新型网络化信息化开放式实验室建设与运行模式实践

曾 浩，谢礼莹，韩 术，颜 芳

实验室建设与管理

新型网络化信息化开放式实验室建设与运行模式实践

曾 浩，谢礼莹，韩 术，颜 芳

（重庆大学 微电子与通信工程学院，重庆 400044）

通过网络化信息化实验室基础设施建设，不仅可以实现实验室资源的自由开放，帮助学生完成各种创新训练项目，而且可以进行教学资源网络共享建设，发展线上线下混合式教学模式，提高实验教学的质量。该文以重庆大学国家级电工电子教学示范中心实验室建设为例，系统介绍了开放实验室基础设施网络化、信息化建设方法，同时也介绍了针对创新实践、实验教学的运行模式。

开放实验室；创新实践；混合式教学

随着新工科建设、工程教育认证、共享课程建设、虚拟仿真实验项目建设等一系列人才培养质量工程建设项目的实施，人们不断探索新的教育教学模式，以增强学生创新实践能力及解决复杂工程问题的能力[1-4]。一方面，实验实践课程在本科课程体系中的比重不断增加；另一方面，依托实验室资源，积极开展创新实践、电子竞赛等各种第二课堂项目[5-6]。在上述背景下，现有实验室基础设施条件和运行模式，已经不能满足教育发展需求。

1 实验室条件和运行面临的困难

1.1 现有实验室基础设置不能高效实现开放机制

电子信息相关专业学生工程能力培养，需要通过学生完成各种创新创业、电子竞赛等具体项目来实现。由于专业自身特点，学生需要使用各种相应的专业仪器设备，才能完成相关训练项目。通常的做法就是利用专业实验室拥有的硬件资源，以实验室开放模式加以解决。但实验室建设初期，网络化和信息化程度不高，使得现有实验室难以具体实现开放[7-9]。

1.2 实验教学手段陈旧

在教学运行环节，目前的做法是每节实验课开始时，教师对实验原理、实验步骤、实验仪器使用进行介绍，然后学生开始自行实验操作。这种传统教学模式存在两个明显不足：首先是课堂时间紧张。由于在学生开始实验之前，教师需要花费一定时间对实验进行讲解，占用了较多课堂时间，学生用于完成实验的时间往往非常紧张。学生仅仅能够机械地完成要求的实验步骤，缺乏对实验现象和结果的思考。其次，由于实验操作涉及很多内容，在教师讲解后，学生难以记住所有细节，学生会有很多疑问。教师需要对这些问题不断重复讲解，指导效率不高。

1.3 学生缺少课外对实验内容的预习和复习

学生虽然都有实验指导书，但实验是一个具有显著实践特点的课程，仅仅依靠实验指导书，学生并不能在课外对实验内容进行很好的预习和复习，最终导致实验教学效果不佳。该问题的本质，其实是实验教学资源不够丰富，没有适合在实验室外的课余时间使用的有效教学资源。

2 实验室基础设施建设方案

解决上述实验室运行问题的方法，就是利用现代网络化和信息化的技术，提供有效的开放实验室环境及丰富的在线教学资源，从而帮助学生完成各种第二课堂的创新实践活动和实验实践课程学习。

2.1 开放实验室网络基础设施建设

重庆大学国家级电工电子教学示范中心（以下简称中心）由诸多专业基础实验室和专业实验室构成。针对这些实验室的网络化基础设施改造，包括了计算机网络、门禁网络、电源网络、监控网络4个部分。网络架构如图1所示。

图1 实验网络架构示意图

在早期建设中，部分实验室仅仅配置了相应的实验仪器，没有计算机网络。2018年，为了完成实验室开放管理，对每个实验工作台配置了相应的计算机，并把中心所有计算机进行网络化连接。在网络中，设置一个中心服务器，通常安装在一个单独的控制工作间。服务器运行相应的管理软件，既管理中心所有实验室计算机、管理系统、监控系统，同时也运行相应的中心网站，确保学生通过计算机互联网或者移动互联网，在实验室外也能方便访问服务器。

为了确保开放实验的有效运行，每个实验室安装需刷卡进入的门禁系统。该门禁系统与示范中心服务器连接。学生通过互联网登录账号，完成预约。在获得管理员教师批准后，凭校园卡刷卡进入实验室。

考虑实验室安全，对每个实验室的工作台电源电路进行重新建设。电源管理是确保实验室安全的重要组成部分。对于没有学生使用的实验工作台，电源是断开的。只有在学生预约的时间内，学生预约的工作台电源才会打开。同时，在每个实验室安装相应的监控设备。监控的图像通过中心服务器进行记录。

2.2 网络服务器管理软件建设

在完成实验室网络基础设施建设后，需要运行相应的管理系统，实现实验室的开放管理和实验实践教学管理[10]。管理软件是基于Web服务器的系统，对于教师和学生而言，就是通过一个网站进行访问。服务器管理软件包括用户账号管理、管理员控制、监控数据库、教学资源数据库及历史记录数据库。

账号管理是完成学生和管理员账号建立和登录管理。显然，学生和管理员具有不同的权限。学生具有两个主要权限：一个是预约实验室时间和相应实验工作台的权限，二是访问教学资源数据库。前一个功能是帮助学生确定开放实验室的进入时间和位置，后一个功能是便于学生进行线下实验课程学习；而管理员则负责对学生预约进行审批。同时，管理员具有访问所有数据库资源的权限。在学生完成预约申请并获得管理员审核通过后，系统会自动在相应时间开放预约实验室门禁系统，并对预约试验台进行通电和断电。这一功能，无须管理员进行其他操作。

该管理系统具有两个显著特点。其一是教师和管理员都可以通过Web网页进行相应操作，教师不需要对实验室进行值守，也不需要在实验室完成审核工作，大大方便了学生和教师的操作。其二，服务器涵盖了支持创新实践的实验室开放功能和实验教学资源访问功能。对于学生创新能力培养，以及教师实施线上线下混合式教学方法，都提供了基本条件。

2.3 实验室建设主体单位

实验室网络基础设施与学校教学具体要求结合密切，在选择建设承建单位时，要确保对方熟悉学校实验室建设特点，具有丰富的相关经验。另外，实验室各种设备，包括电源管理、门禁系统、监控系统、软件系统，在运行中往往会出现各种问题，后期维护离不开承建公司的支持。所以，在实验室建设中要考虑维护需求。特别是对于一些易损设备，要采用可靠易维修的型号和品牌。

3 开放实验室运行模式

3.1 开放实验室的目的

随着我国电子信息产业发展，社会对相关专业的人才提出了更高要求，高校需要不断加强对大学生创新创业能力和工程实践能力的培养。目前，各种电子设计竞赛、大学生创新实践项目、综合课程设计等，成为学校利用实验室资源开展培训的有效途径。根据电子信息类专业特点，上述培养措施需要学生利用实验室仪器设备，在第二课堂完成。而专业实验室面向学生开放，就成为解决学生需求的必然手段[11]。

3.2 开放与教学的合理衔接

我校国家级示范中心早期建有不同性质的实验室，包括以教学为主的专业课程实验室，以及针对创新实践的开放实验室。但随着学生对开放实验室需求增加，同时也为了提高实验室设备资源的利用率，目前已经淡化了实验室的专业功能，而是尽量采用综合实验室的布局。因此实验室就存在日常实验教学和开放的协调问题。多年管理经验告诉我们，为了方便实验室完成日常教学，在硬件基础设施建设中，需要确保实验指导教师具有对整个实验室门禁、电源的简单控制能力，即在实验教学期间，可以很方便地取消门禁系统和实验室预约系统。同时，在每个学期开学之前，管理员要根据实验课程排课结果，确定可以开放的时间范围，从而减小开放和教学之间的矛盾。

3.3 实验室人员管理

在实验室开放运行过程中，管理员不仅需要对学生的开放申请进行实时审批，还需要对实验开放设备进行维护，同时负责完成对服务器数据库的管理和突发事件的处理。所谓数据库管理，主要是指用户数据库、教学资源数据库及预约时间信息的管理[11]。为了实现学生刷卡进入实验室，每个学生的校园卡信息需要录入服务器，但由于学生多，录入工作量较大且容易出现错误。教学资源数据库要根据实验指导教师提供的信息及时更新。此外，依据实验课表规划出实验室开放时间，也是较为繁琐的工作。鉴于上述工作性质，中心设置了专门的实验管理岗位，该岗位教师不直接参与实验教学工作，只负责中心各种日常管理，包括开放实验室管理。

4 实验实践教学运行模式

教学示范中心的基本功能，仍然是完成学生课程实验和实践教学环节。但随着第二课堂项目的逐渐普及和扩展，实验室也承担了诸如竞赛培训、大学生创新计划等项目，需要实现实验室的开放。教学示范中心针对目前主要的实验课程，积极开展了教学资源信息化建设。

为了提供学生在课外完成实验的预习和复习，针对每个实验课程，教师制作了相应的教学视频，对实验步骤进行了视频化的讲解和展示。同时，提供实验的课件和相关参考资料。这些教学资源，统一以教学资源数据库方式，存放在中心服务器上。学生通过网页，无论是实验过程中还是课前课后，可以对上述教学资源进行访问。网页中也提供师生交流的互动区，真正做到了线下线上混合教学的网络化信息化教学[12]。

经过多门实验课程教学的实践，学生实验效果大大改善。学生基本都能在课堂时间内完成相应实验要求，教师的指导难度也大大降低。

5 结语

把网络化、信息化的现代技术手段，应用于实验实践教学及学生创新实践中，充分发挥了实验室在人才培养中的作用。我校国家级教学示范中心经过1年多的运行，形成了相应的运行机制。实践表明，网络化、信息化的技术手段大幅提升了实验室资源利用率，也显著提高了教学质量，同时也降低了教师的工作难度。

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Construction and operation model practice of open laboratory with new network and informationization

ZENG Hao, XIE Liying, HAN Shu, YAN Fang

(School of Microelectronics and Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Through the construction of network information laboratory infrastructure, not only can the free and open laboratory resources be realized and students be helped to complete various innovative training projects, but also can the construction of network sharing of teaching resources be carried out, online and offline hybrid teaching mode be developed and the quality of experimental teaching be improved. By taking the laboratory construction of the National Electrical and Electronic Teaching Demonstration Center of Chongqing University as an example, this paper systematically introduces the network and informationization construction methods of the open laboratory infrastructure and also introduces the operation mode for innovative practice and experimental teaching.

open laboratory; innovativepractice; blended teaching

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0264-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.062

2019-04-18

重庆大学教改项目（2017Y51）

曾浩（1977—），男，四川泸州，博士，教授，系主任，主要研究方向为抗干扰阵列天线技术。E-mail: haoz@cqu.edu.cn