以三个“泛在”理念构建开放式管理基础课实验教学平台

张少翃，卢少然，陈建军，戚 杰

(1.华南农业大学 公共基础课实验教学中心，广州 510642; 2.广州诺星信息技术有限公司，广州 510642)

0 引 言

高校实验室资源的开放程度直接关系到实验教学资源使用效率和人才培养质量，如何借助新技术提高实验室开放质量一直是高校研究的课题之一。近年来随着“互联网+”的技术发展和成熟，国内不少高校加大投资，建设智能化管理实验室，特别是一些重点高校依托科研项目，率先构建了智慧化实验室管理体系，提高了实验室共享和管理水平，起到了很好的示范效应[1-2]。“互联网+”技术的进步和普及为构建更加有效的开放式管理公共基础课实验教学平台提供了新途径，即通过多实验室、多设备的物联，多用户、多角色的人联，多数据、多资源的信息联，不仅可以实现实验室的智能化、安全化、可视化管理，还可以为广大师生提供一个智能感知的实验环境和信息共享平台，使实验室的管控便捷、安全，提高实验室开放效率和教学质量[3-8]。

1 构建智能化管理实验教学平台背景

公共基础课实验教学平台规模大，建筑面积15 386 m2，实验用房178间；涉面广，公共基础课实验教学中心(以下简称中心)直接服务22个学院，95个本科专业；承担100多门、800多项实验实训课程，年均完成实验教学120万人时数；同时也是大学生课外创新活动的实验平台。2009年利用ASP技术，中心创建了面向全校本科生的实验室开放预约管理系统电脑版。随着智能手机的普及，移动学习的便利性越来越凸显出来。2013年开发了基于Android手机的实验室开放管理系统，学生可以利用手机预约使用实验室[9]；但iPhone手机预约和大规模远程集中控制及远程辅导智能化管理功能欠缺，实验室开放安全管理问题也存在一定隐患。2015年学校以高水平大学建设为契机，利用创新强校工程项目，中心新增计算机云平台服务实验室、实验自动录播室、虚拟仿真植物实验室和管理训练技能模拟室等。如何充分利用中心实验教学资源，做好实验室开放工作，更好满足学生实践能力和创新能力培养的需要一直是我们探索的目标。

经过3年多实践，采用互联网+物联网，融合现代教育技术，建设智能化管理平台是实现目标的捷径。“互联网+”智慧实验教学平台解决了实验教学中教师、学生、实验资源等因素的时空限制，使学校的基础课实验教学资源充分发挥效益，提供课前、课中、课后信息化辅助教学手段，传统实验教学向线上、线下混合教学转变。同时学生课后可以开展实验技能培训；可以根据自己的兴趣爱好开展自主实验、模拟仿真训练，探索已知世界和未知世界，克服实践教学在人才培养质量方面存在的“短板效应”，提升本科人才培养质量，为高校多样化人才培养提供较好的实验条件支撑。

2 智能化实验教学平台建设

按照“统一管理、优化配置、资源共享、对外开放”原则，以提高实践教学质量为抓手，依据学生自主发展的规律和技能形成的特点，按照“统筹规划、分类建设、集成功能”思路，构建智能化实验教学管理平台。通过“互联网+”与实验教学资源的有机融合，实现远程管控、智能预约、远程互动、网上学习与评价等功能，推进实验课的混合教学，有效地解决学生、教师、实验资源等因素时空限制。

2.1 突出三个“泛在”的建设理念

高校的首要任务是育人，实验室是培养学生观察能力、实践能力和创新能力的主要场地。传统的实验室管理由于受管理人员工作时间和管理方法的限制，难以为学生课余时间随时使用提供便利。为使实验室全方位用于人才培养，中心树立“做中学”的实践育人观念，强化基本技能训练，中心领导牵头，实验室管理员与中标公司技术人员一起研发 “互联网+”实验教学平台。

(1)远程控制，实现管理“泛在”。根据高校教学实验室的管理要求，通过信息技术和自动化控制手段，实现门禁管理、进出实验室人员的身份识别、进出记录数据采集、统计和查询；打通门禁授权与开放预约的联系；通过构建物联网检测实验室状态，实现远程巡查、远程控制实验室等，使实验室的管理更加科学化、规范化和开放化。实现了全天候、全地域、多角色同时可对实验室进行实时管控，及时掌握实验室情况，实现管理的“泛在”，确保实验室安全。

(2)线上线下，实现学习“泛在”。传统的实验教学，学生到实验室才见到设备、到实验室才能进行操作，实验过程难以跟踪记录。“互联网+”实验教学平台可以使学生课前通过实验视频学习平台进行预习、在虚拟实验室进行模拟操作；课中能够把实验过程录下来；课后在网上复习、完成实验报告；形成多样化、片段式的线上线下相结合的学习模式。学生用手持电脑、手机、Pad等移动终端随时接入教学平台进行学习，实现学习“泛在”。

(3)远程辅导，实现指导老师“泛在”。学生在自主做探究实验过程中，离不开老师的指导。为使学生在实验室中随时能获得老师的辅导，“互联网+”实验教学平台通过交互式录播实验室的高清录播系统+互动交互终端、视频互动服务控制中心的MCU服务器、集控管理平台，实现与远端老师在线音视频互动。在交互式实验室，教师和学生可以用手机、PAD、手提电脑等移动设备通过互动系统接入教学平台，学生在独立做实验时遇到问题可以把现场实验情况传给老师，老师能够进行远程指导，实现指导老师“泛在”。

2.2 主要管理框架及技术手段

公共基础课实验教学中心运用“互联网+”新技术，对原来人工、机械管理的实验室进行智能化改造，实现实验室的网络化、智能化、可视化和远程控制。应用物联网KNX技术标准，通过总线控制将数学、物理、化学、植物学、植物生理、生物化学、遗传学、计算机基础、制图室、语言室、画室、管理技能训练室等12类教学实验室分散的实验台、照明、空调、仪器设备连接起来；利用数字化视频监控，选择带音频拾取和传输的系统，达成实验室实时远程观看的要求。采用基于以太网工作模式的网络化IC卡门禁系统并进行二次开发，利用射频识别(RFID)和自主开发管理软件，实现实验室的开放管理、进出身份识别和记录智能化(见图1)。

自主研发的实验室智能管理系统，涵盖教学管理、开放预约、远程指导、录播回放、安全监控等功能。通过传感器和控制器的运用、以及智能化实验室管理系统软件的开发等，完成门禁、监控、电源、设备等孤立前端的智能化管理(见图2)。

图2 智能化管理系统的功能框图

2.3 构建信息化辅助教学体系

随着无线校园网的建设和完善，在校园里的WiFi覆盖范围不断增大；移动终端和智能手机使用普及、以及通信流量降费提速，使移动学习成为可能。利用移动学习的便利性进行实验教学，是当前实验教学改革的热点。在教育部“以本为本，四个回归”教育思想的推动下，学生重视学习、自主学习的学风必将提升，为适应学生提高实践能力、开展研究创新的学习需要，构建“线上”学习平台。

(1)将实验教学资源信息化。为了让实验信息可在网络上传递，之前，许多高校在设备操作流程、图片、flash动画等方面做了不少信息化工作和探讨，现阶段，4G通信已经可以流畅传递影片，即将到来的5G通信速度更快，因此，把实验操作变成视频课件是实验教学资源信息化的重点。简单的实验操作使用DV、手机等视频录制设备便可以实现实验操作音视频的灵活录制。如要获得高质量图像和声音的实验操作课件，则需要建设专业的录播室。跟一般教室的录播不同，实验录播重点在于录制实验台上的操作。根据实际需要，在实验台上方和右后方设置高清摄像枪，配合定位仪和控制模式，达到看清台面仪表的刻度的实验录播要求，与数码摄像机、手机拍摄构成高低搭配的视频转化环境。同时，通过各级教改课题鼓励教师制作具有特色的教学示范视频课件。

(2)建设虚拟仿真实验室。借鉴电子游戏的开发技术，把实验操作搬到屏幕上，建设沉浸式的虚拟仿真实验室[10-13]。将实验过程长(如水稻的生长过程)，不容易观察得到现象(如细胞分裂、电镜观察)，有危险(如有毒有害、爆炸)的实验，制作成虚拟仿真实验项目，学生通过校园网登录虚拟仿真实验室，进行模拟实验。

(3)建设网上学习系统。实验教学资源管理、学生登录、视频预习、实验虚拟操作等，也需要有一套管理系统。我校通过自制加购买“实验视频管理”软件方式，快速实现网上学习系统建设，在校园网部署Web服务器提供管理服务。Web服务器可以采用3种形式：① 独立建设服务器室；② 选择云服务器；③ 安装在学校的网络中心机房。利用网上学习系统，教师能够把实验视频导入学习平台并管理实验视频，学生登录系统进行学习(见图3)。

图3 实验教学视频学习平台

2.4 推进实验教学形式的改革

客观评价学生的学习成绩，可以引导学生树立正确的学习方法和态度、促进教学改革。由于实验教学重在培育学生实验操作、研究创新能力，因此，基于预习、课堂表现、实验报告、开放性创新性实验等的形成性评价，适合对学生的实验能力进行综合评分。学校基于混合式学习和形成性评价的理论，以能力训练为导向，根据管理训练教学大纲的要求，定制开发了“管理训练课程学习评价系统”。实现单一课程多老师、多模块、多环节的评价比重设定，学习效果评分和课程成绩合成。以管理通识训练课及其学习过程为对象，探索利用线上教学的优点，实现更高水平的“教、学、做、评”一体化实验教学。用大数据技术的数据挖掘功能，能获得教学效果分析结果，对实验课程设置与改革，教学方法的改进和创新具有指导意义。

3 特色成效

3.1 提升管理水平和办学效益

“互联网+”实验教学平台通过物联网实现远程控制，根据课表和实验室预约使用情况，对实验室的门禁、电源、空调、设备的开/关进行多种控制模式的设置和控制。实现各实验室电源的智能化控制，减少实验室管理人员的简单重复劳动，节省电能，让实验室工作人员把精力投入到研究更高水平的管理中去，优化实验教学管理流程。

依托“互联网+”实验教学平台，中心领导和实验室人员能通过电脑或移动终端巡查门禁、照明、空调、设备的工作状态，随时记录和保存实验室使用的音、视频，及时掌握实验室设备运行状况及学生的实验过程，确保实验室安全，特别在处理突发事件中起到重要作用。如2018年9月16日，强台风“山竹”吹袭广州，在狂风暴雨和黑夜中，中心领导和实验室管理人员依然能够巡视实验室并进行远程操作，未发生任何事故(见图4)。

图4 远程巡视和控制实验室

中心现有实验室管理人员32人，依托智能化实验教学平台，以占全校本科生实验费的20%经费，完成了全校本科生实验总学时的40%实验教学任务，同时承接大量社会服务培训任务，办学效益明显。

3.2 提高了实验教学资源开放共享的“质和量”

“互联网+”实验教学平台形成线上实验视频、虚拟仿真、网上作业，线下实验的多样化、片段式的实验教学新体系，改变原来枯燥、难懂的对着课本预习的形式，取而代之的是直观、生动的视频和动画，再加上即时显示当前学习成绩，使学生方便学习、认真学习、乐于学习，提高了实验室开放质量。中心的教师通过主持教改项目及各类科研项目，引导学生加入课题研究；2015～2018年，中心承担各级大学生科技创新创业训练项目68项，其中国家级6项，省级23项。全方位开放以来，学生依托中心发表研究论文39篇，其中SCI、EI收录的科研论文8篇。获得各类科技竞赛奖42项，其中国家级3项、省级32项。

“互联网+”实验教学平台的智能化预约模块，使学生能通过互联网了解实验室的使用情况，预约空闲实验室的使用时间，管理人员网上完成预约审核；到了预约时间，学生持校园卡刷卡进入实验室进行自主实验；预约期满，实验室使用权自动回收。通过实现网上预约与门禁授权的联动，突破远程实验辅导技术难点，构建安全管理科学、开放共享便利、培养学生自主创新能力的实验教学新平台。解决了老师下班后的实验室开放问题，达到全天候开放的目的。3年来中心接待了90多万人次，开放实验项目520项。

3.3 实验远程辅导取得应用突破

中心构建了基于校园网网络环境和硬件MCU(Multi Control Unit，多点控制单元)的“远程互动实验系统”，分布在植物、植物生理、生物化学、遗传学、化学、物理、管理通识训练等13间实验室，具备全自动实验跟踪录播和远程互动功能，为名师的实验教学提供不受地域限制的观摩环境，为学生自主实验提供远程辅导；学生在实验室能与远端的老师在线进行音视频互动，依托互联网，能够实现跨实验室、跨班级、跨校区、跨区域的互动教学和辅导(见图5)。

图5 实验远程辅导系统示意图

4 结 语

中心为提高实验教学质量，把物联网技术应用于实验室管理，从实验室管控、实验视频资源、虚拟仿真、学习评价方法、实验教学等维度，构建课前、课中、课后的信息化辅助教学体系，促进教学实验室管理水平的提高，受益学生人数众多。开放式管理智能化实验教学平台建成后，国内有12所高校的同行到中心考察交流，得到兄弟院校同行的认可。随着物联网、大数据、人工智能的发展，新一代信息技术将助推我国数字化教育的全面转型，高校实验室管理趋势将从人管、电控走向智慧化管、自动化控，智慧实验室的应用会得到进一步深化[14-16]。探讨高校智慧实验室应用的发展方向，规范互联网+智能化条件下的新技术在实验室管理的应用，将推动高校实验室开放管理工作再上一个新的台阶。