新时代水产类国家级实验教学示范中心建设运行中信息技术的应用

朱正国 刘颖 黄旭雄

摘   要：文章以水产科学国家级实验教学示范中心（上海海洋大学）为例，概述了水产与生命学院实验教学中心虚拟仿真实验平台、显微互动实验室、显微镜室智能存取系统、创新开放实验平台等信息化项目的具体建设情况，分析了虚拟现实、物联网技术、数字化管理等信息技术手段在水产类双一流学科建设中的优势和发挥的重要作用，总结出现代化信息技术在教育教学管理中的应用成效，并对未来实验教学中开放共享的信息化建设和应用做出了展望。

关键词：信息技术;虚拟仿真实验;实验教学;开放共享

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）07-0092-05

一、教育信息化建设的背景和意义

2020年是《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》收官之年，我国教育要全面完成规划提出的教育管理信息化水平显著提高、信息技术与教育融合发展的水平显著提升等教育信息化建设的目标任务。[1]在全面实现“十三五”发展目标的基础上，“再经过15年努力，到2035年，总体实现教育现代化，迈入教育强国行列，推动我国成为学习大国、人力资源强国和人才强国，为到本世纪中叶建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国奠定坚实基础”，建设具中国特色智能化校园，统筹建设一体化智能化教学、管理与服务平台。[2]发展中国特色世界先进水平的优质教育是《中国教育现代化2035》提出的十大战略任务之一，教育教学机构要充分利用现代技术加快推动人才培养模式改革，实现规模化教育与个性化培养的有机结合。教育信息化改革发展有利于全面提升教育管理队伍信息化技术水平，强化创新型综合性人才培养能力，改善教育教学质量和效果，促进产学研用一体化发展。在信息化飞速发展的新时代，我们要善于利用现代化信息技术的新成果强化和提升教育服务能力，坚持立德树人，强化以能力为先的人才培养理念，坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的原则，突出应用驱动、资源共享，将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量，以高质量实验教学助推高等教育教学质量变轨超车，助力高等教育强国建设。[3]

二、中心教育信息化项目建设现状

上海海洋大学水产科学国家级实验教学示范中心（以下简称“中心”）于2009年获批，是支撑我校三个国家特色专业（水产养殖、生物科学、海洋渔业科学与技术）及其他水产类、生物类和环境类等13个专业的重要实践教学平台，在实践教学改革、大学生创新创业教育、对外交流、科普教育及西部服务等方面发挥着重要示范辐射作用。近年来，依托水产学双一流学科建设，中心坚持推进落实教育部、农业部（现农业农村局）、国家林业局（现国家林业和草原局）卓越农林人才教育培养计划，结合水产学和信息技术等领域的科技新成果，开展了一批有益的教学信息化建设项目，提升改造以水产养殖学为主要代表的学科专业，以此提升中心信息化教学管理水平，培养学生自主学习和创新实践能力，推动高质量优质教育资源建设及教学资源共享服务，确保中心实验教学示范性作用和引领地位。

1.虚拟仿真实验平台

实验教学有助于学生对理论知识的理解，提高学生的动手能力、创新意识和综合科研能力;[4-6]随着计算机、互联网的发展，信息化实验教学模式越来越多地被应用于高校的实验教学中，已成为信息化教学中举足轻重的一部分。[7-9]虚拟仿真实验采用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等信息化技术手段，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象以满足教学大纲要求，[10]使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中实现高效、安全且经济的管理，达到真实实验环境难以实现的教学效果，是对传统实验教学思想、体系和模式的革新，[8]是信息化高新技术与教育教学深度融合的时代产物。中心始终秉承以能力为先的人才培养理念，坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的原则，积极推动虚拟仿真实验教学项目的建设与申报工作，搭建了独立的虚拟仿真实验平台，基于B/S架构的嵌入式网络协议实现不同仿真实验项目的建设和通讯，在满足接口的前提下，平台可与其他项目进行无缝对接实现共同管理。虚拟仿真实验平台搭载了一套开课、排课的教务功能，可完成学期课程发布以及学生考核作业的收发、评判和统计等操作。中心以水产养殖学、海洋渔业科学与技术等特色学科专业课程为依托，完成了鱼类数字标本库、基础实验课程和实践实训等系列虚拟仿真实验的初步构建，目前已完成虚拟仿真实验项目14个，其中国家级建设项目1个、上海市级建設项目3个、校级建设项目10个（见表1）。

传统实践教学过程中演示不足、细节体现不到位，以及学生学习观察视度受限制等问题经常发生，虚拟实验则可通过仿真技术将基础课程实验原理、实验步骤、操作实现等多维度可视化地呈现出来，实现全过程的知识内容要点和操作的技术难点具体化、细节化，使一些细微结构变得清晰可辨，从而加深学生的认知和理解，人机交互式的动画演示更能强化关键技术细节控制等过程的操练，精细地还原现实实验过程、逼真的实验场地及环境渲染，能在实验操作中给用户带来较强的沉浸式体验。

以鱼类综合认知项目为例，通过3D仿真技术制作了条纹斑竹鲨、刀鲚等22种海淡水鱼类数字标本模型，对鱼类外部形态及特征结构进行详细描绘和展示。鱼类标本是鱼类学实验教学中不可或缺的教具资源，更是我国鱼类分类、资源保护和管理的重要依据。尤其一些珍贵和稀有种类具有十分宝贵的科学研究价值，有的种类标本已保存数十年甚至上百年之久，日常教学的频繁使用会造成巨大损失。而建立种类丰富且逼真的数字标本可以替代真实标本，在保障正常教学活动的同时也减少了馆藏标本的使用损耗，一定程度上保护了自然生物资源。

2.显微互动实验室

中心所有专业教学实验室均配备多媒体教学设备，另建有2间显微互动实验室，并于2019年完成系统升级，单间实验室可最多同时容纳48人开展实验。实验室早先的系统为有线图像传输和语音互动系统，每台显微镜都必须通过宽带和交换机进行连接，实现数据传输，且受空间限制等因素影响，只有教师配有显示设备，能通过电脑客户端显示和处理镜下图像，学生不能完成图像捕捉，提交作业时只能通过一边目镜观察一边手绘的方式将图像画出来，往往需要花费很长时间才能完成;系统连接线路繁冗复杂，且语音设备由于使用中受到频繁牵拉而极易损耗，需要不断更换。后来系统升级为现代化无线显微互动系统（见图1），使用NOMIS Basic Class（教师端）和TouchScope（学生端）进行WIFI无线传输，最多可以承载60台显微镜和移动终端同时在线进行课堂交互。学生可以在电脑、手机和其他手持智能终端设备通过TouchScope软件同步显微镜下图像，完成实时图像编辑、位置标定、数据测量等操作，还可利用终端实现一键截屏、拍照、录屏的功能，可在线与教师或同学进行互动交流，分享捕获的图片并查收和提交作业。教师除具有学生端的图像编辑功能外，还可以实时在线监控学生端画面，收发作业，批阅实验报告，发送图文课件进行授课和讲解等操作。显微互动实验室在系统升级后才真正意义上实现了现代化互动教学。总体而言，显微互动实验室具有以下功能优点：①硬件简洁。可省去配套电脑和语音系统以及大型数据传输承载硬件（交换机等）。②功能齐全。集显像、测量、拍摄、授课、评估等教学活动于一体，功能多互动性强。③使用便捷。兼容多终端、多系统，指令清晰、操作便捷，数据传输快性能稳定。④信息安全。专用网络，数据信息安全，能有效抵御外界病毒信息攻击。

3.显微镜室智能存取系统

显微镜室智能存取系统运用计算机软件、智能卡、智能物联网、ARM微处理、IP技术及视频监控等技术，实现显微镜室学生学习、培训、考核及显微镜自主借还全过程的智能化便捷管理，提高管理人员工作效率和对外服务水平，加强实验室管理人员对显微镜等设备的巡查、维修维护及实验室安全的宏观控制。该系统以高效率的业务管理、高可靠的资源利用服务为宗旨，进一步满足学生、教师和实验室管理队伍的需求，实现实验室及显微镜等设备在存取、资源管理和服务等方面的全过程管理目标，显微镜“借用—归还”流程如图2所示。

（1）设立有效准入机制

在系统预约管理平台用户界面中设有学习与考核模块，所有用户（学生和教师）必须完成学习并通过考核才能获取显微镜的预约使用资格。以往教学过程中，教师在课堂上需要花费较长时间先讲解显微镜的正确使用方法，才能进行后续的实验操作，讲解过程难以做到面面俱到，且一定程度上影响课程进度和教学质量。平台通过图文资料、视频课件和虚拟仿真演示等内容对用户进行业务培训，使其熟悉实验室及系统服务管理制度并掌握显微镜使用、维护过程中各功能操作细节要领。每学期开课前组织集中考核，用户也可随时登录平台进行学习和考核。学习加考核的形式能大幅提升用户实践能力，规范的操作和管理能有效减少仪器使用中的损耗。

（2）用户数据智能对接

该系统与学校教务管理系统实现智能对接，可同步学生信息数据集，除姓名、学号、联系方式等基本信息实时更新外，可同时导入学生课表信息，数据经系统解析处理后能自动判别学生需要使用显微镜的实验课程及具体上课时间段，该课程时间段内学生无需预约便可刷校园卡借取显微镜，待课程结束后按时归还即可。非实验课时间段，获得使用资格的学生可通过预约管理平台实现自主预约、智能派发，线下完成刷卡借还。智能处理能缓解实验室专职管理队伍的工作负荷，让工作更加合理有序。

（3）精确的数据反馈

系统具有仪器设备“借出—归还”过程化管理及用户反馈体系，做到相关业务流程数据自动处理，无需人工在登记簿填写就能完成各环节的数据记录，可进行实时巡查和统计分析，生成实验室日常管理维护所需数据报表，实现了业务管理的可追溯性和便捷性。用户借用显微镜时，系统根据各箱柜仪器的实时状态及使用频次，在保证设备能正常使用的情况下实现均衡式智能派发，避免某些设备过度使用而其他设备无人使用的情况发生，以此保障整体设备运行中的稳定性和可靠性。

（4）可靠的安保体系

实验室使用专用门禁、监控和电控设施共同构建实验室、仪器设备及使用人员安全的保障体系，建立了远程网络监管和现场实时监督的协同管控机制，帮助实现中心各级安全管理制度的有效执行。

4.创新开放实验平台

创新开放实验平台由仪器共享和水族创新两部分组成，分设六间实验室，总面积为180m2，平台拥有大小型通用仪器设备50余台，微循环养殖和繁殖系统60余套。实验室内均设有视屏监控、远程管理和门禁设备，管理员可通过网络管理系统实现门禁和仪器设备一对一的监查与控制，其管理平台系统模块构成如图3所示。创新开放实验室承担计划内教学（上课时间段）和计划外教学（开放时间段）两项任务，全面整合、开放实验教学资源，提供开放式教学服务。

实验室以24小时最大程度化的预约开放，实现教学资源充分共享，用户可进行实验室及仪器自由预约、智能派位、自主实验，充分发挥学生的主动性，激发学习热情。创新开放实验室作为学院科研实验室和大型仪器共享平台的重要补充部分，能够满足水产学科本科生科学研究和创新实践的基本需求，为广大学生科研实践工作提供有利场所。2019年9月1日至2020年9月1日期间，该开放平台课外预约使用总次数为1141人次，预约使用总时长累计超1.7万小时。（见图4）实验室开放程度越大，其匹配的管理服務水平要求也越高，创新开放实验平台运行中，中心严格按照学校实验室安全管理章程等实验室安全规范，做好实验室安全管理和运行工作。学生需要通过平台预习管理系统中的实验室安全知识培训与考核后才能预约使用，以此巩固和完善实验室准入机制，提升学校实验室安全教学管理水平和师生人员安全素质，为创新开放实验平台的安全运行提供坚实的保障。

三、信息化建设效果评价

经过积极探索和尝试，中心在实验教学信息化建设与实践中取得了良好的成效，能够通过信息化手段解决传统教学中的现实问题，切实提高教学质量，促进产学研用的有机融合，推动高质量优质化教学的公平性发展，进一步完善了信息化教学管理机制。

1.教育信息化建设能够帮助解决教学中的现实需求问题

虚拟仿真实验平台作为生产实习和实践教学的重要补充部分，在学生对理论知识的巩固和实践能力的提升过程中起着至关重要的作用。水产学科的专业课程及生产实习内容主要涉及水生生物繁育养殖过程，有的周期长达数月之久，仿真实验则可以大大缩短养殖生产周期，并且突破地域和季节限制，节约时间和管理成本。中心“淞航号驾驶”和“鱿鱼灯光诱钓”等项目充分体现了虚拟实验风险性低、安全性高、效率高的优势，为海洋渔业科学与技术学生提供了良好的教学、培训和训练平台，让更多学生有机会熟悉和学习渔船设备结构、驾驶操作、游钓渔业管理等海上生产实践活动的作业方法，而不受时间、气候和航线等因素的限制。实验教学管理过程中物联网技术和网络通讯等信息技术的应用，可以实现数字化、标准化、规范化的智能管理，大大减少管理中的人工干预过程，从而提高运行管理效率和教学质量，得到学校师生的广泛认可。

2.教育信息化建设推动完善信息化教学管理机制

中心信息化建设过程给我们带来许多思考，在实践过程中不断完善信息化教学管理机制。信息化的便捷性在于降低了人工干预，为学生提供了更加开放自主的学习平台，这就需要建立与其相适应的管理体系，保障实验教学中心正常安全地运行。中心建立了以传统线下管理为基础、网络管理与其互为补充的双线协同管理机制。网络管理分为实验预习和Web管理两大模块。不论是开放实验室还是虚拟实验平台，都必须建立准入机制，学生只有在线完成实验操作和仪器使用学习等实验预习，并通过实验室安全管理知识测试后才能进入实验室开展实验，这是保障实验操作安全顺利完成最基本的必要措施。网络管理则设在管理员权限之下，能够通过网络终端实现数据维护、门禁开关、仪器控制、视频监控、电子警报、信息安全等功能管理。（见图5）

3.教育信息化建设促进产学研用有机融合

理论学习是实践的基础，实习实训则是理论实践的契机，学习的最终目的是解决实际生产问题，通过理论与实践的结合发现问题、分析问题进而解决问题。如河蟹池塘生态育苗项目，以河蟹规模化养殖的现实案例为蓝本，通过虚拟环境还原养殖场现实场景，让学生在了解河蟹生物学习性的基础上，学习掌握河蟹苗种选育、池塘规划管理和疾病防控等技术，培养学生从事河蟹生态养殖的科学研究能力。中心每年组织学生志愿者参与“河蟹大赛”并与相关企业加强合作，提供学生参与实践的机会，建立学校、企业多方培养的模式，切实提升学生学习实践能力，培养其“知农、懂农、爱农”的意识和情怀，为将来投身于水产行业发展奠定专业基础。

4.教育信息化建设加快优质教育公平发展

随着信息技术与教学的深度融合，教学信息化对高等教育已产生深远的影响，有线终端移动设备让大学生更好地利用网络通讯进行开放式学习，网络课程、虚拟仿真实验教学等现代化教学产物不断革新，在教学理念從“以教为中心”向“以学为中心”转变的背景下，以学生为中心的能力培养是创新创业人才培养的重要方面，智能化、开放型、多样性的智慧教学环境为新时代人才培养提供了丰富的数字化资源和条件。中心通过虚拟仿真实验平台、显微互动实验室、显微镜室智能存取系统、创新开放实验平台等一系列信息化项目的建设，打造优质化教育资源和共享平台，让学生拥有更加自主的学习环境接受更为公平的教育。

5.教育信息化建设提高中心管理队伍信息化技术水平

在基础教育设施信息化得以保障的情况下，提升中心管理人员信息化教学能力。通过FD培训、参加校内外相关教学会议、聘请网络科技有限公司介绍信息化教学项目、与其他院校实验教学示范中心的研讨，以及网络培训等多种渠道和方式促进多方学习交流，中心管理队伍信息化技术水平得到了大幅提升。

四、结语

教育信息化是改革教育理念和模式的深刻革命，是促进教育公平、提高教学质量的有效手段，是建设学习型社会的必由之路。[10]信息化教育助推教育教学质量提升实现变轨超车，助力高等教育强国建设实现教育现代化。教育信息化改革是当前及今后一段时间我国教育教学改革的持续热点，在实施教育现代化建设中要加强校企合作，明确分工，注重和完善教育信息化标准体系建设，积极构建优质数字教育资源和共建共享环境，提供统一的操作规范，推进各院校间的无屏障交流，持续提升信息化教育的辐射范围，打破教育信息化发展不平衡不充分的数字鸿沟，真正实现人人可享有优质教育资源的可持续发展局面。

参考文献：

[1]教技[2012]5号.教育部关于印发《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》的通知[Z].

[2]中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-02/23/content_ 5367987.htm.

[3]教高函[2018]5号.教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[Z].

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[9]张任平.基于虚拟仿真实验室的创新性实验教学改革探索[J].教育教学论坛，2017（11）：273-274.

[10]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

（编辑：王天鹏）