高校實驗教學示范中心信息化體系建設

劉廣武，周淑紅，王志瓊，董景石

(吉林大學 機械與航空航天工程學院, 長春 130022)

0 引 言

高校實驗教學示范中心是進行實驗教學和科學研究的重要基地, 肩負著培養適應國家現代化建設、未來社會與科技發展需要；富有人文責任感，具有銳意創新精神、寬廣國際視野、豐富實踐能力、具備寬厚的專業理論和實踐知識的復合型人才的時代重任[1]。

1 教育信息化體系建設的國家戰略目標

“2011～2020年教育信息化10年發展規劃”指明了，高教信息化建設要加強基礎設施和信息資源建設，推進信息技術與高等教育的深度融合，促進高等教育改革創新和全面提高教育質量的國家戰略。建設網絡化、數字化、個性化、終身化的教育體系，是高教信息化建設要完成的艱巨任務。

2 現代高等教育信息化體系建設的基本理念

2.1 高等教育信息化內涵

教育信息化通常定義為在先進的教育思想和教育理念的指導下，充分的應用信息技術手段、利用信息資源進行教學，培養滿足信息時代行業需求的高級復合型專業人才。黎加厚教授從教育觀念、教育組織、教育內容、教育模式、教育技術、教育評價、教育環境等維度給出了教育信息化概念，著重指出它是關系到整個教育改革和教育現代化的系統工程[2]。教育信息化表述的是一個龐大的系統工程，具有深厚的內涵、廣博的外延，表述不盡相同，在時間的維度上逐步豐富和完善，伴隨著教育思想、信息科技的進步而快速演變、其過程與結果相互推動、連續進化著的動態概念。

2.2 高等教育信息化體系的構成

高教信息化體系的組成應包含：觀念、戰略、目標、政策、內容、組織、模式、評價、技術及培訓等體系，其中“技術體系”決定了整個高教信息化體系的基礎設施建設，代表了信息科技文明的先進程度。建設堅實的教育信息化技術體系，廣泛開展信息化教學、實驗、科研、管理等方面的應用，推進信息技術與高等教育的深度融合。

2.3 多樣化的高等教育信息需求

大學教育宗旨不能僅定位在科學知識的灌輸，大學應該是學子成長的理想國，在智慧集腋成裘的大學教育環境中，每個大學生能夠輕松愉快、自由、主動地去發現、思考和探索，從中獲得科學知識的深層理解、能力和心靈的歷練，最終在情感、信念、意志、行為和價值觀等得到潛移默化熏陶，達成心態、學習、思考、創新、合作等諸多方面的綜合提升，具備良好的思維能力、行動能力、創新能力，這是大學應該給予當代大學生的修煉底蘊，也是高等教育宗旨的完美詮釋。

高等教育宗旨的時代定位決定了高等教育信息需求的多樣化。大學生自主性、開放性學習，學科交叉探索，并在科學、技術課程領域融入哲學和社會學的視角，重建高等教育的文化、理性、研究和學術自由理念，培養更多具有國際視野的創新型專業人才，必須建設能夠滿足教育信息化服務三大主體(即學生、教師、管理者)的多樣化需求, 并具備動態、綠色、智慧特征的高教信息化體系。

3 高等教育信息化技術體系內涵建設

3.1 高等教育信息化的現代多維度解析

第3次世界科技革命的到來，人類社會逐步從工業社會進入了信息社會，工業社會條件下的教育特征正在逐步轉變為信息社會所要求的教育特征，以計算機、大數據、人工智能、機器人、智能制造行業快速發展為標志，高度信息化促使高等教育正逐步走向開放，雙向，創新和終身學習的新階段，從統一性轉變為個性化，從專門性轉變為綜合性，人類的認知正從低維向高維度快速進化，教育方式也相應地由塑造型向服務型轉變。

“十年發展規劃”指出“教育內容、教學手段、教學方法”是高教信息化的3個最基本維度。高等教育思想和教育理念逐年提升，教育信息化內涵與外延的延拓，引領更多樣化信息的需求，低維度教育學已經無法全面適應服務型的教學方式，必須細化高等教育信息的基因粒度劃分，為學科生態進化提供足量優質知識基因,全面提高教育學的認知維度。

高教信息化的維度是其內涵的離散化具體表象，與信息化體系組成的細分領域劃分息息相關，并隨著時代信息技術的發展而變化，是可擴展動態參變量族。高教信息化維度變量族(時代、技術、觀念、目標、戰略、空間、裝備、情景、創新、整合、建構、模式、內容、組織、形式、方式、方法、本質 、政策、學制、監督、考核、評價)的現代表征值，見表1，其屬性源于工業社會向信息社會過度的時代特征。

高教信息化的多維度延拓,應最大限度的滿足教育本質的變革需求，新東方CEO俞敏洪提出了我國教育要解決：學生如何獨立思考、提出疑問，如何鍛煉他們的創造能力和創新能力的問題[4]。

3.2 頂層信息原像的內容動態多維演化

能否科學、合理的進行高教信息化體系的頂層信息建設，決定著建設的成敗，也關系著整個信息化有效應用的整個生命周期。頂層信息建設的要務，就是深入理解“教育信息化體系建設的國家戰略目標”，確立明晰的基本理念，建立科學、系統、生態化的內容體系,即“信息原像”系統。

高等教育學科、專業組織體系歸屬為高校的頂層建制重要內容,決定了 “信息原像”系統的體系架構。學科通常是指一定科學領域或一門科學的專業分支、知識分類。

教育部根據現代科學分工和產業結構的需要，制定了系列化的不同學科門類，用以劃分科學知識體系，不同的學科就是不同的科學知識體系，在一定學科知識體系的基礎上構成專業的區分，學科知識體系是專業劃分的存在的合理性依據。在一個學科，可以組成若干專業。

表1 高等教育信息化多維度參量表[3]

也可以打破不同學科間的邊界，建立新跨學科專業。專業劃分不等同于二級學科分類，否則，必然出現分化甚于綜合，學科、專業之間各自獨立分割，資源不能共享，人才知識面狹窄、過于專門化，無法適應信息化社會對人才的需求。

高校完善學科建設組織體系，深化學科管理機制、體制、改革是高教信息化頂層體系建設的核心，“信息原像”系統的體系構建是以國家頒布學科目錄為統領、本校當前專業目錄為內容來建制生態信息單元，建立學科、專業的粒度細分與層級聚合管理機制，配備先進的信息技術基礎設施，適應動態調整的高校自主專業設置, 適應教育信息化信息單元的進化升級。

互聯網+教育、移動互聯網、大數據、云計算、物聯網，傳感網絡的技術帶來了學習交互，考核、監督、評價、管理的智能教育時代到來。文明時代的變遷，第3次世界科技革命的背景，與時俱進的普通高等學校學科和專業目錄、高校教學大綱、培養方案、學科與專業的新目標下的融合與重組、推陳出新的教學改革、國際國內教育技術的迅速提升、創新創業的迫切需求驅動、高教信息化的多維度新觀念與視角等都決定了高教信息化的“信息原像”必定是內容動態多維演化，其維度空間逐年擴展、內涵持續深化。

現代高教信息化的“信息原像”內涵建設要解決的3個關鍵問題：① 內容動態多維規劃；② 架構綠色創新布局；③ 微化可服務性設計。三者既要最大限度滿足現代教育的多樣化需求，又要符合信息化技術體系的基礎設施承載能力，千年文化的厚重沉積、科學技術的演變進化、歷史文明的跌宕起伏，都將囊括其中。

3.3 頂層信息原像的架構綠色創新布局

“信息原像”內容和其結構形式隨學科專業的教學改革深化而動態演化，學科將知識按照類型進行分級,上級學科對次級學科進行封裝，次級學科承載原子性的微元操作，上級學科負責對次級學科進行知識基因分離與自由組合。信息處于增加、復制、剪裁、分類、篩選、挖掘、分析、累積、擴展和聚合的重新調整常態中，信息要素的表現結構要發生變異，信息原像按教育信息化的現代維度擴展而重構，即信息基本要素所表現的知識、思想、方法、技術和實踐在學科領域里的二維、三維展現空間的生態進化，其架構應是易于應用和維護的綠色、生態、創新布局。時代空間坐標維度下的知識進化過程決定著信息原像的屬性為: 生命周期內的綠色應用體驗和常態化的創新驅動[5]

3.4 頂層信息原像的微化可服務性設計

高等教育與信息技術的深度融合的最終目標是: 在信息爆炸的第3次世界科技革命進程中，促進教育現代化、創新服務模式、推動文化傳承,全面提高我國高等教育質量,實現國家人才國際競爭的比較優勢,實現中華民族的偉大復興。

宏觀的偉大藍圖，需要通過海量的微觀單元去實現。高教信息原像內容的高維度化演化，折射到高等教育信息單元，使其內涵日益復雜、知識生命周期迅速縮減、給教育工作者帶來的壓力與日劇增，一系列問題的解決，需要將“可服務性設計”盡早引入到高教信息原像的微元內容設計中,在復雜的高維度信息環境下,實施“求根本、做減法”基本路線。

目前的教學單元微化策略，不失為可服務性設計一種可行解決方案。教學微單元，是將教學課程以需求、目標、任務、內容、方法、資源、互動、反思等多維度的顆粒化細分體系，教學微單元，內容直接指向具體問題，關注教學課程中的“小現象、小故事、小策略”，主題突出，一單元一事，層層剖析，有深度，能啟發思考，教師可組織學生最大限度地利用零散時間學習，通過教學單元微化的可服務性設計，解決針對學生、教師、管理者的高認知維度境況下的信息原像服務實效性。

4 高等教育信息化技術體系的基礎設施建設

高等教育國際化、信息化的建設，是實現高等教育現代化的重要前提。“10年發展規劃”強調要進一步加強基礎設施和信息資源建設，這里，基礎設施是載體，信息資源是內容，二者是大學教學支持服務體系的統一體。高教信息化技術體系著重要解決基礎設施物理建構問題，信息資源建設首要任務是教育資源的開發與整合。

高校教育信息化建設已經融合在高校的教學、科研、管理、生活服務等方面，基礎設施建設應該考慮建設背景、頂層架構、實施方案、內容規劃、核心功能、建設流程、集中管理、分散存儲、細分聚合、共享整合、服務成效等多方面要素，應全面納入信息化技術體系“綠色生態系統”旗艦SOA服務平臺建設理念中來。

以大數據技術為標志的新高等教育時代到來，數據存儲、挖掘、運用等影響著數據資源的價值更新和轉換，如何能夠安全、可靠、低成本的存儲和使用海量數據，是高教信息化建設面臨的一個重大問題。

隨著移動互聯網在全球高速發展,移動智能終端也開始爆發式增長，4G無線網絡通信業務在全球逐漸普及，5G無線網絡時代即將來臨，高教信息化技術體系功能延伸到移動互聯網，已經刻不容緩。

高教信息原像系統特性決定了需要什么樣的信息化技術支撐體系。信息原像系統自頂向下地映射到承載體上，原像、映射、載體等技術構成了信息化技術支撐體系。通過在“信息原像系統”和 “基礎設施物理建構(包括軟件和硬件)”之間建立綠色、動態、智慧、高可靠的“中間件(云計算基礎設施)”，實現信息化內容與承載體的基礎設施物理建構有機融合，解決信息原像內容和架構動態化帶來的信息化技術體系的物理建構隨動性難題，從根本上推動高等教育與信息技術的深度融合的實現[6-9]。

信息化技術體系“綠色生態系統”旗艦SOA服務平臺建設理念的落地實施，目前最先進的信息技術解決方案是云計算，建設規模化“分布式云計算信息與數據中心”基礎設施勢在必行。美國NIST給出了云計算定義：云計算是一種模型，它可實現隨時隨地，便捷地，隨需應變地從可配置計算資源共享池中獲取所需的資源，能夠快速供應并釋放，使管理資源的工作量和與服務提供者的交互減小到最低限度[10-13]。

分布式云計算信息與數據中心，通過3種服務模型(SaaS、PaaS、IaaS)面向學生、教師、管理者提供全面信息化服務。SaaS服務，即以云計算形式，在封裝服務器、存儲、操作系統、網絡等底層云基礎設施方式下，向用戶提供軟件程序應用；PaaS服務，即為用戶提供在云基礎設施上，在不直接管理底層云基礎設施情況下，創建或獲取用戶自己指定的編程語言和工具的應用程序。IaaS服務，即用戶在不管理或控制底層的云計算基礎設施情況下，定制處理、存儲、網絡等基本云計算資源，可控制操作系統、存儲、部署的應用[14]

5 教育信息化技術體系建設的兩大推動力

高教信息化技術體系建設的動力在于需求推動與趨勢引領。在“全球化”與“數字化”兩大潮流的合力推動下,世界各國的大學圍繞信息時代學習方式的變革和人才培養目標模式的轉變,開始了課程教學領域的整體創新。縱觀信息時代世界高等教育變革發展的進程中,學習科學和信息技術的交匯、融合不僅正在改變著人們對傳統大學、課堂、教師和學生的認知,也正在深刻改變教學模式、學習方式以及固有的師生關系。信息技術的快速發展對教育的組織結構和教學形態產生著革命性影響，大學教學支持服務體系的建立不僅使師資水平、教學水平得到提升，更重要的是日益成為推動大學教學質量提高、促進高等教育卓越和創新的核心力量。因此，“如何創建信息時代的大學教學支持服務體系”成為當前世界各國大學創新發展的難點與攻堅戰。我國高等教育信息化持續發展的兩大推動力是 ：第1是應用驅動；第2是機制創新。

6 國家級實驗教學示范中心信息化教學改革

機械基礎實驗教學示范中心,2007年11月被評為教育部機械基礎實驗教學示范中心(建設單位)，2012年通過教育部專家組驗收。2017～2018年度，中心共面向機械類、近機械類和非機械類的7個學院24個專業4個年級的5 000多名本科生開設29門課程的111個實驗項目和9門實習實踐，年人時數約為17萬人時數，形成了完整、系統、科學的實驗教學體系。

在教育部“世行貸款”項目、教育部普通高校修購專項資金項目、中央高校改善基本辦學條件專項資金項目、教育部“本科教學工程”項目以及學校實驗教學專項資金等建設經費持續支持下，中心的信息化教學資源平臺得到了充分建設，在本科實踐實驗教學與現代信息化教育技術深度融合中取得了長足發展。

中心全面實施以“創新模式，重構體系，筑建平臺，逐級提升”為主線的一系列實踐教學改革，開發了“工程圖學課程網站、機械原理課程網站、機械設計課程網站、機械制造課程網站、工程圖學實驗教學網站、虛擬樣機實驗教學網站；實驗選課系統、遠程作業提交/存儲系統、在線自測與考試系統、機械設計與制造支持系統，三維實體標準零件圖庫系統、數控車3D床虛擬拆裝系統、儀器設備管理系統、貴重設備預約與管理系統；機械基礎實踐教學、機械基礎教學資源、網絡互動教學、教學綜合管理、工科大學生創新實踐、機械設計創新實踐、國家級虛擬仿真實驗教學等平臺。”,獲得了國家、省、校的多項成果獎勵[15-16]。

中心規劃在未來3～5年內,提升原有信息化基礎設施服務能力,將以課程信息、資源發布、創新實踐、教學管理為主體的單一網站服務器集群打造成 “分布式云計算信息與數據中心”, 逐步形成:服務器集群硬件資源虛擬池化、固件動態擴容與承載信息云計算遷移, 計算機網絡教室實現桌面多環境虛擬化；提供標準化的SaaS服務；PaaS服務于學科、專業課程及資源與學習互動網站的創建和維護；IaaS服務于每個學生、教師和管理者；云計算中心以動態、綠色、智慧的運行模式，最大化滿足教育服務主體人群的多樣化信息需求。

7 結 語

機械與航空航天工程學院2018版培養計劃的制定，已經著重引入了新理念、新模式、新體系等新工科工程教育需求。國家級機械基礎實驗教學示范中心，在新工科國際化人才培養的實踐過程中，進行實踐課程內涵改革創新的同時，還承擔了基礎設施和信息資源建設重任，密切關注教育信息化科學與技術發展前沿的同時，肩負推進信息技術與高等教育的深度融合重任，應用現代信息創新技術推動教育內容、教學手段和方法的現代化，高維度、多視角、全方位的信息化建設方略實施，將推動科學與文化的傳承，促進大學本科生教育質量的全面提高。