機電液一體化實驗教學示范中心信息化建設的探索與實踐

機電液一體化實驗教學示范中心信息化建設的探索與實踐

　　機電液一體化實驗教學示范中心信息化建設的探索與實踐
　　
　　吳立軍 劉鑫剛 景常海 沈艷芝 袁林
　　
　　（燕山大學機械工程學院，河北秦皇島066004）
　　
　　[摘要] 在調研和分析國內各大高校實驗教學示范中心信息化建設情況的基礎上，結合信息化建設評價指標及燕山大學的客觀條件，進行了燕山大學機電液一體化國家級實驗教學示范中心信息化建設的探索和實踐。分別從實驗管理信息化、實驗資源信息化、實驗手段信息化三個方面闡述了中心信息化建設的具體內容和應用效果，并探討了更深層次的建設規劃。
　　
　　[關鍵詞] 實驗教學；示范中心；信息化建設；機電液一體化
　　
　　[中圖分類號]G642.423
　　
　　[文獻標識碼] A
　　
　　[文章編號] 1005-4634 （2013） 01-0047-05
　　
　　引言
　　
　　國家教育部于2005年5月啟動了高等學校實驗教學示范中心建設和評審工作，旨在推動高等學校加快實驗教學改革，加強實驗室建設，培養大學生的實踐能力和創新精神，提高高等教育質量，更好地滿足我國經濟社會發展和建設創新型國家的需要。經過6年的建設，現已有國家級實驗教學示范中心500余個，涵蓋物理、化學、生物、力學、機械、電子、計算機、醫學、經濟管理、傳媒和綜合性工程訓練中心等19個學科類別。燕山大學機電液一體化實驗教學示范中心（以下簡稱實驗中心）于2008年通過教育部評審，批準為國家級實驗教學示范中心機械類建設單位。
　　
　　隨著信息網絡技術的發展，并受教育部大力建設實驗教學示范中心且將信息化手段的應用作為其評定的重要指標等多方面影響，各高校在實驗教學中競相引入各類信息化手段。目前，國家級實驗教學示范中心信息化建設的評價指標主要包含三方面的內容：建成網絡化實驗教學和實驗室管理信息平臺；具有豐富的網絡實驗教學資源；實現網上輔助教學和網絡化、智能化管理。上述三個方面的建設內容可以概括為實驗管理、實驗資源和實驗手段（方法）三個方面的信息化實現。
　　
　　在充分調研和分析了國內各大高校國家級實驗教學示范中心信息化建設成果的基礎上，實驗中心從實驗管理、實驗資源和實驗手段三個方面逐步開展信息化建設工作。同時，充分考慮了燕山大學目前的實驗教學軟硬件設施、實驗學時分配、指導教師層次以及校園網平臺配置等多方面客觀因素，探索出了一條適合學校校情的具體建設路線。
　　
　　經過近5年的發展，實驗中心目前的信息化建設工作已經取得了顯著的成果，基本實現了實驗管理、實驗資源和實驗手段的信息化，初步構建了三個方面相互滲透、互為補充、相輔相成的集成化信息平臺，該平臺在實際應用中取得了良好的效果。
　　
　　1 國內實驗示范中心信息化建設現狀
　　
　　國家級實驗教學示范中心項目的實施，帶動了國內各高校積極開展實驗教學改革，加大對實驗教學的投入和建設力度。信息化建設作為中心建設的評價指標之一，同時也是一種推動實驗教學體系和管理模式改革創新的有效途徑，受到了各高校的普遍重視。現對國內各高校實驗教學示范中心的信息化建設作簡單介紹。
　　
　　在實驗管理方面，部分實力雄厚的重點高校發揮自身優勢，開發了集成多種功能的實驗教學綜合管理系統。清華大學開發了一套全校范圍的集實驗教學管理、網上預約、實驗教學教務管理為一體的實驗課選課系統；四川大學開發的實驗室與實踐教學綜合管理系統是一套基于全校的實驗教學選課系統，可以將全校的實踐類課程統一管理，在多年的實踐中該系統已經推廣到國內多所高校。
　　
　　在實驗資源方面，開放式的學習資源庫是各大高校的重點建設內容，包括實驗方法的介紹、實驗儀器的使用說明、實驗過程的圖文及視頻展示、相關知識的拓展講解等。上海交通大學國家級物理實驗教學中心從2004年開發了一套基于XML的開放式學習系統，包括了近200項物理實驗，實驗項目的開放為學生預習及課外學習提供了便利Ⅲ。
　　
　　在實驗手段方面，實驗輔助系統、虛擬實驗系統、遠程實驗等先進的信息化產品也在國內高校中得到了應用。教學輔助平臺有卓越提供的課程中心、賽爾網絡提供的BlackBoard等；中國科學技術大學物理系研發的“大學物理虛擬實驗”在國內高校得到廣泛的應用；華南師范大學、大連理工大學、上海交通大學等高校都先后開設了遠程實驗Ⅲ。
　　
　　2實驗中心信息化建設
　　
　　2.1 網絡化基礎平臺搭建
　　
　　燕山大學的網絡環境和基礎服務體系為實驗中心的網絡化基礎平臺搭建提供了必要的基礎和條件。硬件方面，學校建設了高速光纖傳輸網，建立了由核心層、匯聚層和接入層所組成的三層架構的大型校園網絡，校園網絡主干帶寬萬兆。基礎服務軟件方面，校園網提供包括郵件服務、域名服務、目錄服務和透明IP服務、WWW服務等基礎服務功能，同時逐步健全了防火墻、行為管理和網絡監控、病毒查殺多層面的網絡安全防范體系。
　　
　　在此基礎之上，實驗中心購置多臺高配置品牌服務器，以門戶網站建設為切入點，逐步進行信息化建設的各項工作。服務器是各網絡系統的運行載體，門戶網站則是各系統的入口和宣傳窗口，兩者共同構成了實驗中心網絡化基礎平臺。
　　
　　實驗中心的門戶網站（http: //mec. ysu. edu.cn/mehlab/）基于NET平臺，使用ASP. NET和C#語言來開發，并結合HTML、CSS、Java Script等技術實現。WEB服務器采用微軟IIS6.0，數據庫為SQL Server 2005。網站經過不斷完善和改進，目前已經建立起由中心概況、新聞通知、教學隊伍、管理運行、實驗教學、實驗資源、成果榮譽、信息平臺、實踐創新等欄目組成的宣傳性網絡系統。
　　
　　實驗中心的管理系統、實驗資源系統以及實驗輔助系統等功能模塊均是由門戶網站拓展出來的，圖1為實驗中心信息化平臺示意圖。實驗中心門戶網站通過設置登錄界面或者超級鏈接的方式將各個系統有機地結合起來，各系統的數據庫數據可以實現實時共享。
　　
　　2.2實驗教學綜合管理系統
　　
　　在實際的教學過程中，由于實驗班級數、學生人數多，并呈現不斷上升的趨勢，實驗指導教師除保證教學一線的正常教學外，還要耗費相當大的精力進行實驗課程安排、時間地點調整、班級實驗變更等諸多業務性的工作上。因此，迫切需要運用現代化、科學化、規范化的管理手段來提高工作效率，使得實驗教師能全身心的投入到教學一線的工作中。
　　
　　實驗中心開發了一種基于WEB的實驗教學綜合管理系統，包括實驗課程（項目）管理、實驗預約等具體功能。系統采用B/S模式，開發語言和數據庫等技術與門戶網站相同，這樣可以使兩者實現有機結合。下面就管理系統的關鍵功能模塊作簡要介紹。
　　
　　1）以實驗項目為核心的基礎數據庫。數據庫建設是本系統的基礎性工作，系統各個對象的關系如圖2所示，實驗項目是整個系統的核心，起著鏈接各個對象的作用。理論教學以專業劃分，不同專業的理論課在學時分配上有所區別，所進行的實驗項目和學時分配有直接關系，這樣就建立起了“學生一班級一專業一理論課程一實驗項目”的左側關系鏈。實驗中心目前分為幾個實驗組，建立起“實驗組一實驗教師一實驗項目”的右側關系鏈。
　　
　　2）以班級為單位的智能篩選實驗、預約實驗。通過數據庫的鏈接關系，系統可智能的為某個班級篩選出自己班級所需開設的實驗項目列表。列表可以展示每個實驗項目的學時、實驗地點、預約起始周及預約狀態等，這些都使得每個班級能夠直觀地查看本班級的實驗預約情況。
　　
　　本系統的關鍵功能之一在于其預約流程的“智能”性，流程示意圖如圖3所示。
　　
　　以圖2中的班級1-1為例，實驗預約需要經過以下幾個主要流程：（1）“班級一項目”智能匹配。根據班級所屬專業獲取班級1-1所修的理論課程，由各門理論課獲取所需開設的實驗項目列表；（2）“項目一教師一實驗組”智能匹配。每個實驗項目分別由一位或多位教師負責指導，指導教師又組成不同的實驗小組；（3）“智能排除、選擇”模塊。該部分是本系統的核心模塊，將實現各項目預約時間節點的排除和選擇。本系統預約模塊以教學周為單元，以兩個標準課時為節點，節點的預約狀態決定班級是否可進行預約操作。圖4所示為某一個實驗項目在某一教學周（單元）內的預約情況圖表。一周共有35個時間節點，各節點分別通過讀取數據庫記錄來判斷該節點的預約狀態。
　　
　　3）以實驗組為范圍的預約審批與管理。本系統提出了實驗組“容量”的概念，即某實驗組在同一個時間節點所允許預約的實驗項目的最大數量，這是為了解決某些實驗組的指導教師數量不足而設置的參數。基于以上考慮，實驗預約記錄的審批和管理是在實驗組范圍內進行的，實驗組管理員根據本組指導教師的具體情況進行實驗項目的編排、實驗組“容量”的設置、預約單的審批管理等。通過本系統的“智能排除、選擇模塊”添加的預約記錄，沒有任何客觀時間或實驗項目的沖突，如果教師或班級沒有個別的主觀因素，實驗組管理員只需要點擊批準通過即可生成預約成功記錄，班級或學生可隨時查詢自己的預約記錄是否通過，從而根據預約記錄安排學習計劃；否則可退單并注明退單的原因。
　　
　　2.3 實驗資源系統
　　
　　實驗資源建設可以歸結為教學資源中的空間資源（物力資源）系統的開發，分為硬件資源和軟件資源兩部分。硬件資源以實驗室及實驗設備查詢系統為核心，提供實驗室信息查詢功能和儀器設備信息查詢功能。軟件資源以實驗項目庫為核心，提供實驗前預習和實驗后總結的可學習資源。
　　
　　實驗中心的實驗資源系統建立在門戶網站的平臺基礎之上，開發語言和數據庫與管理系統保持一致。其中，儀器設備數據庫已基本覆蓋實驗中心所有的實驗教學設備（儀器），主要字段包括設備編號、設備名稱、設備類型、儀器型號、用途簡介、主要技術指標等，查詢系統可以提供多參數的高級檢索功能。
　　
　　實驗資源系統的實驗項目庫建設是與管理系統同時進行的，實驗項目使得兩個系統銜接起來。管理系統側重于實驗項目的所屬和分類，通過實驗項目把不同的對象鏈接起來；而資源系統更側重于實驗項目的具體內容，向學生提供與實驗相關的學習資源。目前，實驗中心的實驗項目庫覆蓋本科生開設的所有實驗，主要字段有實驗名稱、所屬理論課程、實驗目的、實驗基本描述、涉及主要儀器設備、實驗教材（指導書）、教學課件、特色資源鏈接等。其中，特色資源鏈接可以訪問與該實驗項目相關的精品課程資源、課外科技活動信息、教師科研項目信息等，使得學生除了學習了解實驗項目本身之外，還能夠拓展知識面，提高學生對實驗的認識水平和準備能力。
　　
　　2.4多媒體演示實驗系統
　　
　　我國傳統的演示實驗來源于實驗科普宣傳資料及櫥窗，隨著多媒體技術的發展，通過視頻采集設備對實驗過程進行記錄或制作Flash動畫的形式展示實驗過程成為現實。目前，視頻或動畫形式的演示實驗在國內高校的應用已經非常普遍。
　　
　　實驗中心的多媒體演示實驗系統開發從基本素材的采集入手。選取典型實驗案例，一方面通過視頻采集和后期處理制作成WEB頁面可以瀏覽的視頻壓縮文件，另一方面將某些實驗細節（如機構傳動、齒輪嚙合等內容）制作成Flash動畫，更加生動逼真地展示實驗過程。圖5所示為齒輪常見的傳動方式動畫WEB頁面截圖。
　　
　　使用與管理系統、資源系統相同的開發技術可以將這些多媒體素材和數據庫中對應實驗項目聯系起來，再借助網絡平臺發布，這些素材就能被學生訪問，同時具備高級檢索功能。
　　
　　3信息化建設成效與展望
　　
　　實驗中心的信息化網絡平臺經過幾年的建設和完善，其穩定性和安全性已經在實際的運行使用過程中得到了檢驗，完全能夠滿足中心實驗教學及管理工作的具體要求。表1列舉了信息化平臺部分運行指標的統計數據，可以看出，平臺目前擁有較高的訪問量和利用率，實驗教學資源豐富。
　　
　　筆者就實驗中心信息化平臺應用的效果評價進行了問卷調查。學生用戶普遍反映該平臺的WEB頁面制作精良，學習資源非常豐富，預約系統操作簡便且互動性強。平臺的應用拓寬了學生獲取知識的空間，激發了學生自主學習的積極性；教師用戶認為平臺的應用極大地減輕了實驗指導教師的日常工作負擔，各個系統操作簡單易用，老師們可以有更多的精力投入到一線的教學工作中去。同時也為教師素質與能力的提高和實驗室的可持續發展提供了空間；學校教務部門也對實驗中心信息化平臺的整體水平和構思給予了較高地評價。
　　
　　隨著網絡技術的發展及各高校校園網建設的進一步完善，實驗中心的信息化建設還應不斷地深入下去，做到與時俱進，擴大實驗中心的輻射范圍、豐富實驗輔助手段是下一步的主要工作。實驗中心的信息化平臺的輻射范圍目前主要還僅限于校園內部，作為國家級教學示范中心，應該定位于全國范圍，增強與教育部門和兄弟院校的交流與合作，增加信息來源的途徑，擴大實驗中心在國內的影響力，逐步建成高度信息化、立體化、開放化的機械類實驗教學示范中心。另外，實驗中心將豐富實驗教學輔助手段，開發或引進虛擬實驗、遠程實驗、網絡實驗等先進的輔助教學系統。
　　
　　4結束語
　　
　　實驗教學是實踐教學的重要組成部分和基礎性環節，在高等教育教學改革中受到了高度關注。實驗教學示范中心擁有優質的實驗教學資源，是高校深化教學改革，推進素質教育，培養學生的創新意識、創新能力和實踐能力，全面提高學生的綜合素質的主要陣地。燕山大學機電液一體化實驗教學示范中心在信息化建設方面從功能定位及建設內容上作了前瞻性的規劃與設計并付諸實施，從科學實驗管理、充實實驗資源、豐富實驗手段等方面開展針對性的建設工作，初步建成了一個功能齊備、性能穩定、可持續性強的信息化網絡平臺。平臺的應用取得了良好的效果，實現了教與學的雙贏。
　　
　　參考文獻
　　
　　[1]教育部高等教育司，關于進一步開展“十二五”高等學校實驗教學示范中心建設工作的通知[EB/OL].（2012-12-03）[2012-10-30]. http: //syzx. cers. edu. cn/ShowPolicy. do.wenid=523&id2=O&sign=l.
　　
　　[2]余建波，楊西強，王瑗，等，高校實驗教學信息化的建設與探索[J].實驗室研究與探索，2010，29 （10）： 150-153.
　　
　　[3]郭大勇，宣華，鄧偉，清華大學實驗教學管理模式改革的新探索——實驗課選課系統的設計與實現[J].高等理科教育，2005（6）： 24-26.
　　
　　[4]思必得信息技術有限公司，實驗室綜合管理系統[EB/OL].（2011-06-03） [2012-10-30]. http: //www. speedcn. net/news/New-sDetail. php? NewsID=572. http://www.baimashangsha.com
　　
　　[5]鄭耀東，蔡騫。ASP.NET網絡數據庫開發實例精解[M].北京：清華大學出版社，2006：60-370.
　　
　　[6]高宏。JavaScript從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2011：16-451.
　　
　　[7]胡百敬，姚巧玫。SQL server 2005數據庫開發祥解[M].北京：電子工業出版社，2006: 36-41.
　　
　　[8]黃聲烈，孫文廣，石景海，實驗教學管理信息系統設計及應用[J].實驗室研究與探索，2009，28 （11）： 197-200.
　　
　　[9]常春，胡仁杰，蔣瑋，網絡化綜合實驗教學管理系統的研究和實踐[J].實驗技術與管理，2007，24 （6）： 94-97.
　　
　　[10]吳志峰，柯崇榕，基于Web的實驗教學中心管理系統設計[J].實驗室研究與探索，2009，29 （11）： 366-368.
　　
　　[11]邱慧，胡飛，朱德貴，基于Web的網上實驗教學預約與管理系統設計[J].重慶工學院學報，2007，21 （7）： 150-152.
　　
　　[12]李文軍，楊娜，劉輝軍，等，實驗教學示范中心教學資源信息化研究[J].實驗科學與技術，2008，6 （5）： 128-131.