高校實(shí)驗(yàn)室綜合管理體系改革的探索

張無(wú)奇, 王興鈺, 沙 毅, 張立立

(東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 國(guó)家級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,沈陽(yáng) 110819)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高等教育的快速發(fā)展，高校學(xué)科建設(shè)[1]、科學(xué)研究工作的快速提高、學(xué)校管理變革的推進(jìn)[2]、儀器設(shè)備日益增多，高校的設(shè)備資產(chǎn)在數(shù)量和質(zhì)量上都得到了快速增長(zhǎng)和提高，極大地改善了教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)室裝備條件。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)范化、復(fù)雜化的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室管理工作也變得繁重和復(fù)雜。以傳統(tǒng)的人工、紙質(zhì)記錄管理方式為主的實(shí)驗(yàn)室管理模式已很難適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代化管理模式[3]。從全國(guó)高校實(shí)驗(yàn)室的使用效益評(píng)估的結(jié)果來(lái)看，使用效益、經(jīng)濟(jì)效益和管理機(jī)制的提高迫在眉睫，亟需一種高效便捷的實(shí)驗(yàn)室管理模式為其提供保障[4]。

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心在實(shí)驗(yàn)室課程評(píng)價(jià)體系和信息化方面做了大量工作[5]，但是實(shí)驗(yàn)課作為理論課的一部分，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本都是對(duì)理論課程的原理驗(yàn)證和綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)考試環(huán)節(jié)，最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)的給出也只是籠統(tǒng)地給出實(shí)驗(yàn)總成績(jī)。因此有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的評(píng)價(jià)體系[6]進(jìn)行改革，并且將信息化網(wǎng)絡(luò)化這些先進(jìn)的教學(xué)手段融入實(shí)驗(yàn)課程改革，更能起到事半功倍。總結(jié)實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)仍然存在一些問(wèn)題[7]：

(1) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和考核評(píng)價(jià)體系[8]不規(guī)范，缺少有效的監(jiān)督環(huán)節(jié)，而且對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程和考核管理都是靠人工完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作量繁重。

(2) 計(jì)算機(jī)示范中心的信息化建設(shè)不健全，缺少教學(xué)管理系統(tǒng)[9]，包括智能排課、考試管理、選課管理、成績(jī)管理、教材管理、實(shí)踐管理、教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)室安全及設(shè)備管理系統(tǒng)等信息化模塊。

(3) 學(xué)生出勤評(píng)價(jià)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，到實(shí)驗(yàn)室后需要進(jìn)行紙質(zhì)簽到。不僅浪費(fèi)資源，而且教師也要按照學(xué)生名單簽到本進(jìn)行核對(duì)，統(tǒng)計(jì)出勤情況，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。還有可能出現(xiàn)學(xué)生代簽到，造成出勤評(píng)價(jià)不客觀。

(4) 實(shí)驗(yàn)課堂表現(xiàn)評(píng)價(jià)。現(xiàn)有教學(xué)評(píng)價(jià)是教師對(duì)學(xué)生“一對(duì)多”單方向上，憑借教師對(duì)學(xué)生在課堂上或?qū)嵙?xí)期間觀察與了解，或依據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告及實(shí)習(xí)報(bào)告來(lái)鑒定，不能對(duì)實(shí)驗(yàn)的課堂表現(xiàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打分。所做的教學(xué)評(píng)價(jià)不能客觀、有效、全面地評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，而且實(shí)驗(yàn)報(bào)告或?qū)嵙?xí)報(bào)告提交教師前，學(xué)生往往隨意互相借鑒和交流，有的甚至是抄襲，故僅憑單向的有限信息對(duì)學(xué)生所做的教學(xué)評(píng)價(jià)是不客觀和片面性的。

(5) 實(shí)驗(yàn)總成績(jī)的評(píng)定。目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏考試環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)總成績(jī)的評(píng)定都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和學(xué)生表現(xiàn)綜合評(píng)定后給出。實(shí)驗(yàn)教師需要核算每次實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)和平時(shí)學(xué)生表現(xiàn)的成績(jī)，通過(guò)一定的權(quán)重計(jì)算，計(jì)算出總實(shí)驗(yàn)成績(jī)，由于學(xué)生人數(shù)較多，計(jì)算實(shí)驗(yàn)成績(jī)的工作量很大，還容易計(jì)算錯(cuò)誤。

鑒于以上存在的問(wèn)題，計(jì)算機(jī)示范中心力爭(zhēng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和信息化方面進(jìn)行改革、完善。

1 實(shí)驗(yàn)室綜合管理總體設(shè)計(jì)

國(guó)家級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心學(xué)習(xí)其他高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)，制定了一整套適合中心發(fā)展的總體規(guī)劃，從實(shí)驗(yàn)類型分類信息化管理和實(shí)驗(yàn)流程規(guī)范化管理兩方面入手。

1.1 實(shí)驗(yàn)類型分類信息化管理

將實(shí)驗(yàn)按照課程類型分為：軟件語(yǔ)言類、計(jì)算機(jī)硬件類、通信類和單片機(jī)嵌入式類。

(1) 軟件語(yǔ)言類。計(jì)算機(jī)學(xué)院軟件類課程豐富，且需要的軟件環(huán)境也是五花八門，每次都需要在PC上安裝軟件，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，更新軟件環(huán)境也給實(shí)驗(yàn)教師造成很大麻煩；而且語(yǔ)言類課程，學(xué)生編程容易抄襲，學(xué)習(xí)效果差，鑒于此，學(xué)院引入遠(yuǎn)程系統(tǒng)，將軟件環(huán)境都安裝在服務(wù)器中，學(xué)生可登錄虛擬環(huán)境即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師更新軟件時(shí)也可在服務(wù)器端操作，大大減輕了維護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作量。并針對(duì)編程語(yǔ)言學(xué)生學(xué)習(xí)效果差的問(wèn)題，嘗試C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)利用OJ系統(tǒng)，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增加在線測(cè)試系統(tǒng)，一方面利用網(wǎng)絡(luò)在線測(cè)試實(shí)驗(yàn)考試督促學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程，另一方面為后期的ACM比賽培養(yǎng)人才。

(2) 計(jì)算機(jī)硬件類。計(jì)算機(jī)硬件課程包括：計(jì)算機(jī)組成原理和接口技術(shù)等，計(jì)算機(jī)學(xué)院嘗試?yán)谜憬髮W(xué)研發(fā)的Nexys4-DDR4和Sword系統(tǒng)，完成計(jì)算機(jī)組成原理的貫通課程改革。

(3) 通信類。通信類課程專業(yè)性強(qiáng)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能配合原理課程完成一些驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)，改革通信電子線路課程實(shí)驗(yàn)改為獨(dú)立設(shè)課，從18學(xué)時(shí)增加到32學(xué)時(shí)，學(xué)生在完成基礎(chǔ)16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)后，需要完成一個(gè)典型通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

(4) 單片機(jī)嵌入式類。此類課程與電子競(jìng)賽相結(jié)合，大一開(kāi)展電工電子實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生焊接動(dòng)手能力，有了C語(yǔ)言的基礎(chǔ)接著進(jìn)行STC89C52單片機(jī)訓(xùn)練，后續(xù)進(jìn)行MSP430單片機(jī)培訓(xùn)，學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有針對(duì)性的學(xué)習(xí)，即可參加電子競(jìng)賽，也為單片機(jī)嵌入式類課程奠定基礎(chǔ)。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程規(guī)范化管理

實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的完善，依附于實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)管理[10]。按照實(shí)驗(yàn)成績(jī)組成將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)考試管理及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)[11]。

2 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)資源預(yù)習(xí)平臺(tái)

預(yù)習(xí)平臺(tái)為學(xué)生用戶使用，將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)信息的地址生成一個(gè)二維碼，學(xué)生可以登錄自己的賬戶訪問(wèn)，也可掃描二維碼訪問(wèn)。學(xué)生登錄只可以訪問(wèn)自己所屬的實(shí)驗(yàn)。

訪問(wèn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)信息頁(yè)面的請(qǐng)求發(fā)送給服務(wù)器后，服務(wù)器將在數(shù)據(jù)表中查詢?cè)搶?shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)信息以及相應(yīng)的預(yù)習(xí)題目。網(wǎng)頁(yè)中可以顯示相應(yīng)的預(yù)習(xí)材料和預(yù)習(xí)題目。預(yù)習(xí)題目為選擇題。

學(xué)生作答預(yù)習(xí)題目完成后提交，使用AJAX技術(shù)提交一個(gè)JSON數(shù)據(jù)給服務(wù)器[12]，JSON數(shù)據(jù)記錄了每一道題該學(xué)生的作答。服務(wù)器與數(shù)據(jù)表中的標(biāo)準(zhǔn)答案比對(duì)之后，記錄作答成績(jī)并返回一個(gè)JSON數(shù)據(jù)，記錄每一道題正確與否，客戶端頁(yè)面接收到服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)后，使用JavaScript動(dòng)態(tài)修改頁(yè)面內(nèi)容以顯示作答結(jié)果。具體流程如圖1所示。

圖1 預(yù)習(xí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理系統(tǒng)

學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后刷一卡通，語(yǔ)音播報(bào)隨機(jī)分配的實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)，同時(shí)教師機(jī)也會(huì)出現(xiàn)刷卡學(xué)生的信息，學(xué)生也可在教師機(jī)端確認(rèn)是否刷卡，通過(guò)局域網(wǎng)將本次實(shí)驗(yàn)學(xué)生刷卡名單上傳給iPad，在iPad上可以進(jìn)行預(yù)習(xí)和課堂的成績(jī)?cè)u(píng)定。教師可根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)的成績(jī)?cè)u(píng)定。此系統(tǒng)適合專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的使用，不需要學(xué)生提前實(shí)驗(yàn)預(yù)約[13]，減少操作麻煩。這種方式既完成了實(shí)驗(yàn)簽到，又能有效地監(jiān)督學(xué)生課堂表現(xiàn)，有效提高課堂教學(xué)質(zhì)量，節(jié)省紙張。課堂評(píng)價(jià)系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理結(jié)構(gòu)圖

2.3 實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心目前有計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室、通信實(shí)驗(yàn)室和微控制器實(shí)驗(yàn)室3個(gè)方向，各學(xué)科之間都有差異，實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定方法很難做到統(tǒng)一，因此，將實(shí)驗(yàn)成績(jī)分成4部分，即實(shí)驗(yàn)總成績(jī)=預(yù)習(xí)成績(jī)+課堂成績(jī)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告+實(shí)驗(yàn)考試。各部分成績(jī)可以按照百分比設(shè)置，也可以按照最高分設(shè)置。各學(xué)科根據(jù)自己的特點(diǎn)，對(duì)課程評(píng)價(jià)各部分設(shè)置不同的權(quán)重，這樣不僅達(dá)到了全局統(tǒng)一，而且又兼顧了各學(xué)科特色，制定了適合整個(gè)實(shí)驗(yàn)中心的課程評(píng)價(jià)方法。

由于實(shí)驗(yàn)課堂成績(jī)已經(jīng)在上課時(shí)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，而預(yù)習(xí)成績(jī)?yōu)轭A(yù)習(xí)后做練習(xí)的成績(jī)，這里只需要錄入學(xué)生每個(gè)實(shí)驗(yàn)的作業(yè)成績(jī)和課程考試成績(jī)。

已登錄的教師選擇自己名下的課程或者課程下的實(shí)驗(yàn)，向服務(wù)器提交請(qǐng)求，服務(wù)器返回實(shí)驗(yàn)中的學(xué)生名單及成績(jī)，教師可以根據(jù)需要修改，修改完提交服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)表做相應(yīng)的修改。

設(shè)置成績(jī)各部分比重及顯示學(xué)生成績(jī)。教師可以修改成績(jī)的各個(gè)組成部分(課堂，作業(yè)，考試，預(yù)習(xí)成績(jī))在總成績(jī)中所占的比重，送交服務(wù)器保存。

當(dāng)向服務(wù)器發(fā)送查詢成績(jī)的請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器根據(jù)先前設(shè)置的各部分比重對(duì)學(xué)生的各部分成績(jī)進(jìn)行加權(quán)求和，然后返回給客戶端。

2.4 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)

評(píng)價(jià)系統(tǒng)[14]是對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及教師教學(xué)過(guò)程信息化網(wǎng)絡(luò)化與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)和評(píng)價(jià)的管理系統(tǒng)。教師端可在系統(tǒng)發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可查看實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)完成后可針對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和教師授課情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成類似于淘寶購(gòu)物后商品評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，并進(jìn)行留言互動(dòng)。

學(xué)生每次在一個(gè)課程下做完一次實(shí)驗(yàn)，即可登錄自己的賬號(hào)對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)和反饋，每個(gè)學(xué)生只可進(jìn)行一次評(píng)價(jià)和對(duì)總體以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，授課教師和自我表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分。

學(xué)生也可以看到其他同學(xué)的評(píng)價(jià)和評(píng)論的信息。每個(gè)同學(xué)的評(píng)價(jià)信息上傳到服務(wù)器后，任課教師可以在自己的賬戶中查看每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)情況，獲得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的反饋，及時(shí)對(duì)教學(xué)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)及反饋的流程圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件調(diào)試

軟件部分調(diào)試分為：運(yùn)行環(huán)境調(diào)試和應(yīng)用程序調(diào)試，其中運(yùn)行環(huán)境調(diào)試主要是為本系統(tǒng)提供可靠的底層的客戶端—服務(wù)器通信和數(shù)據(jù)庫(kù)支持，應(yīng)用程序調(diào)試則是為保證系統(tǒng)的正確運(yùn)行和功能的完整，進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯的測(cè)試。

由于系統(tǒng)適用地點(diǎn)的多樣性和服務(wù)器資源[15]的有限性，需要客戶端與服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，特別是簽到系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高，更需要保證這種遠(yuǎn)程通信的暢通，在本系統(tǒng)中，使用WebSocket協(xié)議在簽到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器的通信。本系統(tǒng)使用基于PHP的WebSocket框架Workerman，由于在Windows下無(wú)法做到進(jìn)程守護(hù)，且無(wú)法fork多進(jìn)程充分利用多CPU資源，所以服務(wù)器使用Linux系統(tǒng)。在基本的LAMP運(yùn)行環(huán)境安裝完成后，編寫Workerman測(cè)試程序，在Terminal中輸入PHP start.PHP start進(jìn)行調(diào)試，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程圖

這個(gè)界面顯示W(wǎng)orkerman已經(jīng)正常工作，然后使用前端測(cè)試頁(yè)面與服務(wù)器建立WebSocket連接，測(cè)試連接是否暢通。此外還需測(cè)試服務(wù)器端Apache服務(wù)器，PHP運(yùn)行環(huán)境和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)是否正常運(yùn)行。

在調(diào)試好整個(gè)服務(wù)器端系統(tǒng)服務(wù)后，把之前編寫好的Web應(yīng)用程序上傳至服務(wù)器的Web目錄(/var/www/html),在客戶端打開(kāi)瀏覽器輸入服務(wù)器IP地址，219.216.65.147端口號(hào)10002，就可以訪問(wèn)本系統(tǒng)，輸入管理員賬號(hào)進(jìn)行對(duì)業(yè)務(wù)邏輯的測(cè)試。測(cè)試流程圖如圖5所示。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5 測(cè)試流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和提高教學(xué)質(zhì)量為宗旨，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為核心，以實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)放共享為基礎(chǔ)，以高素質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍和完備的實(shí)驗(yàn)條件為保障，創(chuàng)新管理機(jī)制，利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的理念，全面提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和實(shí)驗(yàn)室使用效益。