數字化實驗教學平臺的構建

王德利，湯海峰，孟 威，孟慶繁，滕利榮

（吉林大學 生命科學學院，吉林 長春 130012）

計算機信息技術的日新月異，數字化、網絡化、多媒體化的信息技術越來越廣泛地應用于教育事業，正在逐漸地改變著高校的教育教學方式［1-2］。近年來，我國高等學校數字化校園建設受到廣泛的重視［3］，作為實驗教學手段的重要創新，數字化實驗教學平臺的建設與應用正在不斷改變著高校實驗教學的現狀，并極大地提高了實驗教學的教學質量和辦學效益。

1 數字化資源庫的建立

（1）實驗教學資料的儲存。實驗教學資料收集要全面。實驗教學指導模塊包括教學大綱、教學日歷、考評方式與標準、教學設計、評價考核、實驗室安全教育等項目；實驗過程管理模塊包括實驗教學及考試安排通知單、實驗成績分析報告單、實驗助教成績評定表、實驗習慣要求等項目；實驗學習指導模塊包括學習指南，教學單元中的重點難點、實驗教材內容、實驗基本技術指導、實驗器材、實驗原理、實驗操作步驟、實驗報告與實驗記錄撰寫方法及要求等項目；實驗教學效果評價模塊包括實驗預習試題庫、實驗考試題庫、實驗習慣成績、預習成績、操作成績、實驗報告成績及實驗總成績單等項目。

（2）照片或圖片的儲存。主要是實驗操作過程和實驗結果的照片。拍攝這些照片時要做到拍攝角度恰當、視角專業、像素適宜、光線充足、圖像清晰。要使用專業照相機拍攝。

（3）視頻或錄像短片儲存。視頻拍攝前要做好充分的場景與器材準備，動作圖像與音頻應分開制作，要為動作的拍攝準備拍攝腳本，為音頻錄制準備解說稿本。要選擇專用實驗室和專業攝像器材，確保錄音和錄像質量。拍攝場景和器材要符合拍攝要求。

（4）CAI（computing assisted instruction）課件的儲存。制作前要對課件的主題和結構有清晰的把握，要做充分的素材準備。首頁應清新整潔、創意新穎、華麗優美，切忌多幅圖片雜亂無章、主題不明、文本繁多、色彩過雜、搭配不當等。次頁目錄要簡單明了，其他所有內容都只能是目錄的陪襯，決不能喧賓奪主。文字內容要言簡意賅、主題鮮明、詳略得當、恰到好處；動畫效果要合理適度；圖文混排要布局合理，背景應清雅，切忌零亂。

2 數字化實驗教學平臺組件

數字化實驗教學平臺包括“虛擬實驗教學系統”等5個子系統，每個子系統都有軟件，并需要進行硬件的購置、安裝、調試。軟件包括驅動程序、安裝程序、服務器軟件、客戶端軟件等；硬件隨子系統的功能不同而有所不同，但基本的構成包括服務器、客戶端計算機、顯示器、高清數碼攝像頭、數字化投影儀、交換機、耳機、數碼顯微鏡等。此外還要制作數字化實驗教學平臺網站，并通過校園局域網與Internet寬帶順暢相連，滿足實驗教學需要。用戶可以在任何時間、地點輕松登錄，利用數字化實驗教學平臺進行學習。

3 數字化實驗教學平臺結構、內容及功能特點

利用計算機進行遠距離網絡學習和交互活動，有利于學生跟進學科前沿發展、提高動手能力和進行基礎性的科研訓練［4］。通過對數字化實驗教學平臺及其子系統的開發、建設及整合，該平臺已廣泛應用在我校實驗教學中，對提高實驗教學質量起到了重要推動作用。

3.1 虛擬實驗教學系統建設

按照實驗教學的要求，虛擬實驗教學系統要提供逼真的實驗環境，要能夠隨意使用和操作所需的虛擬儀器和器材，并依據具體實驗內容，建立與教學內容相適應的實驗教學模型，采用計算機仿真技術，實現實驗過程的仿真操作［5-6］，并能夠對實驗數據進行實時記錄和分析。系統還具有實驗教學所需要的其他輔助功能，如介紹實驗目的、原理和要求，實驗儀器、設備的使用幫助等。學生可以自行選擇實驗動物、實驗器械和處理因素進行實驗設計并完成實驗。

虛擬實驗教學系統采用了計算機虛擬仿真技術與網絡技術，涵蓋了大量的實驗模擬仿真內容。為了提高系統的仿真效果，在設計時應從以下幾方面進行突破：（1）模擬仿真性，采用虛擬現實技術，為使用者構建了一個模擬仿真的實驗環境；（2）互動交流性，利用多媒體編程軟件功能來設計實驗，通過實時的人機交互完成實驗；（3）趣味創新性，模擬實驗生動有趣，設計的實驗內容允許學生自主選擇實驗動物、實驗藥物以及實驗器械，培養了他們的創造性與創新性；（4）網絡開放性，系統通過網絡向用戶開放，實驗者可以自由地進入或退出，具有良好的開放性；（5）用途廣泛性，對教師而言起到輔助教學的作用；對學生而言，則起到知識的預習、熟悉及強化的作用［7］。系統還應具有實驗成本低、難度小、不受時間空間限制，操作簡便易行等優勢。

在進行虛擬實驗設計時，要根據實驗的內容確定是否有必要設計成虛擬實驗；或者在一個實驗過程中，哪一部分內容有必要設計成虛擬實驗，而哪些部分是只設計成示教實驗［8］。在設計虛擬實驗時還要考慮人機交互，要有簡單而形象的操作界面，要方便人的參與和控制，模擬的實驗動物、儀器設備、實驗耗材以及實驗輸出等有較高的仿真性（最好用現場環境和實物照片），顯示的數據、現象要真實直觀。要具體考慮到所在學校的計算機網絡教學環境是否適合開展虛擬實驗教學，要設計出能在教學中應用并能達到減少實驗成本，使教學資源充分共享的虛擬實驗系統。

3.2 精品資源共享課程建設

國家精品資源共享課程是以普及共享優質課程資源為目的，體現現代教育思想和教育教學規律，服務學習者自主學習，展示教師先進教學理念和方法并通過網絡傳播的開放課程。教育部明確要求“精品課程要使用網絡進行教學與管理，相關的教學大綱、教案、習題、實驗指導、參考文獻目錄等要上網并免費開放，鼓勵將網絡課件、授課錄像等上網開放，實現優質教學資源共享［9］”。

我國精品資源共享課程建設起步較晚，尚不能滿足學習者深層次的學習需求［10］。我們所建設的精品資源共享課，以教師和學生為服務主體，也面向社會開放。實驗課程是精品資源共享課的重要組成部分，我們在建設精品資源共享課時盡量避免簡單的課堂搬家，注重實驗技能和實驗現象的展現，對專業性問題進行了深度剖析和詳細論述。在進行內容規劃時，加強對課程的頂層設計，既包括經典的學科知識體系，又融入學科前沿知識和課程建設的學科優勢與特色。在課程設計時，根據需要按實驗技術類型或按實驗項目劃分章節，但始終遵循了“由簡單到復雜，由基礎到綜合”的基本原則，使知識結構形成了一個完整的體系。講授過程中力爭做到取材合適，內容闡述循序漸進，有啟發性、便于自學，使學生能夠掌握基本理論、基本知識和基本技能。

3.3 網絡監控互動系統建設

網絡監控互動系統采用全數字化的計算機壓縮技術，具有“模擬”監控系統無法比擬的許多優點，可以完全自動地對監控對象進行不間斷的全程監控，并可以非常方便地查詢任一時間、任一地點的現場圖像。系統采用先進的數字處理技術，使得圖像質量更高、更易于保存。

信號采集系統是整個網絡監控互動系統的基礎，只有在前端采集到了良好的圖像信號，才有可能在后端進行高質量的回顯與存儲。攝像機的安裝位置直接影響到整個網絡監控互動系統的有效性，攝像機與鏡頭的搭配選擇會直接影響到后端的成像質量，因此在安裝攝像機時要進行仔細定位和系統調整。網絡監控互動系統中的數字監控主機應當具有強大的圖像數據處理能力、卓越的數字圖像壓縮處理技術、整合的系統功能設計、優秀的網絡功能、超強的穩定性以及良好的可擴展性和可升級性。

網絡監控互動系統還可以完成實驗室共享功能，使一個實驗室與其他實驗室通過監控系統、多媒體系統相聯通而實現視頻互動，也可擴展為大型會議的分會場，使多點教學和網絡會議成為現實。計算機網絡監控實驗的遠程功能還可讓用戶通過網絡實時調控異地實驗室的真實設備，通過網絡實時獲得實驗結果，并且所有的數據都是在真實的狀況下得到的［11］。

3.4 實驗教學同步反饋系統建設

實驗教學同步反饋演示系統有效地解決了圍觀教師做動物手術等演示實驗的弊端，也更易于同步觀察動物機體反應與生理波形［12］。該軟件運行于加載TCP／IP協議的Windows2000以上系統網絡，集電腦教室的同步教學、控制、管理、音視頻廣播等功能于一體，能同時實現屏幕監視和遠程控制等網絡管理的目的，是進行多媒體網絡教學的非常好的軟件產品。實驗教學同步反饋演示系統專門針對電腦教學和培訓網絡開發，可以非常方便地進行電腦教學，進行廣播與點播、屏幕監視、遙控輔導、屏幕錄制、屏幕回放、網上語音廣播、兩人對講和多方討論、VCD／MPEG／AVI／MP3／WAV／MOV／RM／RMVB等視頻流的網絡播放等，對于傳統的輔助教學模式來說是一種教學上的突破。

3.5 微格實驗室教學系統建設

“微格教學”（micro-teaching）產生于美國斯坦福大學，它是把現代視聽設備應用于教學，對師范生“角色扮演”課程進行改造而形成的。網絡技術的發展和微格教學的數字化，為網絡環境下的數字微格教學提供了技術支持［13］。在數字化實驗教學平臺中，微格教學環境的主要變化是微格實驗室教學系統的數字化。我們將微格實驗室與多媒體教學設備相結合，配備視頻采集設備和數字化投影機，構建了集計算機、網絡、多媒體、音視頻、存儲、傳輸等多種技術于一體的數字化微格實驗室教學系統。數字化微格教學系統改變了傳統的機電控制方式，采用軟件管理，既增強了控制的精確性，又簡化了指導教師或專業人員的操作程序，體現了易學易用的特點。數字化微格實驗室教學系統將文件納入網絡文件服務器中，不再受傳統微格教學系統使用文件的局限性，使校園網中的特定用戶隨時可以調用文件，最大限度實現了資源共享。微格實驗室教學系統還有可視對講功能、遠程遙控功能、多播功能、評課功能、示范功能、系統多媒體監控及掃描功能、遠程傳送功能等。

4 結束語

數字化實驗教學平臺能夠傳播最新教育觀念與教育信息，創造了教育技術現代化的校園環境，是以學生為本的現代教育發展模式和網絡教學的重要技術支撐，并為教師對教學理念和教學過程的分析和反思提供了素材。數字化實驗教學平臺突破了時間和空間的限制，對提高高等教育教學質量和大學生的創新能力大有裨益。

我國數字化教學起步較晚，數字化實驗教學平臺的建設水平也有差異。雖然我們已經開發并搭建了這一平臺，但還有許多需要改進和優化的地方，主要涉及資源的添加和更新、各環節或節點的銜接、硬件維護和軟件升級等問題。數字化實驗教學平臺建設是一項系統工程，需要具有前瞻性的全面規劃和配套建設來予以支持，更需要有效地組織與協調。在優化與完善實體實驗室的基礎上，不斷地開拓網上教學新模式，建設豐富的數據資源，是今后數字化實驗室的發展方向［14］。

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