新時代水產類國家級實驗教學示范中心建設運行中信息技術的應用

朱正國 劉穎 黃旭雄

摘? ?要：文章以水產科學國家級實驗教學示范中心（上海海洋大學）為例，概述了水產與生命學院實驗教學中心虛擬仿真實驗平臺、顯微互動實驗室、顯微鏡室智能存取系統、創新開放實驗平臺等信息化項目的具體建設情況，分析了虛擬現實、物聯網技術、數字化管理等信息技術手段在水產類雙一流學科建設中的優勢和發揮的重要作用，總結出現代化信息技術在教育教學管理中的應用成效，并對未來實驗教學中開放共享的信息化建設和應用做出了展望。

關鍵詞：信息技術;虛擬仿真實驗;實驗教學;開放共享

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）07-0092-05

一、教育信息化建設的背景和意義

2020年是《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》收官之年，我國教育要全面完成規劃提出的教育管理信息化水平顯著提高、信息技術與教育融合發展的水平顯著提升等教育信息化建設的目標任務。[1]在全面實現“十三五”發展目標的基礎上，“再經過15年努力，到2035年，總體實現教育現代化，邁入教育強國行列，推動我國成為學習大國、人力資源強國和人才強國，為到本世紀中葉建成富強民主文明和諧美麗的社會主義現代化強國奠定堅實基礎”，建設具中國特色智能化校園，統籌建設一體化智能化教學、管理與服務平臺。[2]發展中國特色世界先進水平的優質教育是《中國教育現代化2035》提出的十大戰略任務之一，教育教學機構要充分利用現代技術加快推動人才培養模式改革，實現規?；逃c個性化培養的有機結合。教育信息化改革發展有利于全面提升教育管理隊伍信息化技術水平，強化創新型綜合性人才培養能力，改善教育教學質量和效果，促進產學研用一體化發展。在信息化飛速發展的新時代，我們要善于利用現代化信息技術的新成果強化和提升教育服務能力，堅持立德樹人，強化以能力為先的人才培養理念，堅持“學生中心、產出導向、持續改進”的原則，突出應用驅動、資源共享，將實驗教學信息化作為高等教育系統性變革的內生變量，以高質量實驗教學助推高等教育教學質量變軌超車，助力高等教育強國建設。[3]

二、中心教育信息化項目建設現狀

上海海洋大學水產科學國家級實驗教學示范中心（以下簡稱“中心”）于2009年獲批，是支撐我校三個國家特色專業（水產養殖、生物科學、海洋漁業科學與技術）及其他水產類、生物類和環境類等13個專業的重要實踐教學平臺，在實踐教學改革、大學生創新創業教育、對外交流、科普教育及西部服務等方面發揮著重要示范輻射作用。近年來，依托水產學雙一流學科建設，中心堅持推進落實教育部、農業部（現農業農村局）、國家林業局（現國家林業和草原局）卓越農林人才教育培養計劃，結合水產學和信息技術等領域的科技新成果，開展了一批有益的教學信息化建設項目，提升改造以水產養殖學為主要代表的學科專業，以此提升中心信息化教學管理水平，培養學生自主學習和創新實踐能力，推動高質量優質教育資源建設及教學資源共享服務，確保中心實驗教學示范性作用和引領地位。

1.虛擬仿真實驗平臺

實驗教學有助于學生對理論知識的理解，提高學生的動手能力、創新意識和綜合科研能力;[4-6]隨著計算機、互聯網的發展，信息化實驗教學模式越來越多地被應用于高校的實驗教學中，已成為信息化教學中舉足輕重的一部分。[7-9]虛擬仿真實驗采用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等信息化技術手段，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象以滿足教學大綱要求，[10]使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中實現高效、安全且經濟的管理，達到真實實驗環境難以實現的教學效果，是對傳統實驗教學思想、體系和模式的革新，[8]是信息化高新技術與教育教學深度融合的時代產物。中心始終秉承以能力為先的人才培養理念，堅持“學生中心、產出導向、持續改進”的原則，積極推動虛擬仿真實驗教學項目的建設與申報工作，搭建了獨立的虛擬仿真實驗平臺，基于B/S架構的嵌入式網絡協議實現不同仿真實驗項目的建設和通訊，在滿足接口的前提下，平臺可與其他項目進行無縫對接實現共同管理。虛擬仿真實驗平臺搭載了一套開課、排課的教務功能，可完成學期課程發布以及學生考核作業的收發、評判和統計等操作。中心以水產養殖學、海洋漁業科學與技術等特色學科專業課程為依托，完成了魚類數字標本庫、基礎實驗課程和實踐實訓等系列虛擬仿真實驗的初步構建，目前已完成虛擬仿真實驗項目14個，其中國家級建設項目1個、上海市級建設項目3個、校級建設項目10個（見表1）。

傳統實踐教學過程中演示不足、細節體現不到位，以及學生學習觀察視度受限制等問題經常發生，虛擬實驗則可通過仿真技術將基礎課程實驗原理、實驗步驟、操作實現等多維度可視化地呈現出來，實現全過程的知識內容要點和操作的技術難點具體化、細節化，使一些細微結構變得清晰可辨，從而加深學生的認知和理解，人機交互式的動畫演示更能強化關鍵技術細節控制等過程的操練，精細地還原現實實驗過程、逼真的實驗場地及環境渲染，能在實驗操作中給用戶帶來較強的沉浸式體驗。

以魚類綜合認知項目為例，通過3D仿真技術制作了條紋斑竹鯊、刀鱭等22種海淡水魚類數字標本模型，對魚類外部形態及特征結構進行詳細描繪和展示。魚類標本是魚類學實驗教學中不可或缺的教具資源，更是我國魚類分類、資源保護和管理的重要依據。尤其一些珍貴和稀有種類具有十分寶貴的科學研究價值，有的種類標本已保存數十年甚至上百年之久，日常教學的頻繁使用會造成巨大損失。而建立種類豐富且逼真的數字標本可以替代真實標本，在保障正常教學活動的同時也減少了館藏標本的使用損耗，一定程度上保護了自然生物資源。

2.顯微互動實驗室

中心所有專業教學實驗室均配備多媒體教學設備，另建有2間顯微互動實驗室，并于2019年完成系統升級，單間實驗室可最多同時容納48人開展實驗。實驗室早先的系統為有線圖像傳輸和語音互動系統，每臺顯微鏡都必須通過寬帶和交換機進行連接，實現數據傳輸，且受空間限制等因素影響，只有教師配有顯示設備，能通過電腦客戶端顯示和處理鏡下圖像，學生不能完成圖像捕捉，提交作業時只能通過一邊目鏡觀察一邊手繪的方式將圖像畫出來，往往需要花費很長時間才能完成;系統連接線路繁冗復雜，且語音設備由于使用中受到頻繁牽拉而極易損耗，需要不斷更換。后來系統升級為現代化無線顯微互動系統（見圖1），使用NOMIS Basic Class（教師端）和TouchScope（學生端）進行WIFI無線傳輸，最多可以承載60臺顯微鏡和移動終端同時在線進行課堂交互。學生可以在電腦、手機和其他手持智能終端設備通過TouchScope軟件同步顯微鏡下圖像，完成實時圖像編輯、位置標定、數據測量等操作，還可利用終端實現一鍵截屏、拍照、錄屏的功能，可在線與教師或同學進行互動交流，分享捕獲的圖片并查收和提交作業。教師除具有學生端的圖像編輯功能外，還可以實時在線監控學生端畫面，收發作業，批閱實驗報告，發送圖文課件進行授課和講解等操作。顯微互動實驗室在系統升級后才真正意義上實現了現代化互動教學?？傮w而言，顯微互動實驗室具有以下功能優點：①硬件簡潔?？墒∪ヅ涮纂娔X和語音系統以及大型數據傳輸承載硬件（交換機等）。②功能齊全。集顯像、測量、拍攝、授課、評估等教學活動于一體，功能多互動性強。③使用便捷。兼容多終端、多系統，指令清晰、操作便捷，數據傳輸快性能穩定。④信息安全。專用網絡，數據信息安全，能有效抵御外界病毒信息攻擊。

3.顯微鏡室智能存取系統

顯微鏡室智能存取系統運用計算機軟件、智能卡、智能物聯網、ARM微處理、IP技術及視頻監控等技術，實現顯微鏡室學生學習、培訓、考核及顯微鏡自主借還全過程的智能化便捷管理，提高管理人員工作效率和對外服務水平，加強實驗室管理人員對顯微鏡等設備的巡查、維修維護及實驗室安全的宏觀控制。該系統以高效率的業務管理、高可靠的資源利用服務為宗旨，進一步滿足學生、教師和實驗室管理隊伍的需求，實現實驗室及顯微鏡等設備在存取、資源管理和服務等方面的全過程管理目標，顯微鏡“借用—歸還”流程如圖2所示。

（1）設立有效準入機制

在系統預約管理平臺用戶界面中設有學習與考核模塊，所有用戶（學生和教師）必須完成學習并通過考核才能獲取顯微鏡的預約使用資格。以往教學過程中，教師在課堂上需要花費較長時間先講解顯微鏡的正確使用方法，才能進行后續的實驗操作，講解過程難以做到面面俱到，且一定程度上影響課程進度和教學質量。平臺通過圖文資料、視頻課件和虛擬仿真演示等內容對用戶進行業務培訓，使其熟悉實驗室及系統服務管理制度并掌握顯微鏡使用、維護過程中各功能操作細節要領。每學期開課前組織集中考核，用戶也可隨時登錄平臺進行學習和考核。學習加考核的形式能大幅提升用戶實踐能力，規范的操作和管理能有效減少儀器使用中的損耗。

（2）用戶數據智能對接

該系統與學校教務管理系統實現智能對接，可同步學生信息數據集，除姓名、學號、聯系方式等基本信息實時更新外，可同時導入學生課表信息，數據經系統解析處理后能自動判別學生需要使用顯微鏡的實驗課程及具體上課時間段，該課程時間段內學生無需預約便可刷校園卡借取顯微鏡，待課程結束后按時歸還即可。非實驗課時間段，獲得使用資格的學生可通過預約管理平臺實現自主預約、智能派發，線下完成刷卡借還。智能處理能緩解實驗室專職管理隊伍的工作負荷，讓工作更加合理有序。

（3）精確的數據反饋

系統具有儀器設備“借出—歸還”過程化管理及用戶反饋體系，做到相關業務流程數據自動處理，無需人工在登記簿填寫就能完成各環節的數據記錄，可進行實時巡查和統計分析，生成實驗室日常管理維護所需數據報表，實現了業務管理的可追溯性和便捷性。用戶借用顯微鏡時，系統根據各箱柜儀器的實時狀態及使用頻次，在保證設備能正常使用的情況下實現均衡式智能派發，避免某些設備過度使用而其他設備無人使用的情況發生，以此保障整體設備運行中的穩定性和可靠性。

（4）可靠的安保體系

實驗室使用專用門禁、監控和電控設施共同構建實驗室、儀器設備及使用人員安全的保障體系，建立了遠程網絡監管和現場實時監督的協同管控機制，幫助實現中心各級安全管理制度的有效執行。

4.創新開放實驗平臺

創新開放實驗平臺由儀器共享和水族創新兩部分組成，分設六間實驗室，總面積為180m2，平臺擁有大小型通用儀器設備50余臺，微循環養殖和繁殖系統60余套。實驗室內均設有視屏監控、遠程管理和門禁設備，管理員可通過網絡管理系統實現門禁和儀器設備一對一的監查與控制，其管理平臺系統模塊構成如圖3所示。創新開放實驗室承擔計劃內教學（上課時間段）和計劃外教學（開放時間段）兩項任務，全面整合、開放實驗教學資源，提供開放式教學服務。

實驗室以24小時最大程度化的預約開放，實現教學資源充分共享，用戶可進行實驗室及儀器自由預約、智能派位、自主實驗，充分發揮學生的主動性，激發學習熱情。創新開放實驗室作為學院科研實驗室和大型儀器共享平臺的重要補充部分，能夠滿足水產學科本科生科學研究和創新實踐的基本需求，為廣大學生科研實踐工作提供有利場所。2019年9月1日至2020年9月1日期間，該開放平臺課外預約使用總次數為1141人次，預約使用總時長累計超1.7萬小時。（見圖4）實驗室開放程度越大，其匹配的管理服務水平要求也越高，創新開放實驗平臺運行中，中心嚴格按照學校實驗室安全管理章程等實驗室安全規范，做好實驗室安全管理和運行工作。學生需要通過平臺預習管理系統中的實驗室安全知識培訓與考核后才能預約使用，以此鞏固和完善實驗室準入機制，提升學校實驗室安全教學管理水平和師生人員安全素質，為創新開放實驗平臺的安全運行提供堅實的保障。

三、信息化建設效果評價

經過積極探索和嘗試，中心在實驗教學信息化建設與實踐中取得了良好的成效，能夠通過信息化手段解決傳統教學中的現實問題，切實提高教學質量，促進產學研用的有機融合，推動高質量優質化教學的公平性發展，進一步完善了信息化教學管理機制。

1.教育信息化建設能夠幫助解決教學中的現實需求問題

虛擬仿真實驗平臺作為生產實習和實踐教學的重要補充部分，在學生對理論知識的鞏固和實踐能力的提升過程中起著至關重要的作用。水產學科的專業課程及生產實習內容主要涉及水生生物繁育養殖過程，有的周期長達數月之久，仿真實驗則可以大大縮短養殖生產周期，并且突破地域和季節限制，節約時間和管理成本。中心“淞航號駕駛”和“魷魚燈光誘釣”等項目充分體現了虛擬實驗風險性低、安全性高、效率高的優勢，為海洋漁業科學與技術學生提供了良好的教學、培訓和訓練平臺，讓更多學生有機會熟悉和學習漁船設備結構、駕駛操作、游釣漁業管理等海上生產實踐活動的作業方法，而不受時間、氣候和航線等因素的限制。實驗教學管理過程中物聯網技術和網絡通訊等信息技術的應用，可以實現數字化、標準化、規范化的智能管理，大大減少管理中的人工干預過程，從而提高運行管理效率和教學質量，得到學校師生的廣泛認可。

2.教育信息化建設推動完善信息化教學管理機制

中心信息化建設過程給我們帶來許多思考，在實踐過程中不斷完善信息化教學管理機制。信息化的便捷性在于降低了人工干預，為學生提供了更加開放自主的學習平臺，這就需要建立與其相適應的管理體系，保障實驗教學中心正常安全地運行。中心建立了以傳統線下管理為基礎、網絡管理與其互為補充的雙線協同管理機制。網絡管理分為實驗預習和Web管理兩大模塊。不論是開放實驗室還是虛擬實驗平臺，都必須建立準入機制，學生只有在線完成實驗操作和儀器使用學習等實驗預習，并通過實驗室安全管理知識測試后才能進入實驗室開展實驗，這是保障實驗操作安全順利完成最基本的必要措施。網絡管理則設在管理員權限之下，能夠通過網絡終端實現數據維護、門禁開關、儀器控制、視頻監控、電子警報、信息安全等功能管理。（見圖5）

3.教育信息化建設促進產學研用有機融合

理論學習是實踐的基礎，實習實訓則是理論實踐的契機，學習的最終目的是解決實際生產問題，通過理論與實踐的結合發現問題、分析問題進而解決問題。如河蟹池塘生態育苗項目，以河蟹規?；B殖的現實案例為藍本，通過虛擬環境還原養殖場現實場景，讓學生在了解河蟹生物學習性的基礎上，學習掌握河蟹苗種選育、池塘規劃管理和疾病防控等技術，培養學生從事河蟹生態養殖的科學研究能力。中心每年組織學生志愿者參與“河蟹大賽”并與相關企業加強合作，提供學生參與實踐的機會，建立學校、企業多方培養的模式，切實提升學生學習實踐能力，培養其“知農、懂農、愛農”的意識和情懷，為將來投身于水產行業發展奠定專業基礎。

4.教育信息化建設加快優質教育公平發展

隨著信息技術與教學的深度融合，教學信息化對高等教育已產生深遠的影響，有線終端移動設備讓大學生更好地利用網絡通訊進行開放式學習，網絡課程、虛擬仿真實驗教學等現代化教學產物不斷革新，在教學理念從“以教為中心”向“以學為中心”轉變的背景下，以學生為中心的能力培養是創新創業人才培養的重要方面，智能化、開放型、多樣性的智慧教學環境為新時代人才培養提供了豐富的數字化資源和條件。中心通過虛擬仿真實驗平臺、顯微互動實驗室、顯微鏡室智能存取系統、創新開放實驗平臺等一系列信息化項目的建設，打造優質化教育資源和共享平臺，讓學生擁有更加自主的學習環境接受更為公平的教育。

5.教育信息化建設提高中心管理隊伍信息化技術水平

在基礎教育設施信息化得以保障的情況下，提升中心管理人員信息化教學能力。通過FD培訓、參加校內外相關教學會議、聘請網絡科技有限公司介紹信息化教學項目、與其他院校實驗教學示范中心的研討，以及網絡培訓等多種渠道和方式促進多方學習交流，中心管理隊伍信息化技術水平得到了大幅提升。

四、結語

教育信息化是改革教育理念和模式的深刻革命，是促進教育公平、提高教學質量的有效手段，是建設學習型社會的必由之路。[10]信息化教育助推教育教學質量提升實現變軌超車，助力高等教育強國建設實現教育現代化。教育信息化改革是當前及今后一段時間我國教育教學改革的持續熱點，在實施教育現代化建設中要加強校企合作，明確分工，注重和完善教育信息化標準體系建設，積極構建優質數字教育資源和共建共享環境，提供統一的操作規范，推進各院校間的無屏障交流，持續提升信息化教育的輻射范圍，打破教育信息化發展不平衡不充分的數字鴻溝，真正實現人人可享有優質教育資源的可持續發展局面。

參考文獻：

[1]教技[2012]5號.教育部關于印發《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》的通知[Z].

[2]中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-02/23/content_ 5367987.htm.

[3]教高函[2018]5號.教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知[Z].

[4]周傳江，董靜，李箏，張曼，高云霓，祝國榮，張建新.魚類學實驗教學改革探索[J].河南水產，2019（2）：38-39，46.

[5]王慧中.分子生物學實驗指南[M].北京：中國農業科學技術出版社，2009.9.

[6]姜志強，吳立新，王偉等.魚類學實驗課程教學改革與實踐[J].現代農業科技，2015（7）：344，347.

[7]李佩珍，應俊，金晶，何超翔，樓哲豐.分子生物學虛擬仿真實驗教學模式的探索[J].實驗技術與管理，2019，36（11）：99-100，104.

[8]鄭小東，溫海深，黃六一等.“雙一流”背景下的水產科學虛擬仿真實驗教學資源建設[J].高等農業教育，2019（5）：60-64.

[9]張任平.基于虛擬仿真實驗室的創新性實驗教學改革探索[J].教育教學論壇，2017（11）：273-274.

[10]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

（編輯：王天鵬）