唐朝暉， 吳元喜

(華中科技大學 國家級生命科學與技術虛擬仿真實驗教學中心， 湖北 武漢 430074)

基于虛實融合的智能實驗室開放管理系統(tǒng)

唐朝暉， 吳元喜

(華中科技大學 國家級生命科學與技術虛擬仿真實驗教學中心， 湖北 武漢 430074)

針對實驗教學模式中的人員、器材、過程等管理問題，設計了智能實驗室開放管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以虛實融合學習為核心，以微信、網(wǎng)站、APP為互動信息平臺，以手機、計算機、平板等多終端為載體，結(jié)構科學嚴謹，使用便捷高效，在虛實融合開放實驗教學實踐中取得了良好的應用效果。

實驗室開放管理； 虛實融合； 開放式實驗教學

2012年教育部發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》明確指出，“要為每一名學習者提供個性化學習的信息化環(huán)境和服務”[1]。信息化背景下的個性化人才培養(yǎng)已經(jīng)成為未來教育發(fā)展的主要方向，而基于虛實融合的開放式實驗教學模式倡導以學生為主體，以充分發(fā)展學生能力為目的，為學生個性化培養(yǎng)提供了良好的教育示范[2-3]。

20世紀60年代初，美國率先提出了“開放實驗”的概念，國內(nèi)也從上世紀80年代提出并提倡進行開放式實驗教學模式的實踐與推廣[4]。然而，如何在保障安全的前提下提高實驗室資源的利用率，將實驗時間、資源、空間、內(nèi)容等對學生全面開放？尤其是生物學實驗，內(nèi)容更新快、周期長、原理復雜、試劑昂貴、不安全因素較多等在一定程度上阻礙了開放式實驗教學的全面實施。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術、移動終端設備的發(fā)展，為構建實驗室全開放的信息化管理體系，促進開放式實驗教學的開展提供了有力的技術支持。

近年來，迅速發(fā)展的虛擬仿真實驗技術也為開放式實驗教學創(chuàng)造了良好的條件[5]。我校生命科學與技術學院實驗教學中心自2008年起就開始在生物學及生物醫(yī)學工程、生物物理等交叉學科領域進行虛擬實驗技術的研究[6]。2014年獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱“中心”)，中心在虛擬實驗教學資源的建設、虛擬仿真平臺構建等方面積累了豐富的資源與經(jīng)驗，已初步形成以“理工醫(yī)交叉、產(chǎn)學研一體”為特色、虛實融合的實驗教學體系[7-8]。

本文就以虛實融合的開放式實驗教學為基礎而構建的智能實驗室開放管理系統(tǒng)及實踐作一概述，旨在能夠全方位支撐研究型大學拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 開放式實驗教學面臨的主要問題

教學管理主要指管理者通過一定的管理手段，使教學活動達到人才培養(yǎng)目標的過程，是正常教學秩序的保證[9-10]。由于開放式實驗教學具有實驗人員、時間、內(nèi)容等多方面的不確定性，給實驗教學管理帶來了較多問題[11-12]，在生物學實驗教學中主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

(1) 器材管理：如何在學生進行實體開放實驗前收集、整理學生對實驗器材的個性化需求，如何根據(jù)具體實驗人員、時間、內(nèi)容等安排對實驗試劑、耗材、設備等進行及時調(diào)配及準備，如何保證學生能夠安全、規(guī)范地進行試劑配制、儀器使用，實驗過程中各類實驗器材的損壞、增補等如何得到及時反饋等。

(2) 人員管理：如何確定實體開放實驗的學生名單及其實驗時間、實驗內(nèi)容，如何在實驗指導教師與學生之間建立及時、有效、一一對應的互動，以使學生在實驗過程中能夠得到教師及時的指導與評價等。

(3) 過程管理：如何保障學生在實體實驗過程中的安全，如何培養(yǎng)與督促學生在實驗過程中養(yǎng)成良好的基本實驗素養(yǎng)，如何對學生實驗過程進行考核，如何對實驗結(jié)果進行形成性評價等。

上述教學管理問題表明，構建一個高效運行、方便實用的開放實驗教學管理體系非常有必要。總結(jié)了多年開放實驗教學經(jīng)驗，從開放實驗教學的各個環(huán)節(jié)入手，以安全、高效、及時、方便為原則，使用網(wǎng)站、微信、APP等信息交流平臺，以手機、計算機、平板等多終端為應用載體，以虛實融合學習為核心，設計了智能實驗室開放管理系統(tǒng)，在實踐應用中取得了良好的效果。

2 智能實驗室開放管理系統(tǒng)的組成及功能

智能實驗室開放管理系統(tǒng)主要由系統(tǒng)管理模塊、教師課堂管理模塊、學生學習管理模塊、師生互動模塊和虛實融合學習模塊5個部分構成，其結(jié)構及相互關系見圖1。

圖1 智能實驗室開放管理系統(tǒng)基本構架

2.1 系統(tǒng)管理模塊

該模塊包括用戶管理系統(tǒng)、實驗器材采購系統(tǒng)、實驗預約系統(tǒng)等部分，是對實驗教學中心用戶、設備、耗材等的綜合管理模塊，也是協(xié)調(diào)其他模塊之間互動的主要部分。

(1) 用戶管理系統(tǒng)包括學生用戶、實驗教師用戶、教輔教師用戶及其他管理員用戶，用戶模塊主要用于對各類各級用戶進行授權、編輯等管理，確保用戶之間、用戶與系統(tǒng)之間的有效銜接。

(2) 實驗器材采購系統(tǒng)是對中心設備及耗材的使用、購買、庫存等的動態(tài)管理，教師用戶可以查看庫存情況，提出購買或使用申請，其中試劑按照國家危險化學品管理標準進行分級，對使用者規(guī)定了權限。大型設備或易出危險的設備使用申請者，必須有培訓或虛擬操作經(jīng)驗方可通過設備的預約申請。

(3) 實驗預約系統(tǒng)可以讓學生有條件地預約開放實驗所需的實驗室、實驗桌、實驗主要設備等。這里的條件是指教師布置的預習任務，包括文獻閱讀、預習報告、課題實驗方案、虛擬實驗項目等。

2.2 教師課堂管理模塊

該模塊包括教師所授實驗課堂各類信息管理，實驗室遠程監(jiān)控與管理、遠程電源監(jiān)控系統(tǒng)、實驗器材訂購、使用授權管理系統(tǒng)等，便于實驗教師在開放式實驗教學中，通過網(wǎng)絡對實驗臺、實驗材料、實驗儀器等使用進行授權，并能夠?qū)崟r遠程動態(tài)掌握學生的實驗、虛擬實驗等各個環(huán)節(jié)的完成情況，并在異常情況下，及時采取停電等措施，消除安全隱患，保障人員和設備安全。

2.3 學生學習管理模塊

該模塊包括學生的實驗課程、實驗項目、實驗成績、實驗報告、教師對實驗過程的反饋等各類個性化學習信息以及與實驗預約系統(tǒng)、師生互動系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、虛擬實驗系統(tǒng)等各類學習資源的鏈接。

2.4 師生互動模塊

基于微信平臺的師生互動平臺，可以讓師生之間交流更加及時有效，既可以隨時進行實驗課程、材料設備使用等各類信息與技術的交流，也可以及時推送相關實驗的參考文獻、虛擬實驗資源、預習作業(yè)、實驗報告等實驗相關各類資料。

2.5 虛實融合學習系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括虛擬實驗學習、實體實驗輔助等，是整個系統(tǒng)的核心部分。學生通過網(wǎng)絡共享的碎片化虛擬實驗項目的學習，可以熟悉開放實驗的各個環(huán)節(jié)或開展實驗設計，做好實驗前的充分準備；通過設備使用學習系統(tǒng)、試劑使用說明等自主學習輔助工具，學生可以在虛擬實驗的基礎上，及時得到實體實驗必備的相關信息及幫助，順利開展自主實體實驗，真正做到虛實融合。

3 智能實驗室開放管理系統(tǒng)實踐案例

我?！吧锟茖W大實驗”“生物技術大實驗”“生化與分子生物學綜合實驗”等綜合實驗課程學時數(shù)多、實驗項目綜合性和設計性強，有的直接從科研項目轉(zhuǎn)化而來，學生是具有一定實驗基礎的大學三年級學生，因此開放式實驗教學模式一直是我校采取的一種主要的教學形式。此外實驗教學中心還承擔了學院本科生包括iGEM、BioMod在內(nèi)的各級各類學科競賽輔導、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的部分項目等，這些對實驗室的開放管理提出了較高的要求。

圍繞智能實驗室開放管理系統(tǒng)，通過虛擬資源使用，激發(fā)學生學習興趣，強化實驗基礎技能；通過學生在線學習考核、虛擬仿真操作與評價以及師生互動，了解學生實驗情況，落實實驗各個環(huán)節(jié)；通過網(wǎng)絡化智能管理系統(tǒng)，提高過程管理效率，保障學生實驗安全；通過形成性評價體系，促進教學目標達成，提高學生綜合素質(zhì)。

3.1 實踐案例

圖2以學生開展一個虛實融合的開放綜合實驗項目的過程為主線，具體描繪了智能實驗室開放管理系統(tǒng)各個組成部分在學生實驗的各個環(huán)節(jié)上如何發(fā)揮管理與服務功能的。

圖2 開放管理系統(tǒng)在虛實融合實驗教學中的應用

圖2中的實線長方框為智能實驗室開放管理系統(tǒng)的組成部分，虛線長方框為學生實驗活動，菱形框為教師/系統(tǒng)對學生相關行為/信息的判斷部分。

3.2 系統(tǒng)特點

在學生與教師頻繁互動的教學活動中，智能實驗室開放管理系統(tǒng)在時間、空間、質(zhì)量、安全、評價等方面體現(xiàn)了下述特點：

(1) 以學生為主體，體現(xiàn)教學服務理念。網(wǎng)絡共享虛擬實驗資源、通過二維碼或APP即可查詢的設備及試劑使用說明等為學生開展綜合性、創(chuàng)新型實驗提供了便利，使學生更加專注于創(chuàng)新實踐活動內(nèi)容。

(2) 以網(wǎng)絡為載體，使教學資源、實驗資源信息推送等各類信息可以在手機、計算機、平板等終端上自由使用，使管理高效、便捷。

(3) 針對實驗課堂教學設計的微信交流平臺，保障師生間的即時互動、信息及時推送。

(4) 每個學生一個實驗桌、一個實驗時間段，使實驗教學過程的管理與評價更科學，有利于教師對學生進行個性化指導與管理。

(5) 設備使用狀態(tài)監(jiān)控等預警及阻止環(huán)節(jié)的設置，進實驗室前的師生安全考試等為開放實驗過程提供了安全保障。實驗室責任人可以遠程管理實驗室，處理應急事故，避免事故的發(fā)生和擴大。

(6) 通過遠程監(jiān)控學生的實驗情況，使教師可以隨時監(jiān)督及控制開放實驗活動的各個環(huán)節(jié)，提高了教學效率。

3.3 應用成效

隨著智能實驗室開放管理系統(tǒng)的運行與完善，開放式實驗教學也逐漸被教師所接受。目前，實驗教學中心已經(jīng)有一半以上的專業(yè)實驗課或基礎實驗課的部分實驗項目采用了開放實驗教學，相對于幾年前的2～3門開放課程，數(shù)量得到很大提高。

新的實驗教學模式也帶來了良好的教學效果：從學生方面看，學生整體實驗設計能力、獨立操作能力、表達及與人溝通能力等有所提高，在近幾年國際、國內(nèi)各個級別的學科競賽中取得了優(yōu)異的成績，如在iGEM國際遺傳工程機械設計大賽中，我校團隊2014年獲國際銀獎，2015年和2016年獲國際金獎；在BIOMOD國際生物分子設計大賽中，我校團隊2015年獲國際金獎，2014年和2016年獲國際銀獎；在省級大學生生物實驗技能競賽中，我校學生2014年獲4個一等獎，2016年獲3個一等獎和2個二等獎；另外還有100多人參與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，發(fā)表了20多篇研究性論文。從教師方面看，學生水平的提高及開放實驗的實施對教師提出了新的、更高的要求，促使實驗指導教師不斷提高自身的教學水平，積極參加教學改革及專業(yè)研究。近年來，在教學研究、教學競賽、課題研究等多方面獲得了多項獎勵，如中心獲得3個省級教學研究項目，1個教學研究項目獲校級教學成果特等獎，1人在學校教學競賽中獲一等獎，發(fā)表教學研究論文20多篇。

4 結(jié)語

信息化背景下的基于虛實融合的開放式實驗教學更加注重學生個性化發(fā)展及教師多樣化指導，這對教學管理提出了較高的要求。針對目前開放式實驗教學實踐中遇到的管理方面的問題，設計了以虛實融合學習為核心，以微信、網(wǎng)站、APP等為互動信息平臺，以手機、計算機、平板等多終端為載體的智能實驗室開放管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對開放實驗教學中器材、人員、過程等方面進行科學高效的管理，在實驗教學中既調(diào)動了學生學習的主動性、積極性，也提高了教師的實驗教學與指導水平，取得了良好的應用效果。

References)

[1] 教育部. 教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)[EB/OL].(2012-03-30). http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201203/t20120313_133322.html.

[2] 劉妍, 顧小清, 顧曉莉, 等. 教育系統(tǒng)變革與以學習者為中心的教育范式：再訪國際教學設計專家瑞格魯斯教授[J]. 現(xiàn)代遠程教育研究，2017(1):13-20.

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Open management system for intelligent laboratory based on virtual-actual integration

Tang Zhaohui, Wu Yuanxi

(National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Life Sciences and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In view of the management problems about personnel, equipment, process, etc., in the experimental teaching mode, the open management system for the intelligent laboratory is designed. This system takes the virtual-actual integrated learning as a core, the WeChat, the website and APP as the interactive information platform, and the terminals such as mobile phones, computers, tablets, etc., as a carrier, its structure is scientific and rigorous, and its utilization is convenient and efficient. The good application effect is achieved in the practice of the virtual-actual integrated open experimental teaching.

laboratory open management; virtual-actual integration; open experimental teaching

G642.0

A

1002-4956(2017)10-0226-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.056

2017-04-09修改日期2017-06-02

國家自然科學基金面上項目(31571303)；湖北省高等學校省級教學研究項目(13067)

唐朝暉(1968—)，女，江蘇鎮(zhèn)江，博士，高級工程師，研究方向為人類遺傳學及實驗教學.

E-mail：zh_tang@hust.edu.cn