實驗課程的開放與監(jiān)控

王揚揚，許 謹，劉 洋

（沈陽航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

現(xiàn)代化高校實驗室已從承擔(dān)傳統(tǒng)單一的實驗教學(xué)任務(wù)轉(zhuǎn)向產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合。在教學(xué)指導(dǎo)思想上也從教師為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自主學(xué)習(xí)的方式。在功能轉(zhuǎn)型的過程中，實行實驗室的開放已成為大家的共識［1－3］。由于學(xué)科特點和側(cè)重點的不同等多種因素，開放形式管理方式也各不相同。但開放過程中一個共性的問題是，相對眾多的學(xué)生，教師和資源是有限的［4－6］。自動化專業(yè)中的自動控制原理、傳感器與測試技術(shù)、模式識別與智能系統(tǒng)等課程是與工程實踐密切相關(guān)的課程，不但要求廣泛的背景知識，而且要求良好的實驗技能。在學(xué)習(xí)中，必須使理論學(xué)習(xí)與實驗密切結(jié)合，才能為將來工程崗位的實踐打下堅實的基礎(chǔ)。因此開放實驗室的建設(shè)及教學(xué)管理有非常重要的意義。

1 開放式實驗課程的教材建設(shè)

開放式實驗課程給學(xué)生提供了更深入的自主學(xué)習(xí)空間。因此我們的實驗指導(dǎo)書不限于具體實驗的目的、方法和步驟。編寫實驗教程的主要目的是總體把握本課程的知識結(jié)構(gòu)，加強實驗設(shè)計能力和實驗技能的培養(yǎng)，為從事工程實驗打下良好的基礎(chǔ)。根據(jù)實驗的教學(xué)目的，可以把實驗分為基本實驗、設(shè)計和綜合創(chuàng)新性實驗、虛擬實驗和課外科技實驗。

為了保持背景知識的系統(tǒng)性，我們按照教學(xué)大綱確定實驗教程的結(jié)構(gòu)。教材中，簡述有關(guān)實驗的理論基礎(chǔ)，例如以表格形式給出誤差分析與數(shù)據(jù)處理方法和測量系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性等，便于參考。對每個實驗項目，結(jié)合實驗操作和工程實際設(shè)計思考題。對于課外科技實驗的類型，介紹典型的實驗工程實驗項目，全面、綜合訓(xùn)練學(xué)生。盡管這是一種教學(xué)實驗，但也要按照工程實驗的要求編寫技術(shù)文件。本教程首先介紹如何撰寫工程實驗的技術(shù)文件，其中包括技術(shù)報告的格式和內(nèi)容、技術(shù)備忘錄和投標書等。

2 開放式實驗的監(jiān)控系統(tǒng)

以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的實驗管理系統(tǒng)，實際上要更加注重教學(xué)的管理和監(jiān)控。根據(jù)本專業(yè)的特點，特別要防止因誤操作引起的人身安全事故和貴重設(shè)備的非正常損壞。因此，要根據(jù)實驗室開放內(nèi)容的不同，采取相應(yīng)的管理和監(jiān)控形式。

2.1 監(jiān)控方式

實驗室的開放主要分為教學(xué)型，研究型兩大類。其中教學(xué)型開放主要面向本科生的基本實驗，學(xué)生做開放實驗前要預(yù)約并提交實驗計劃和方案［7］，教師審查通過后，才能進入實驗室，并且在開放過程中，教師要給予必要的指導(dǎo)，實驗結(jié)束時驗收。這類開放模式通常要求教師值守在實驗室，進行設(shè)備維護和管理工作。而研究型開放主要面對本科生的創(chuàng)新實驗和課外科技實驗，以及教師和研究生的科研和產(chǎn)品開發(fā)，實驗者的自主性較強。教師可通過監(jiān)控設(shè)備遠程監(jiān)視和管理。這樣可同時開放多個實驗室進行不同內(nèi)容的實驗研究，提高了資源的使用率，節(jié)約了人力。具體的監(jiān)控辦法有以下2種。

（1）實驗影像監(jiān)控。模式識別與智能系統(tǒng)的研究熱點包括行為學(xué)習(xí)、視頻監(jiān)控等，實驗室中配備大量的攝像采集等設(shè)備供研究使用，恰當利用這些設(shè)備，分別安裝在各個實驗室，建立影像監(jiān)控系統(tǒng)，既可以作為研究數(shù)據(jù)使用，又可以檢查學(xué)生在實驗室是否有違規(guī)操作行為，以及人員離開后實驗室是否斷電等，保證實驗室的安全。如果出現(xiàn)違規(guī)或不安全隱患，系統(tǒng)通過遠程網(wǎng)絡(luò)自動報警，教師可及時到現(xiàn)場作相應(yīng)處理。

（2）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。實驗室原有的網(wǎng)絡(luò)功能主要用于課程資源的分享，對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的監(jiān)控、學(xué)生上機信息的深入分析做得還不夠。利用信息統(tǒng)計、知識挖掘等技術(shù)，可以監(jiān)控學(xué)生是否違規(guī)，同時獲取學(xué)生感興趣的知識點、薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地指導(dǎo)學(xué)生［8－9］。

對主要使用計算機的實驗項目，這種網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)可以監(jiān)督評價學(xué)習(xí)行為和效率，對自我約束力較差的情況，給予及時的指導(dǎo)和幫助，保證實驗室正常的教學(xué)秩序；同時針對學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析，可以及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和策略，實現(xiàn)個性化教學(xué)。教師在監(jiān)控中心，通過影像和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，及時掌握各個實驗室的情況，保證開放時間和開放效率。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

監(jiān)控系統(tǒng)的建立、運行和維護結(jié)合本學(xué)科的教學(xué)和科研進行。教師帶領(lǐng)研究生具體安裝系統(tǒng)研發(fā)軟件，維護并監(jiān)管系統(tǒng)的正常運行，同時指導(dǎo)本科生做一些力所能及的基礎(chǔ)實驗。

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件整體框架，主要是由高清攝像頭等傳感器組成的監(jiān)控終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心三大部分構(gòu)成。監(jiān)控中心派人職守，屋中設(shè)置包括計算機、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、報警器等，用于實時顯示各實驗室的運行狀況，并且能保存一周的錄像資料，可同時人工監(jiān)控和軟件智能識別，降低軟件誤識率。

軟件體系如圖1所示，同樣采取3層結(jié)構(gòu)［10］：底層為數(shù)據(jù)庫，存放采集的視頻圖像；控制層為第二層，該層是整個系統(tǒng)的核心，根據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷實驗室內(nèi)是否有異常行為；高層為用戶層，是用戶監(jiān)控界面，用戶通過軟件界面實現(xiàn)操作控制。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

整個監(jiān)控系統(tǒng)將原本單純?yōu)榭蒲惺褂枚徶玫谋O(jiān)控設(shè)備作為終端設(shè)備，充分挖掘其使用價值，減少閑置率，便于管理。本系統(tǒng)的開發(fā)鍛煉了團隊的科研和產(chǎn)業(yè)化能力，提高了教學(xué)效果，充分利用了實驗室資源。

3 結(jié)束語

開放式實驗室的建設(shè)可促進對學(xué)生能力的培養(yǎng)和科研教學(xué)的改革。監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)還為教師和學(xué)生提供了一個很好的工程實踐機會和學(xué)習(xí)平臺，管理和教學(xué)一舉兩得。其優(yōu)點主要有以下幾個方面：

（1）創(chuàng)新精神和主動性的培養(yǎng)。實驗教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，通過實驗環(huán)節(jié)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教師可以從監(jiān)控軟件編寫任務(wù)中拆分出若干適應(yīng)學(xué)生能力的子任務(wù)，交給學(xué)生完成，這樣增強了學(xué)生的責(zé)任感和自豪感，變被動的要我學(xué)為主動的我要學(xué)。每當學(xué)生完成一個任務(wù)并看到實際效果時，會極大地增強自信心和積極性，同時激發(fā)鉆研和創(chuàng)新精神，逐步挑戰(zhàn)難度更大的任務(wù)。

（2）團隊精神和情商培養(yǎng)。學(xué)生參與到科研團隊［11－12］，可以更加深切地體會團體的力量，在統(tǒng)一的框架指導(dǎo)下，大家分工協(xié)作，才會創(chuàng)造成果，共同進步。在團隊中，通過與他人的交往討論，可以學(xué)習(xí)別人的優(yōu)點，鍛煉人際交往能力，提高自己的情商。

（3）提高就業(yè)競爭力。學(xué)生雖然在大學(xué)期間接觸很多課程，但對特定的工程實踐接觸較少，通過監(jiān)控系統(tǒng)建立、維護的教學(xué)研究，學(xué)生可以了解工程實踐的基本過程，開闊眼界、提高動手能力，彌補缺少實際生產(chǎn)實踐的劣勢，提高就業(yè)競爭力。

（4）師資培養(yǎng)。開放監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)不僅對學(xué)生，對缺乏工程實踐背景的青年教師也有很大的培養(yǎng)價值，另外，監(jiān)控系統(tǒng)獲取的大量影像網(wǎng)絡(luò)資料，又為科學(xué)研究提供了豐富多元并且真實的數(shù)據(jù)資源，教師可以探討各種算法研究，并加以實際驗證，不斷改進現(xiàn)有系統(tǒng)，完善規(guī)章制度，更好地開放實驗室，實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研齊頭發(fā)展。

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