適應(yīng)多種實驗教學(xué)管理模式的數(shù)字化平臺研究與建設(shè)

范淑媛 吳霞 金俊松

摘? 要：針對學(xué)院多門實驗課程的教學(xué)管理無法在同一個實驗教學(xué)管理數(shù)字化平臺上實現(xiàn)的問題，通過調(diào)研高校目前實驗室開放管理中采用的教學(xué)管理模式，進(jìn)行分類研究，開發(fā)出一套面向多種開放管理模式的實驗教學(xué)管理數(shù)字化平臺。利用該平臺實現(xiàn)現(xiàn)有12門實驗課程的多種模式教學(xué)管理，包括在線排課與選課、學(xué)生預(yù)約實驗課程、課程成績管理等功能，并能夠在沒有教學(xué)任務(wù)時，根據(jù)實驗室設(shè)備的空閑情況，學(xué)生可通過預(yù)約進(jìn)行自主性實驗，達(dá)到學(xué)生、教師、實驗室的時間和空間的最優(yōu)化組合。該平臺具有一定的通用性，可以在其他院校推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；教學(xué)管理模式；教學(xué)管理系統(tǒng)：數(shù)字化平臺；多模式

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）S1-0075-06

Abstract： In response to the problem that the teaching management of multiple experimental courses cannot be achieved on the same digital platform for experimental teaching management， a digital platform for experimental teaching management oriented towards multiple open management modes has been developed through research on the teaching management models currently used in open laboratory management in universities. By using this platform， we have implemented various teaching management modes for the 12 existing experimental courses in our college， including online course scheduling and selection， student reservation for experimental courses， course score management， and other functions. When there are no teaching tasks， students can conduct autonomous experiments through reservation based on the availability of laboratory equipment to achieve the optimal combination of time and space for students， teachers， and laboratories. This software has certain universality and can be promoted and applied in other universities.

Keywords： experimental teaching; teaching management model; teaching management system; digital platform; multi-mode

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和創(chuàng)新能力的手段，能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際，特別是與科學(xué)技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力，以適應(yīng)科技發(fā)展與社會進(jìn)步，對人才的需求方面有著不可替代的作用。《教育部等部門關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高校實踐育人工作的若干意見》[1]中明確提出，要強(qiáng)化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，深化實踐教學(xué)方法改革。開放式實驗室建設(shè)和開放式實驗教學(xué)是深化實驗教學(xué)改革的重要途徑之一[2-6]。

在教學(xué)改革實踐的工作中，華中科技大學(xué)（以下簡稱“我校”）越來越重視實驗教學(xué)，其主要體現(xiàn)在對經(jīng)費(fèi)的支持，以改善教學(xué)設(shè)備和實驗教學(xué)教室環(huán)境條件、實驗課堂教學(xué)管理和理論課教學(xué)管理同等化、教學(xué)內(nèi)容和管理方法多元化（有必修、選修，以及不記學(xué)分的興趣選課等）開放式實驗教學(xué)。這些改革，提高了教學(xué)質(zhì)量，但在教學(xué)管理上造成一定的難度，需要一套功能完善、適應(yīng)能力強(qiáng)的實驗教學(xué)管理數(shù)字化平臺來支持這種多種教學(xué)模式并存[7]的教學(xué)管理環(huán)境。

一? 實驗教學(xué)管理數(shù)字化平臺使用現(xiàn)狀

以我校材料實驗教學(xué)示范教學(xué)中心為例，共有8門獨(dú)立開設(shè)的實驗課程、6門理論課的課程實驗，各實驗課程教學(xué)的管理模式各有差異。原來的實驗教學(xué)管理軟件功能單一、適應(yīng)能力差，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的多種實驗教學(xué)管理模式，嚴(yán)重影響到教學(xué)管理水平。因此，迫切需要一套可以兼容多種管理模式的實驗教學(xué)信息管理平臺來支持實驗教學(xué)管理工作。筆者對省內(nèi)外一些高校的實驗教學(xué)管理數(shù)字化平臺的使用情況進(jìn)行了調(diào)研，總結(jié)得出實驗教學(xué)信息平臺使用的現(xiàn)狀有以下幾點(diǎn)。

第一，由于實驗課程的教學(xué)比理論課程管理復(fù)雜、繁瑣，且管理模式多樣，目前沒有可以兼容所有實驗教學(xué)管理模式的管理系統(tǒng)。各高校的實驗教學(xué)目前沒有全校通用的實驗教學(xué)管理數(shù)字化平臺，但理論課程基本上都有全校統(tǒng)一使用的教學(xué)管理平臺。

第二，有一些實驗教學(xué)單位有自己開發(fā)的實驗教學(xué)管理數(shù)字化平臺，但是其平臺是該單位量身定制的，只適合該單位目前的管理模式。其他實驗教學(xué)單位只要管理模式稍有差異，或是本單位教學(xué)管理模式稍有變化，則該平臺就無法使用。

第三，有一些實驗教學(xué)單位的教學(xué)管理數(shù)字化平臺只能在本單位的部分實驗課程中使用，或是干脆沒有使用。由于實驗課程管理的多樣化，本單位的數(shù)字化平臺可能適應(yīng)A課程但不適應(yīng)B課程，或是由于實驗課程管理方式發(fā)生變革，原來大力開發(fā)的數(shù)字化平臺根本就不實用，成了擺設(shè)。

所以，建立一套功能完善、滿足多種實驗教學(xué)管理模式的、適應(yīng)能力強(qiáng)的實驗教學(xué)管理數(shù)字化平臺是非常必要的。

二? 實驗教學(xué)管理模式分類探討與研究

（一）? 實驗教學(xué)管理模式分類

為了設(shè)計出符合要求的實驗教學(xué)管理平臺，既可同時適應(yīng)于不同學(xué)院、不同實驗課程、不同開放模式，又可滿足不同模式的實驗教學(xué)課程過程多層次管理需求，因此對目前存在的各種實驗教學(xué)管理模式進(jìn)行了分析、探討，并分析不同的管理模式有什么樣的優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)什么樣的具體實際情況。目前，通過對我校材料科學(xué)與工程學(xué)院、物理學(xué)院、化學(xué)與化工學(xué)院、電氣與電子工程學(xué)院等進(jìn)行的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)實驗教學(xué)管理模式可以歸納為固定實驗教學(xué)管理模式和開放式實驗教學(xué)管理模式。

1? 固定實驗教學(xué)管理模式

固定實驗教學(xué)管理模式，即傳統(tǒng)實驗教學(xué)管理模式，有一定學(xué)分要求。該模式可以分為班級排課模式和分組排課模式。

班級排課模式：這種模式適用于同種實驗設(shè)備多的情況，可以一次容納一個班，實驗內(nèi)容均為每個學(xué)生必做實驗，教師按班級上課。其優(yōu)點(diǎn)是方便簡單，教師排課及學(xué)生不再需要單獨(dú)預(yù)約，缺點(diǎn)是所有學(xué)生有相同的教學(xué)內(nèi)容和要求，沒有進(jìn)行個性化定制。

分組排課模式：這種模式適用于同種實驗設(shè)備少的情況，一次不能容納一個班，實驗內(nèi)容均為每個學(xué)生必做實驗，教師按小組上課。其優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生不再需要單獨(dú)預(yù)約。缺點(diǎn)是沒有進(jìn)行個性化定制，所有學(xué)生有相同的教學(xué)內(nèi)容和要求，手動分組排課繁瑣，有必要借助實驗教學(xué)管理平臺來完成預(yù)約。

2? 開放式實驗教學(xué)管理模式

開放式實驗教學(xué)管理模式可以分為半開放模式和全開放模式，其中，半開放模式有一定學(xué)分要求，全開放模式可有或沒有學(xué)分要求。

半開放模式：學(xué)生可以自主預(yù)約。這種模式適用于同種實驗設(shè)備少且實驗項目多的情況，一次不能容納一個班的學(xué)生做實驗，上課學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣從n個實驗項目中自主選擇m個項目來完成學(xué)分（n>m），實驗教師按預(yù)約生成的小組課表來上課。其優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以根據(jù)自己的時間和愛好進(jìn)行個性化定制來完成實驗課程，缺點(diǎn)是對每個同學(xué)來說，每個實驗項目的教學(xué)內(nèi)容和要求仍然相同。該管理模式下的實驗預(yù)約、課程排課邏輯復(fù)雜，幾乎無法人工完成這些工作。

全開放模式：實驗室、實驗設(shè)備是全開放的，學(xué)生可以自主根據(jù)自身的需要預(yù)約實驗設(shè)備或?qū)嶒炇椅锢砜臻g。這種模式適用于創(chuàng)新基地的實驗、探究實驗、科學(xué)研究實驗等。同一個實驗，學(xué)生可能需要多次預(yù)約、反復(fù)測試。其優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以進(jìn)行個性化定制來完成對實驗、空間的需求，并且沒有預(yù)定的實驗方法和內(nèi)容，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神[8-9]。其缺點(diǎn)是不可預(yù)測性強(qiáng)，幾乎無法人工完成預(yù)約。

（二）? 新開發(fā)的實驗教學(xué)信息化管理平臺功能目標(biāo)

本研究旨在設(shè)計出一套適應(yīng)以上所有情況的實驗教學(xué)信息化管理平臺，多門實驗課程可以同時開放，每門實驗課程的管理模式可以按照需求來選擇班級排課模式、分組排課模式、半開放模式和全開放模式等，這樣的系統(tǒng)有很強(qiáng)的兼容性，可以廣泛使用在實驗教學(xué)管理中。

第一，研究實驗教學(xué)管理模式的分類，提高實驗教師對實驗教學(xué)管理的理論認(rèn)識，并可依照課程、設(shè)備、場地和時間等具體情況，選擇最佳的教學(xué)管理模式。

第二，規(guī)范實驗教學(xué)管理工作，提高實驗教學(xué)現(xiàn)代化管理水平。方便院系教學(xué)管理者了解每門實驗課程的實施情況，如開課時間、開出的實驗項目、設(shè)備臺套數(shù)、每臺設(shè)備容納人數(shù)，以及學(xué)生到課情況和學(xué)生成績情況等，發(fā)現(xiàn)問題時及時干預(yù)、消除隱患。

第三，本平臺將解決多課程不同上課模式的預(yù)約問題，并滿足課程個性化實施、滿足學(xué)生個性化自主預(yù)約定制個人課表，以及學(xué)生與教師之間的雙向交互，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

第四，所開發(fā)的數(shù)字化平臺實用面廣、共享性強(qiáng)，可以適用于不同的學(xué)院及多種實驗課程的教學(xué)管理。

三? 適應(yīng)多種實驗教學(xué)管理模式的數(shù)字化平臺設(shè)計

（一）? 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

基于學(xué)校各院系對于實驗教學(xué)管理的需求，首先分析該綜合管理系統(tǒng)的用戶類別，確定使用對象有管理員、教師和學(xué)生，建立“學(xué)校-院系-課程”的三層管理體系。然后，根據(jù)各自的需求確定相應(yīng)的功能模塊，建立具有多模式功能的實驗教學(xué)管理數(shù)字化平臺，完成實驗教學(xué)全周期的信息化管理任務(wù)，從而彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)管理的不足，提升教學(xué)質(zhì)量，滿足我校全方位人才培養(yǎng)的需求。根據(jù)需求分析，系統(tǒng)大致確定了學(xué)生選課管理、教學(xué)安排管理、成績管理、日常教務(wù)管理和系統(tǒng)管理等功能，并根據(jù)相應(yīng)的功能需求將功能分配到相應(yīng)的模塊，如圖1所示。

基于上述的功能設(shè)計，可以根據(jù)用戶的角色設(shè)計不同的模塊，主要有校級管理員、院系級管理員、課程管理員、教師模塊和學(xué)生模塊。

（二）? 管理員模塊功能

校級管理員維護(hù)學(xué)校層信息，增加院系信息。院系級管理員維護(hù)院級信息，增加課程信息。校級管理員可以創(chuàng)建院系級管理員，并兼有院系級管理員的權(quán)限，院系級管理員可以創(chuàng)建課程管理員，并兼有課程管理員的權(quán)限，如圖2所示。

課程管理員模塊主要實現(xiàn)日常的教務(wù)管理，是系統(tǒng)的核心模塊，具體涉及的功能有：①學(xué)生信息管理。管理員可以將學(xué)校的在校生信息批量導(dǎo)入學(xué)生信息表中，也可以單個地進(jìn)行添加、修改和刪除操作。②教師信息管理。管理員在本學(xué)期開始時可以將課程的教師信息加入教師信息表中，對教師的信息進(jìn)行修改、刪除操作。③實驗室管理。管理員可以創(chuàng)建不同的實驗室（實驗場地），及對實驗室的允許上課時間和實驗室學(xué)生容量進(jìn)行管理。④選課方式設(shè)置。管理員可以對所屬的課程進(jìn)行選課方式設(shè)置，如按班級排課、分組排課、學(xué)生自主預(yù)約、學(xué)生自主反復(fù)預(yù)約。⑤成績評定設(shè)置。管理員對學(xué)生的成績評定進(jìn)行設(shè)置，確定課程成績的評判標(biāo)準(zhǔn)。⑥課程通知設(shè)置。管理員可以對選擇該課程的學(xué)生進(jìn)行通知，如通知交作業(yè)的時間、方式等。

（三）? 教師功能模塊

實驗教師的功能模塊主要實現(xiàn)實驗課實施環(huán)節(jié)，如上課紀(jì)律、各項實驗成績的錄入，以及各種信息的查詢，如圖3所示。

查看實驗批次：任課教師可以查看自己所擔(dān)任實驗教學(xué)批次的所有信息，包括實驗科目、實驗項目、實驗室容量、實驗日期、上課節(jié)次和實驗地點(diǎn)等信息。

實驗項目管理：任課教師可以根據(jù)實際的課程安排情況，對安排合理的實驗批次進(jìn)行確認(rèn)操作或者取消操作，實驗批次確認(rèn)后教師可以在實驗課表功能中查看、打印預(yù)約自己實驗課程的學(xué)生名單并對實驗結(jié)果進(jìn)行評分等操作。

預(yù)約方式設(shè)置：任課教師可以根據(jù)需要對所授課程進(jìn)行預(yù)約方式設(shè)置，其3種形式為學(xué)生自由預(yù)約、按班排課、按組排課。

查看預(yù)約學(xué)生列表：任課教師可以查看并打印已經(jīng)預(yù)約自己實驗課程的學(xué)生列表，打印時會將學(xué)生列表以Excel的形式導(dǎo)出系統(tǒng)。

查看課程表：任課教師可以查看并打印自己已經(jīng)確認(rèn)過的所有實驗批次課程表，當(dāng)選擇打印功能時會將課程表以Excel的形式導(dǎo)出系統(tǒng)。

實驗成績評定：任課教師對學(xué)生上交的實驗報告進(jìn)行批改后，可以將實驗成績錄入系統(tǒng)，對成績可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，方便學(xué)生隨時查看自己的實驗成績。

實驗簽到管理：任課教師可以對正在進(jìn)行或者已經(jīng)完成的課程的學(xué)生進(jìn)行簽到管理，方便了解學(xué)生的到課率。

（四）? 學(xué)生功能模塊

學(xué)生功能模塊主要實現(xiàn)學(xué)生對各個實驗課程的預(yù)約功能和其他查詢功能，如圖4所示。

某實驗課程預(yù)約：學(xué)生登錄后可以瀏覽到已設(shè)定的全部實驗課程，并根據(jù)學(xué)校安排或自己所需來預(yù)約相關(guān)的實驗項目，選擇某門實驗課程，進(jìn)行預(yù)約。

某實驗課程預(yù)約取消：對不能按時參加已預(yù)約的實驗項目，學(xué)生也可以取消該實驗的預(yù)約。如若不取消卻沒有按時參加的，系統(tǒng)會在實驗課結(jié)束后自動標(biāo)記為曠課。

所有預(yù)約實驗課程查詢：學(xué)生可以對自己已經(jīng)預(yù)約過的所有實驗課程進(jìn)行查詢操作。

查看、打印實驗課程表：學(xué)生用戶可以查看并打印教師已經(jīng)確認(rèn)過的實驗課課程表，打印時會以Excel的形式導(dǎo)出系統(tǒng)。學(xué)生可以按課程表所提示的信息到相應(yīng)的實驗室按時參加實驗。

各課程實驗成績查詢：學(xué)生用戶可以進(jìn)入系統(tǒng)查看指導(dǎo)教師對所有提交的實驗報告的評分成績。

四? 適應(yīng)多模式的實驗教學(xué)管理數(shù)字化平臺的使用

（一）? 課程教學(xué)管理模式功能展示

因該平臺中最重要的課程選課模式的參數(shù)化設(shè)計，使得其有了最大的兼容性，課程負(fù)責(zé)人導(dǎo)入該課程的學(xué)生名單后，可以選擇多種上課安排模式，課程教學(xué)管理設(shè)置功能展示如圖5所示。

按班級排課模式。該模式適用于設(shè)備較多的情況，可以以一個班為整體進(jìn)行上課。課程負(fù)責(zé)人按班級排課后，教師還可以設(shè)定學(xué)生是否可以撤銷重新預(yù)約參數(shù)。教師排課后，每個學(xué)生的信息窗口就會顯示教師安排的實驗項目上課信息。如果教師設(shè)定學(xué)生可以撤銷再預(yù)約，那么學(xué)生就可以根據(jù)老師的排課情況，再調(diào)整自己的上課時間。

按小組排課模式。該模式適用于設(shè)備不多的情況，一個班的學(xué)生要分組才能完成同一實驗項目。在該選項下，課程負(fù)責(zé)人可以將學(xué)生分組進(jìn)行排課，同樣有設(shè)定學(xué)生是否可以撤銷重新預(yù)約參數(shù)。教師可以根據(jù)設(shè)備和管理的要求，決定學(xué)生是否可以撤銷重新預(yù)約來調(diào)整自己的上課時間。

自由預(yù)約模式。該模式適用于班級較多，且每個實驗項目重復(fù)開課次數(shù)較多的情況，學(xué)生可以根據(jù)自己的時間進(jìn)行安排，選擇每個實驗項目的上課時間，最終完成自己要達(dá)到的總學(xué)時數(shù)即可。在這種模式下，學(xué)生不再按班級上課，自由度最大。每個學(xué)生一張課表。學(xué)生預(yù)約情況查看如圖6所示，可以通過實驗課堂預(yù)約情況查看。

（二）? 實驗項目成績構(gòu)成設(shè)置功能

實驗課程、項目成績構(gòu)成全部實現(xiàn)參數(shù)化、動態(tài)化設(shè)置，可以按需要進(jìn)行修改、增減，如圖7所示。實驗項目可以增減，學(xué)時數(shù)可以修改，實驗課程總體成績由各個實驗項目的成績按項目的學(xué)時數(shù)加權(quán)計算，單個實驗項目的成績由單個實驗項目成績的構(gòu)成和權(quán)重計算得到。

（三）? 學(xué)生實驗預(yù)約功能

學(xué)生實驗預(yù)約功能如圖8所示，學(xué)生登錄后，可以在該界面上選擇要上的實驗課程，那么系統(tǒng)就會自動檢索出該課程有哪些實驗項目。學(xué)生選擇要預(yù)約的實驗項目，就可檢索出該實驗項目的開課時段。學(xué)生根據(jù)自己的空閑時間進(jìn)行預(yù)約，預(yù)約成功后在規(guī)定的時間內(nèi)可以撤銷實驗項目進(jìn)行重新預(yù)約，調(diào)整自己的上課內(nèi)容和時間。

五? 結(jié)束語

所開發(fā)的適應(yīng)多模式實驗教學(xué)管理的數(shù)字化平臺，可滿足不同類型、多門實驗課程的多層次管理需求。通過平臺的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)多門實驗課程的在線排課與選課、學(xué)生預(yù)約實驗課程、課程成績管理等功能。該平臺實現(xiàn)了多模式的管理，達(dá)到學(xué)生、教師、實驗室的時間和空間的最優(yōu)化組合。

第一，實現(xiàn)多門課程多模式的選課、排課，充分考慮學(xué)生、教師、實驗室的時間和空間最優(yōu)化組合，保證教學(xué)資源的最優(yōu)化配置。

第二，完成實驗教學(xué)全周期的數(shù)字化管理任務(wù)，彌補(bǔ)現(xiàn)有實驗教學(xué)管理的不足，從而提升教學(xué)質(zhì)量，滿足全方位人才培養(yǎng)的需求。

第三，充分實現(xiàn)多種實驗教學(xué)組織形式的并存，建立多元參數(shù)化的實驗教學(xué)評價體系，從而形成實驗教學(xué)管理與實現(xiàn)教學(xué)課程完善的良性循環(huán)。

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