開放性創新實驗室建設與探索

文/江 敏 王麗萍 吳 剛 張 力 唐 帥

開放性創新實驗室建設與探索

文/江 敏 王麗萍 吳 剛 張 力 唐 帥

實驗室是誘導創造力和培養實踐能力的主要場所，但受到傳統實驗教學體系的制約，教學模式僵化和封閉式管理，限制了學員獨立探索能力和實踐能力的培養和發展，無法適應創新型人才的培養需要。針對這一問題，本文通過查閱資料和到國內高校實地調研，設計了集成實驗室日常辦公、實驗教學管理、資產管理、耗材管理、實驗室無人值守、自動派位、電子實驗報告、實驗過程控制等多種功能的開放式創新實驗室管理系統，實際運行狀況良好，取得了較好的效果。

開放性；創新；實驗室建設；信息管理系統

美國教育技術CEO論壇第4年度報告中明確指出，21世紀學生應該達到的能力素質包括：基本學習技能、信息素養、創新思維能力、人際交往與合作精神和實踐能力。實驗室作為誘導創造力和培養實踐能力的主要場所，在培養學員獨立探索能力、實際動手操作能力和科學研究興趣等方面具有獨特的優勢和明顯的功效。但在傳統的高校實驗教學體系下，普遍存在學員興趣不濃、參與性不高、缺乏創新意識和發展潛能、教學模式僵化、實驗室采用封閉式管理、實驗室及儀器利用率低等問題，學員的創新能力、發現問題和解決問題的能力不能得到有效培養，無法適應創新型人才的培養需要。而開放式創新實驗室，在完成對學員的基本實踐能力訓練的基礎上，由學員根據自己的興趣和特長獨立擬定實驗方案，組成合作團隊，設計實驗技術路線，獨立操作完成實驗過程，實驗完成以后對實驗結果和實驗報告進行審查和評估。由于它能一改傳統的實驗教學與管理模式，充分體現以人為本的教學理念，在培養和提高學員的創新精神和實踐動手能力，實現高校實驗教學資源優化利用、促進教學觀念和學風轉變、滿足分層次和個性化教學要求等方面起到十分積極的作用，因此近年來成為我國高等院校推崇和探究的新型實驗教學與管理方式。

1.開放式創新實驗室研究現狀

麻省理工學院于上世紀60年代創設了具有代表性的“設計性實驗”，其要點是：由學生自己或學生與教師商討選擇實驗題目，實驗方案的擬定、一起的配置、測量和操作，以致實驗中出現的故障的排除等皆由學生自己完成，教師只在必要時給予指點，實驗時數和最終要求也不作硬性規定，由學生根據自己的時間、能力和興趣來安排。從1964年開始在150名一年級本科生中試行，效果良好。受此影響，60年代后期開始，國外許多大學開始了類似于麻省理工學院實驗室的教學改革。

通過文獻分析，以及對浙江大學、復旦大學、東南大學、南京大學、國防科技大學、重慶大學、北京理工大學、清華大學等軍內外重點高校的電工電子類實驗教學中心調研，基本掌握了目前開放式實驗教學和管理的現狀：主要重點高校均正推行和深化實驗室的全開放式管理和開放式自主實驗教學模式。各重點高校均積極、充分利用校園網、一卡通（或IC卡）、實驗室自動派位系統、門禁系統和視頻監控系統，用信息化管理手段實現實驗室的全開放式管理。如浙江大學電工電子實驗中心按照“夯實基礎、拓展思維、綜合創新”的理念構建了以能力培養為主線、體現“提高基本素質，培養綜合能力，引導創新實踐”的實驗教學體系，開設了基礎型、設計型、綜合型和自主創新型等多層次、多種教學模式的實驗。并以成功開發“開放式實驗室管理系統”等為標志的多維實驗環境的建設，以及“EDA實驗仿真教學”和“啟發式、探究式、研討式”等教學方法的運用，形成適合學生自主創新實踐的教學模式，以滿足研究型、大學創新型人才培養的需求。

2.開放式創新實驗室的作用

開放式創新實驗室并不僅是將實驗場所及其儀器設備在時間和空間上面向學生開放，而是堅持教育面向現代化，面向世界，面向未來開放，從根本上改革傳統的實驗教學模式，做到實驗教學目標、教學內容、教學策略、教學評價以及教與學角色關系的開放。與傳統的實驗教學模式相比，具有以下優勢：

（1）培養學員創造力

實驗室的全面開放，使得學員由被動接受轉變為主動選擇，能夠根據自身的特點和興趣，選擇難度合理的實驗方案，或是自行設計、自主完成興趣所在的實驗項目，在實驗的過程中，不僅使理論密切聯系實際，也能促進學習能力和實踐技能的形成。通過教員的合理引導，充分發揮學員的個性，進一步提升興趣和主動性，形成有益的正反饋，發掘學員潛能，提升其創新性和創造力。

（2）提升實驗靈活性

開放性創新實驗室在時間和實驗室資源上向學員和教員全面開放，突破了實驗學時和實驗設備有限的限制，給師生提供了一個寬松的實驗環境，不受時間的限制，根據自身的實際情況選擇時間到實驗室進行實驗，有利于合理地利用有限的資源，最大限度地滿足人才培養的需要，提高了實驗室的靈活性和使用效率。

（3）促進教學團隊建設

實驗室的全面開放不僅體現在時間上，更多體現在內容上。為了能夠解決學員在實驗中遇到的問題，原有的實驗項目知識儲備難以滿足需求，對教員在業務上提出了更高的要求，必須努力提高自身的理論素養，積極探索新的實驗內容和實驗方法，掌握更多的實驗技能，具有更多的理論和實際經驗，從而促進了教學團隊的建設與發展。

3.實驗室建設目標

2 0 0 9年以來，依托軍隊院?！?110”二期建設和學院整體搬遷大學城實驗室建設，學院共投入大量經費，使全院實驗室的硬件條件得到了根本改善，實現了跨越式發展。隨著實驗室基本建成并正式投入使用，如何在課內、課外使用好實驗室，提高實驗室利用率，進一步促進教學與科研中心工作，提高人才培養質量，促進學員綜合實踐能力和創新能力的提高，成為首長、機關和廣大實驗室工作人員關注的重點問題。

我們在訓練部教務處和教保處的指導下，通過3年多的前期研究，以電工電子實驗室為對象，對如何利用好實驗室、加強實驗室的教學和管理改革，進行了一系列探索與實踐以期探索出一套具有我院特色的實驗室教學與管理的模式。我們認為，要合理利用好實驗室，實現首長和機關的意圖，根本出路還是全力實現實驗室的開放式教學和管理。在完成對學員的基本實踐能力訓練的基礎上，實驗室在時間、空間、內容和教學方法等方面對學員開放，由學員自主選擇并進行實驗學習與研究。由于它能一改傳統的實驗教學與管理模式，充分體現了以人為本的教學理念，在為培養和提高學員的創新精神和實踐動手能力，實現實驗室資源優化利用、促進教學觀念和學風轉變、滿足分層次和個性化教學要求的需要等方面起到十分積極的作用。

立足于如何使用好實驗室，提高實驗室利用率，著眼提高人才培養質量，促進學員綜合實踐能力和創新能力，首次站在全院實驗室和構建整個實驗室開放式教學和管理體系的層面上，探索出一條符合我院實情，可操作性強、便于復制的實驗室開放式教學與管理模式。

4.實驗室建設方案

針對我院機電類、大學物理類基礎實驗室的特點，在訓練部教保處的具體指導和支持下，自主設計的一套實驗室綜合信息化解決方案。系統集實驗室日常辦公、實驗教學管理、資產管理、耗材管理、實驗室無人值守、自動派位、電源自動控制、電子實驗報告、實驗過程控制等功能于一體，獨具特色，擁有完全知識產權。

圖1 系統總體構成示意圖

系統采用B/S和C/S混合架構設計。主體采用Brower/Sever結構體系，具有易安裝、成本低、易升級、可擴充、完全開放、不受站點物理空間限制等特點，系統功能、界面的升級、維護均在服務器端即可完成，客戶端（教員機和學員機）不需安裝其它過多的軟件，使用IE瀏覽器就可以完成主要任務，減輕了客戶端的維護工作，同時為遠程管理和應用提供了便捷的途徑。對于特殊環節，通過C/S結構設計的結合實現系統來補充B/S結構讓系統更加合理。同時也體現了C/S架構與硬件結合的緊密性，制造出系統穩定性和自由度發揮的完美結合。

系統通過了多級的安全認證，并在權限控制上做了大量工作，使權限分配合理有效，并在系統中設有內含敏感操作的系統日志，使整個系統的完整性和可維護性得到了極大提高。

系統的主要內容和特點為：（1）建立了專門的網站，配備了專用服務器，為每個實驗位配置了計算機，開通了數字化校園網絡端口，數字化校園資源可直接進入實驗室和實驗環節；（2）構建了實驗室高清監控系統，實現了實驗室無死角高清監控，實驗室管理員在監控室就能全面了解每個實驗室每位學員實驗情況；（3）開發了自動派位和與之配套的門禁系統。學員可利用一卡通在觸摸屏自動派位機上自主預約實驗（也可在校園網上直接預約），預約成功后，在預約時間內，學員可自行到選定的實驗臺位上開展相關實驗，不需要教員干預，實現了自主性、開放性實驗；（4）針對軍隊院校實驗教學組訓特點，設計了基礎應用型、綜合創新型和自主型三類實驗的科學、人性化操作流程，使在人員有限、時間有限的情況下開展更多自主性、創新性、綜合設計性實驗成為可能，并極大地提高學員的學習興趣和學習的主觀能動性；（5）依托實驗位信息化終端和數字化儀器設備，通過研制的關鍵實驗數據和圖形在線采集、電子操作實驗報告和電子版實驗報告管理系統，結合門禁、電源自動控制和視頻監控等手段，實現了對實驗教學全過程的有效控制和實驗報告的“無紙化”，確保了實驗教學質量的管控和逐步改善。

5.結語

通過建設，設計了集成實驗室日常辦公、實驗教學管理、資產管理、耗材管理、實驗室無人值守、自動派位、電子實驗報告、實驗過程控制等多種功能的開放式創新實驗室管理系統，實現了實驗報告的“無紙化”和實驗室的高效、便捷管理，在運行中節約了大量的物資采購、人員和時間成本，為學員自主實驗創造了有利的條件，為人才培養提供了良好的基礎支撐。

（作者單位：解放軍后勤工程學院機械電氣工程系）

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