实验教学中器材、人员、过程等方面进行科学高效的管理，在实验教学中既调动了学生学习的主动性、积极性，也提高了教师的实验教学与指导水平，取得了良好的应用效果。

References)

[1] 教育部. 教育信息化十年发展规划(2011—2020年)[EB/OL].(2012-03-30). http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201203/t20120313_133322.html.

[2] 刘妍, 顾小清, 顾晓莉, 等. 教育系统变革与以学习者为中心的教育范式：再访国际教学设计专家瑞格鲁斯教授[J]. 现代远程教育研究，2017(1):13-20.

[3] 邝溯琼, 杨定新, 陶利民. 构建开放式实验教学模式培养创新型人才[J].高等教育研究学报，2012，35(3)：100-101.

[4] 吕小兰, 戴延凤, 胡满根, 等. 学分制开放式实验教学模式的探讨[J].实验室研究与探索，2012, 31(8):121-124.

[5] 王卫国, 胡今鸿, 刘宏. 国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34(5)：214-219.

[6] 杨炎涛, 张婷, 宋琦, 等. 基于Virtools的虚拟实验系统构建[J].实验技术与管理, 2008, 25(9):92-95.

[7] 刘亚丰, 吴元喜, 苏莉, 等. 生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的构建[J].实验技术与管理, 2015, 32(9):120-123.

[8] 刘亚丰, 苏莉, 吴元喜, 等. 虚拟仿真教学资源开放共享策略探索[J].实验技术与管理, 2016, 33(12):137-141.

[9] 杜芳芳.当代学校教学管理的观念更新与策略转换[J].教育发展研究，2014(24)：80-84.

[10] 马克·汉森. 教育管理与组织行为[M].冯大鸣,译.上海：上海教育出版社，1993.

[11] 张运楚, 姜爱民, 徐红东, 等. 高校实验教学中创新教育现状与对策[J].实验室研究与探索, 2016, 35(2):224-227.

[12] 刘潮, 韩利红, 卯霞. 高校开放式实验教学实施过程中的问题及对策[J].高校实验室工作研究，2013(4)：90-92.

Open management system for intelligent laboratory based on virtual-actual integration

Tang Zhaohui, Wu Yuanxi

(National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Life Sciences and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In view of the management problems about personnel, equipment, process, etc., in the experimental teaching mode, the open management system for the intelligent laboratory is designed. This system takes the virtual-actual integrated learning as a core, the WeChat, the website and APP as the interactive information platform, and the terminals such as mobile phones, computers, tablets, etc., as a carrier, its structure is scientific and rigorous, and its utilization is convenient and efficient. The good application effect is achieved in the practice of the virtual-actual integrated open experimental teaching.

laboratory open management; virtual-actual integration; open experimental teaching

G642.0

A

1002-4956(2017)10-0226-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.056

2017-04-09修改日期2017-06-02

国家自然科学基金面上项目(31571303)；湖北省高等学校省级教学研究项目(13067)

唐朝晖(1968—)，女，江苏镇江，博士，高级工程师，研究方向为人类遗传学及实验教学.

E-mail：zh_tang@hust.edu.cn