運動人體科學實驗教學平臺的設計與構建

李松波， 謝敏豪， 蘇 浩

(北京體育大學，北京 100084)

0 引 言

運動人體科學的研究內容決定了其與實踐聯系緊密，注重應用；所以運動人體科學的實驗教學不僅要使學生加深對基礎理論和基本知識的理解，重要是讓學生在掌握基本技能、經典實驗方法和現代技術手段[1]，提高應用與創新的實踐能力。然而，隨著運動人體科學研究領域的不斷擴大與深入，研究方法日益創新，傳統的實驗教學模式和體系嚴重制約了運動人體科學實驗教學的發展進步；主要可概括為：實驗教學課程安排滯后，實驗教材滯后，實驗教學方法手段滯后和實驗教學考核滯后[2-3]。為此，本文提出了運動人體科學實驗教學平臺的建設。該平臺是將計算機技術、網絡技術和多媒體技術等多種技術相結合，集實驗教學與創新研究于一體的開放式平臺。平臺以虛擬實驗與課堂操作相結合，教師輔導與多媒體輔導相結合，基礎實驗與創新實驗相結合等多種方法，培養學生實驗技能和應用創新的實踐能力。

1 平臺結構設計

考慮到實驗教學平臺的穩定性、擴展性、安全性和易用性，本平臺將采用基于Web的 B/S(Brower/Server，瀏覽器/服務器)多層結構模型(如圖1)。該結構的平臺開發不需要考慮客戶端多操作系統的問題，客戶端不需要安裝任何應用程序，開發與維護等工作都集中在服務器端，用戶只需要能用瀏覽器上網即可。本平臺的構建將采用目前十分優秀的J2EE開發平臺。J2EE是由諸多大型系統開發企業定義和規范的成熟開放的系統平臺，其技術的標準性、通用性和安全性比較高。J2EE所提供的基于構建和平臺獨立的編程環境簡化了程序的編寫；業務邏輯采用程序模塊形式編程，并且J2EE服務器以容器的形式提供服務；編程人員無需開發底層服務[4]。J2EE的基石是Java語言。Java是一種廣泛使用的網絡編程語言，其諸多優點結合Java Web技術可有效降低平臺開發、運行及維護成本；同時，Java的程序框架能優化平臺的結構，實現數據庫的持久化，提高程序的穩定性、可靠性和擴展性。

圖1 B/S結構的實驗教學平臺模型

2 平臺功能模塊設計

模塊化是一種使業務邏輯和底層實現平臺相分離的軟件開發思維模式，它使平臺能夠靈活地構建、集成、維護和測試，且平臺的輕便性、互操作性和可重用性能長期保持，所以本平臺開發采用模塊化的方式。運動人體科學實驗教學平臺主要由管理員模塊、教師模塊和學生模塊等功能模塊構成。平臺的主要模塊[5]如圖2所示。

(1) 實驗課程管理模塊。教師通過此模塊發布實驗信息(如實驗題目、內容、時間、地點和人數)，明確實驗要求和布置預習作業，確定學生名單等。

(2) 實驗設備管理模塊。該模塊主要用于規范管理實驗中的儀器設備和實驗耗材的使用。對儀器設備和耗材統一編碼進行信息化管理，如名稱、型號、廠家、使用說明書等；能夠實時掌握實驗過程中實驗器材損耗情況，使實驗儀器故障能夠得到及時維修，及時根據庫存情況補充消耗物資，保證實驗教學的需要。

(3) 實驗分析評價模塊。該模塊主要對學生的實驗操作過程和結果做出分析和評價。如誤差的主要來源、實驗質量控制和影響因素等，以此提高學生發現問題、分析和解決實際問題的能力。

(4) 實驗資料文檔模塊。該模塊為學生提供專業基礎知識、實驗的相關資料(如參考書目和文獻、經典方法的演示等)。學生在預習或做實驗的過程中，可以隨時查閱這些資料。實驗教學大綱也發布在此模塊中。

(5) 實驗教學論壇模塊。該模塊負責師生間的實驗教學交流。討論區為師生提供一個交流討論的場所，師生可以發布自己的主題信息，提供答疑和了解反饋信息等。

(6) 實驗創新實踐模塊。該模塊主要為激發學生研究興趣，為提高實踐操作與創新能力提供幫助。師生在此開展實驗室質評和模擬室間質評，師生可就自己感興趣的實驗提出建議并可對其中的內容與實驗中心合作開展研究。同時，師生均可將自己的科研內容、成果以文字或視頻的形式發布到“實驗資料模塊”。

(7) 實驗課程選擇模塊。該模塊根據教學大綱及實驗教學安排，提供學生具體的實驗內容、上課時間、地點和人數，指導教師，學分和實驗退選等信息。

(8) 實驗教學指導模塊。該模塊主要負責實驗指導。教師將本次實驗的實驗目的、實驗內容以及相關的實驗器材介紹、部分實驗演示、實驗講解及實驗注意事項等發布到此模塊，學生在課外的任何時間都可以通過校園網了解本次實驗的相關知識，完成實驗前的預習準備工作。

(9) 虛擬實驗教學模塊。該模塊為不同的實驗課程，提供不同的虛擬實驗環境。虛擬實驗即用多媒體技術、網絡技術與虛擬儀器技術等構建虛擬環境，讓用戶通過鼠標的點擊或拖曳操作進行虛擬的實驗；虛擬儀器技術與認知模擬方法的結合使虛擬實驗具有了一定的智能化特征，學生可以在電腦上進行交互式操作，實現了真正意義上的互動模擬[6]。學生進入虛擬環境，借助環境提供的虛擬儀器，在進行實驗設計和操作的過程中，即使操作錯誤也不會造成實驗儀器損壞、試劑浪費和危險發生，同時還會有相應的提示信息，引導學生以正確的方法、步驟進行實驗。這樣，學生在課外有機會選擇項目進行實驗，并在實際的實驗操作前獲得一定的經驗，保證實驗高效完成。重要的是，虛擬實驗內容是側重運動人體科學的實際應用，虛擬的環境和任務是已經實踐過的各種訓練、比賽的動作技術分析、心理干預和運動機能評定等方案，虛擬實驗順利完成后，實驗課可再移至訓練或比賽場地實際完成；這樣，學生在實際操作過程中獲得的真實體驗與經驗，與虛擬實驗的相互印證，實驗教學效果顯著。

(10) 實驗報告提交模塊。該模塊可為各實驗提供不同的實驗報告模板，也支持手寫報告的提交(如創新性實驗方案等)，教師可在線點評。該模塊還可統計學生的出勤情況。

(11) 實驗成績查詢模塊。該模塊主要為學生提供實驗成績的查詢、統計和管理。實驗成績包括：實驗出勤情況，每個實驗操作能力成績，每個實驗報告成績，實驗考試成績等幾部分，在設置相應的權重后，借助該模塊，教師就可以評出學生的實驗總成績。

其中的“用戶管理”模塊主要是對系統涉及的各類用戶的賬號和權限等進行管理，“系統維護”主要包括數據庫備份、IP管理、討論區管理和數據統計等。

3 平臺的優點

(1) 平臺有很強的時間和空間的靈活性。這有利于緩解實驗課時少實驗課程多的矛盾。大部分的實驗教學內容，師生間的討論、答疑可以通過該平臺在課余時間完成。實驗教學平臺利用Internet進行實驗教學，打破了教師與學生、學生與學生之間的相對孤立狀態，更貼近學生的學習需要，從而可以讓學生真正達到根據自己的需要自主學習的目的。平臺的使用還可提高設備利用率和降低實驗教學成本。

(2) 平臺的實驗教學內容以階梯式、漸進式編排成體系。平臺構建了一個從基礎實驗、基本技能、綜合實驗到應用創新實驗的由淺入深的內容體系，有利于實現以學生為本、個性化發展的實驗教學目的。同時，虛擬實驗教學使得實驗內容也不再受實驗室現有儀器設備等硬件的限制，這也將推動實驗教學內容與體系的改革。

(3) 平臺的實時性、互動性和開放性。計算機技術與網絡技術的結合賦予了平臺實時性、互動性和開放性等智能特性。通過網絡將分散的實驗室變成資源共享和管理方便的網絡實驗教學平臺，加強了運動人體科學各子學科間的交流與合作，豐富了實驗資源，在開闊視野的同時充分調動了學生的主動性，給學生提供了更多思考和實踐的機會；有利于實現以學生為本，個性化發展的實驗教學目的；有利于培養學生應用創新的實踐能力。

4 結 語

運動人體科學實驗教學平臺的建設與應用將改變傳統的單一的實驗教學模式，這種將教、學、研構建成一體的開放實驗平臺不僅彌補了傳統實驗教學中的不足；更能充分發揮出運動生理生化、運動解剖和運動生物力學等實驗教學單位的資源優勢，優化實驗教學過程；有利于培養學生實驗技能和應用創新的實踐能力。而且，運動人體科學網絡課程的建設是提高教學水平和適應教育發展的重要手段，是教學改革的趨勢和方向，也是學科建設的重要內容[7-8]。總之，這種以實驗教學平臺信息化建設為軟件基礎，重視軟硬件協同工作的實驗教學模式是當今實驗教學發展的必然趨勢，已在眾多學科的實驗教學中應用[9-15]；是高等體育院校運動人體科學實驗教學發展必經階段。因此，設計并開發該實驗教學平臺具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。

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