全时开放互动型地质教学实验室的建设与实践

邱隆伟，孟凡超，操应长，王 健，杨勇强，马玉新，张春茹

（中国石油大学（华东），地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）

高校教学实验室开放是指实验室在完成计划内教学任务的前提下，利用现有的师资、实验室、仪器设备等实验条件，面向学生开放，为学生完成实验作业、考前复习、科技活动等提供条件[1]。实验室开放是高等教育培养创新人才，实现素质教育目标的客观要求。实验室开放有利于培养学生的自学能力、实践能力和创新能力，激发学生的自觉性、独立性、积极性、主动性和创造性，而且有利于实验资源得到最大化利用[1-3]。此外，实验室的开放共享对提升学科水平、提升人才培养质量及促进协同创新能力的培养起到积极的助推作用[4]。

尽管各高校在实验室开放时间、对象、内容等方面进行了不同程度的尝试，但在实践过程中还存在着许多问题，主要体现在实验教师上班时间与学生课余时间冲突、实验设备维护困难、实验室安全缺乏保障等方面。由于地质类实验室特别是显微镜实验室在设备方面的特殊性，上述问题显得尤为突出。因此，如何实现教学实验室的“无障碍开放”，是地质教学实验室管理最重要的研究课题之一。

1 实验室开放的方式及其存在问题

1.1 实验室开放方式

实验室的开放一直是高校实践教学改革的重要课题，很多教师在实验室开放制度、配套措施、实验指导等方面进行了大量的实践[1,5-7]，在开放模式方面也进行了许多尝试，归纳起来主要涉及三个方面。

（1）开放时间。一是实验室固定时间段开放，教师与学生通过协商确定时间，学生在班级无课时集中到实验室学习；二是实验室全天开放，实验室安排专门教师管理实验室，学生可以根据自己的安排在任何时间到实验室学习[8]。

（2）开放对象。大部分高校的教学实验室在学期周内只针对本学期选课学生，采用集中或全天开放的形式，保证选课学生能有更多人在课余时间走进实验室；也有部分高校针对低年级学生、高年级学生和优秀学生采取分别开放的方式[5]。

（3）开放内容。高校教学实验室首先是保证基本的教学需求，因此大部分高校专业实验室首先对相关课程的计划内实验进行开放，帮助学生完成作业、复习考试等。其次，实验室对本科生毕业设计、毕业论文、大学生创新项目进行开放[9]。还有部分高校设置本科生开放性、研究性实验，针对课程特点和实验室功能，开设相关课程的研究性实验[10]，让学生自由、自主完成相关实验，培养学生的创新能力。

近年来，各高校实验室开放在不断发展和完善中，但总体开放效果还不是很理想。观念比较陈旧、服务意识相对缺乏，已经成为阻碍实验室开放运行的主要因素[11]。实验条件的限制，更是导致该种现状的关键因素。

我校地质教学实验室以地质样品的显微镜下的观察与分析为主，前期的实验室开放主要有两种方式：其一为任务式开放。实验室开放与具体的课程相关，即面向本学期选修相关课程的本科生开放，主要是学生实验课任务的重复性实验，针对教师布置的课外任务或兴趣点，以及考前复习等，学生需要利用课余时间进行实验；具体操作过程为学生与实验教师协商确定开放时间，需要同时满足实验室、实验教师、学生都无课的前提下，学生按照自然班集中到实验室学习，或约定具体时间，以个人或小组的方式到实验室做实验。其二为研究式开放。面向大学生创新实验、毕业设计及部分学生参与教师的科研选题而进行实验室开放。这种开放主要针对中高年级学生，在满足教学的前提下，与实验室管理人员协商实验室开放时间及方式。

1.2 传统实验室开放中存在的问题

实验室开放实践表明，传统的实验室开放管理在实践过程中存在着影响开放实践及效果的诸多问题。

（1）学生课余时间与教师上班时间不重合。实验室的开放通常需要实验教师的配合，如问题解答、设备安全运营和维护等。这需要在实验教师的正常上班时间完成，此时间段很可能与学生其他课程重叠，而学生可用课余时间又往往在晚上或周末，这就导致在正常的工作时间很难进行实验室开放，而非正常上班时间的开放又由于影响教师的休息而难于长期、持续地开展。

（2）实验设备数量与学生需求的矛盾。大部分实验设备的数量只能满足一个自然班，但是同一个专业往往存在多个自然班，这些班级的课程安排基本相同，预约实验室的时间也类似，这样常常导致不同班级的学生在预约上存在冲突。

（3）实验室开放与设备安全管理的矛盾。教学实验室由于总体实验任务较重，从管理方面来说在任何一个实验班开始实验之前，都需要绝对保障实验设备状态良好和正常使用；在实验室开放管理中发现，实际参与实验室开放的学生数目常常不一定与预约的一致，而实际使用的设备也很可能和预约的设备不一致。这就给实验室管理人员的设备检查增加了许多工作量，有时甚至导致影响正常的实验教学，也影响了实验室开放的正常进行。

（4）开放意向与开放引导机制的矛盾。鉴于实验室开放意向和教师作息时间的矛盾，学生在预约时间的选择上常存在纠结之处，这样对于不是非常必要的开放实验内容，很多学生可能会选择放弃预约。

上述问题和矛盾导致尽管管理层面及学生层面对实验室开放的意向强烈，但实际效果不佳。常常出现学生来了，实验室没有开放，或更多的时候是实验室大门敞开，学生参与度很低，甚至会出现一个学生也没有的现象。

2 全时开放互动型实验室开放系统的构建

2.1 基于视频监控和学生自主预约的管理系统

教学实验室开放管理系统由预约中心、实验中心、监控中心三部分组成（见图1）。预约中心包括预约计算机及刷卡器；实验中心包括实验室大门、实验设备、读卡供电系统等；监控中心包括计算机、摄像头、监视器、存储器等。

图1 教学实验室开放管理系统

学生可通过链接校园网的任何一台计算机访问实验室预约中心系统网站，或到预约中心现场查询实验室内相应设备的已预约时间，根据查询结果进行适合自己的开放实验时间预约。实验室管理人员可以通过网络或者预约中心现场审批学生的实验预约。

监控系统由监控中心、摄像头等组成，可以实现对实验室使用状况的全时监控。实验管理人员可通过监控中心查看学生开放及设备运行情况，对整个管理系统进行监控和维护。在下班的情况下，还可以随时通过手机 APP 链接实验室摄像头，对实验室学生人数、实验室纪律、学生错误操作等进行实时监控。

2.2 实验中心配置

以显微实验室为例，在每台显微镜的基础上，加上互动系统和读卡供电系统，后者包括读卡器、锁止器、电源连接器等组成。

互动系统由小型显示器（如 iPad）、网络服务器组成。小型显示器通过Wi-Fi 或网线与显微镜相连，每台显微镜与单独的小型显示器相连。显微镜视域的图像可实时传送到小型显示器上，同时每台小型显示器经过简单的切换，也可以和实验室其他任何显微镜的视域相链接并观看其实时图像。

实验用薄片、显微镜附件等放置于实验桌的抽屉中，抽屉外面安装了锁止器，没人使用时抽屉被锁止器锁住，同时电源也处于关闭状态，显微镜停止使用。当授权卡插入读卡器后，识别正确则开启电源，并解除锁止器锁定，这时显微镜及试板等附件才可以正常使用。

3 全时开放互动实验室的功能实现

基于视频监控和自主预约的教学开放实验室实验流程，不同于以往的集中开放。实验室管理人员或实验教师不必专门为学生开门、锁门。学生在经过预约授权后，可以自主进入实验室进行实验，解决了教师与学生时间冲突的矛盾。通过这套管理系统，学生可以实现自己选择时间进行实验，实现了教学实验室利用最大化。教学实验室开放实验流程见图 2，其功能实现主要包括以下步骤。

（1）预约。学生可以采取网上自主预约或实验中心现场预约两种方式，在实验室管理人员上班期间，对学生的校园一卡通进行授权。

图2 教学实验室开放实验流程

（2）学生开放实验。学生持经过授权的一卡通，在预约时间刷卡进入实验室。进入实验室后，将卡插入实验桌读卡器，取电并弹开抽屉，然后打开实验设备（显微镜），并从抽屉内取出实验样品（如岩石薄片、试板等），开始实验。实验结束后，将实验样品放回抽屉，关抽屉、关设备、取卡（如果没有关上抽屉而拔卡，则设备鸣叫进行提示）。设备自动记录学生开始使用及结束使用时间及时长。

（3）互动功能的实现。在实验课上，教师可以通过互动系统，实时观察学生的实验情况。教师若发现有好现象或者学生发现好的现象，可以指定其他学生去观看某个实验位的实时图像。在课下开放实验中，学生之间可以自主实现对任何一个实验位的实时互动，当遇到无法得出结论时，学生还可以通过手机拍照，或微信视频等形式和教师进行实时咨询与讨论。

（4）过程反馈。通过联网的视频监控系统，教师无论是不是在实验室均可以实时查看实验室的状况，发现问题可以马上通知学生进行改正；同时，学生在实验室遇到问题，也可以直接给教师打电话进行沟通。

（5）教师检查监督。学生从读卡到拔卡，以及所使用的显微镜的信息可以在授权系统中进行全程记录，并反馈给实验室教师。如果学生在教师正常上班时间进入实验室，教师可以在学生结束实验之后对设备使用状况进行检查；如果是在休息时间进行的开放实验，教师可以在上班之后，检查设备的使用状况，发现问题，并第一时间通知学生。如果有设备、样品（岩石薄片）损坏等事情发生，教师可以通知学生到监控室进行监控视频回放，确定发生的原因，以便采取合理的措施进行纠正。

4 教学开放实验室管理系统实践效果

基于视频监控和自主预约实验室管理系统，率先在我校地质学显微镜教学实验室运行，收到了良好的效果。首先解决了教师和学生时间冲突、实验设备数量和学生数量冲突的矛盾。学生通过预约中心，可以预约自己合适的时间，不再受教师是否上班的限制，基本实现了实验室全天候开放。实验教师也不必在晚上或周末专程去实验室。其次，教学实验室的自主开放，为学生进行大学生创新训练项目、毕业设计和创新实验的研究提供了良好的平台，非本学期选课学生也可通过预约方式走进实验室，开展相关研究。目前，在正常教学计划之外，已有10 多项大学生创新实验项目在地质学开放实验室开展。当然，该开放实验室管理系统对实验室开放也是有条件的，只有经过设备使用培训的学生才可以获得开放授权，以保证设备的安全使用。

5 结语

高校教学实验室开放是有效利用实验室资源，提高实验设备的使用效率，培养创新型人才的一个重要方式。通过分析实验室开放中存在的问题，结合实验室开放的实际需要，设计了基于读卡系统、互动系统、视频监控和学生自主预约的实验室开放管理系统，初步实现了教学实验室完全自主开放，基本达到了教学实验室最大化利用的目的，为学生实验课程复习、创新项目、毕业设计的顺利开展提供了保障。