基于過程管理的實驗教學支撐平臺設計與實踐

摘要：實驗教學管理水平決定了實驗教學的質量和成效，針對目前高校實驗管理水平的現狀，剖析了當前實驗教學面臨的挑戰，提出建設基于過程管理的實驗教學支撐平臺。結合高校實際應用情況，介紹平臺的設計目標、系統功能、各子系統建設以及閉環設計等內容。最后，通過實際應用案例，評估平臺的效能和實施成果，能夠為高校實驗室信息化管理提供有益思考。

關鍵詞：實驗室信息化；過程管理；教學平臺；閉環設計

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）04-0067-05 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

實驗教學是本科人才培養的重要組成部分，是提高整體教學質量的根本環節之一，自教育部提出大力加強實踐教學水平[1-2]，切實提高大學生的實踐能力的教育目標后，各大高校更加重視實驗和實踐環節的教學質量，不斷探索實踐教學改革的新方法。《“十四五”規劃綱要》中明確要求，要聚焦教育等重點領域，推動數字化服務普惠應用，并將智慧教育列入十大數字化服務應用場景[3-4]。《提升全民數字素養與技能行動綱要》中明確提出，加快建設完整數字基礎設施，全面推進數字校園建設，建設一批智慧教室、智慧教學平臺，虛擬實驗室、虛擬教研室等[5-7]。在此大環境下，近年來，實驗教學管理信息化水平要求逐步升級，信息技術與高等教育的實驗教學進行深度融合，針對當前高等教育中實驗管理存在的問題，規范實驗教學流程，提高實驗管理水平，開發一套通用的、精細化的實驗教學管理平臺迫在眉睫[8-9]。

1 實驗教學過程管理現狀

1.1 實驗排課低效，資源利用不足

目前高校的教務選課管理系統日趨完善，但課程數據不夠翔實和具體的情況仍然存在。教務選課系統中，實驗課信息通常僅含課名和學時，缺乏實驗項目的具體拆分，因此具體的實驗內容難以進行有效的統籌調配和安排，實驗員對實驗課程的掌握不夠精準，手動安排實驗進度的情況在排課形式中仍占主導地位。這種方式效率低、精細度不夠，信息技術的優勢無法在實驗室管理上充分發揮，先進的教學理念和方法也無法進行深入的貫徹和實施。部分實驗室在滿足基本的教學實驗任務以外，由于缺乏有效的信息化管理手段，實驗項目不能在線開放，學生無法預約實驗，造成了實驗室資源的極大浪費。同時，大型精密儀器的使用上還存在部分閑置的情況。

1.2 實驗室管理方式落后，信息難以共享

實驗室信息包括實驗室介紹、實驗室規模、開設課程、開設項目、開設學時、培養目標等內容，目前很多高校對實驗室信息的收集和管理還處于電子文檔管理階段。查詢、搜索效率低，出錯率高，當面臨檢查評估需集中提交材料的情況時，實驗員在短期內要提取大量的統計數據，這就使實驗室管理工作十分艱巨。由于工作量陡增，效率降低，致使造成錯漏，遺失信息等問題。近幾年，隨著高校建設的大力發展，很多高校增加了新校區，多個校區間的信息共享和溝通成本加大，實驗室間缺乏有效的協作平臺，相互配合度不高，導致實驗室信息不透明、不公開，師生對實驗室的了解有限，師生間缺乏互動。

1.3 實驗考核不嚴，學生應付了事

由于對實驗課程重要性和必要性的認識不足，現階段有部分學校還停留在“重理論輕實踐”的認知階段，實驗課程往往成為理論課程的附屬課程。由于缺乏嚴格的考核機制，教師和學生對實驗課的重視程度遠遠不及理論課，學生做實驗存在走過場的現象，教師評分也存在一定的隨意性。一些學生實驗前不預習，實驗時不認真，報告中造假、抄襲現象時有發生。在整體教學學時緊張的情況下，壓縮實驗課時的情況常有發生，有些理論課程甚至取消了實驗環節。對實驗課的輕視違背了安排實驗課程的目的，導致了人才培養與社會發展的嚴重脫節。

2 過程管理實驗教學支撐平臺建設目標

針對目前實驗教學的管理現狀，建設基于過程管理的實驗教學支撐平臺，實現網上輔助教學和智能化管理，提高實驗教學質量、實現教學資源共享。減輕實驗室管理人員的工作負擔，提高工作效率和服務水平，并為教學評估、實驗室評估、實驗教學示范中心建設提供原始資料和翔實的數據，有效推動學校相關工作的開展。

平臺為實驗中心、實驗室等部門實現工作信息化和過程管理智能化，實現師生可在網上查看實驗課表、預約實驗、實驗考核、報告評閱等功能，實驗管理員可進行設備清查、資產盤點、安全巡查等功能[10]，對實驗過程的諸多環節進行統一宏觀控制與管理。平臺同步建設新型實驗室門禁及監控系統，從平臺數據庫同步導入實驗課表，根據平臺的排課結果結合個性化策略實現自動開關門，與實驗室的管理、教務工作的安排相統一、相銜接。依靠 TCP/IP 網絡傳輸、Wi-Fi/4G 無線傳輸等多種數據傳輸方式[11-13]，完成對師生實驗課數據的采集和統計，并上傳至服務器生成統計報表。規范實驗室各個業務行為、跨部門協作，實現提高實驗室各管理部門工作效率、提升服務水平的目標。

3 系統設計

3.1 系統總體設計

平臺采用B/S結構三層架構的設計，前后端完全分離，結構清晰并支持分布式部署。前后端有豐富的Web接口能夠與第三方進行數據對接[14-15]，系統可擴展性強，易于維護。實驗教學管理支撐平臺的架構如圖1所示，主要包含應用層、技術支撐層和數據層3個層面。應用層是平臺的核心部分，主要針對用戶前端進行頁面展示和操作，對于不同的功能需求開發對應的實驗管理系統，學生可以通過系統查看本人的課程預習、預習成績、報告填寫等情況。老師可以通過系統查看學生的考勤、實驗內容、報告提交等情況。實驗員可通過系統管理基礎數據和業務系統等。技術支撐層是平臺中承上啟下的一層，主要實現技術層面的功能，和應用層和數據層進行雙向數據傳輸和處理，并進行數據存儲和數據管理。數據層是整個平臺的數據來源，主要包含學生數據、實驗課程、實驗項目等與實驗相關的數據庫，以及平臺的運行數據。三層架構既相互獨立又互相連通，構成了一個完整的實驗教學支撐平臺。

3.2 平臺子系統建設

平臺包含門戶網站、基礎數據管理、實驗排課、實驗預習考核、實驗開放預約、實驗報告管理等6個子系統，每個系統對應著不同的平臺功能，如圖2所示。平臺對各個子系統實施高效、科學的管理，將線上預習和真實實驗相結合，通過實驗過程和各子系統的相互配合，形成一套創新的教學模式和教學機制，以滿足學生自主學習和創新發展的需求，為推進實驗教學和科學研究水平的同步發展提供有力幫助。

1） 門戶網站。門戶網站系統是實驗室教學和科研所依托的公共信息平臺。網站主要用于發布實驗室的相關信息，包括實驗室介紹、實驗室新聞、實驗室項目、實驗室課程、實驗教師、網站設置等內容。網站的建立方便了師生對實驗室信息的獲取，提高了實驗室的管理效率和信息化水平。

2） 基礎數據管理。基礎數據管理是將平臺所需的基礎數據進行分類總結和管理，包括學期管理、節次管理、部門管理、人員管理、節假日管理、實驗中心管理、實驗室管理、課程管理、實驗項目管理等。對基礎數據進行管理可以實現基礎數據的最大化共享，與已有數據實現無縫數據對接，避免重復采集數據，造成人力和物力資源浪費。

3） 實驗排課系統。實驗排課系統是實驗準備的重要部分，包括任務填報、實驗排課、課表編輯、課表審核、課表查詢、課表管理等。系統允許學生自主選擇實驗課程、實驗教師及上課時間，允許教師查詢和導出選課結果，實驗管理員能夠進行手工修正和更新選課信息。通過該系統教師能夠動態掌握上課信息，杜絕了教學過程中的亂選課現象。同時，系統能夠提高實驗教學的開放性和兼容性，為實驗中心的信息化建設提供有力支撐。

4） 實驗預習考核系統。實驗預習考核系統是實現學生在線預習和對預習效果進行檢驗的手段，包括題庫管理、試卷管理、資源管理、實驗預習。學生通過系統了解實驗原理、儀器原理及使用，模擬實驗操作過程，建立實驗直觀認識，教師根據預習實驗內容自行組織預習考核。系統減少了學生“走過場”式的預習，能夠提高學生的預習質量，解決了實際教學中大面積實驗預習難開展的實際問題。

5） 開放實驗預約系統。實驗預約系統針對學生選課和預約所設計，包括選課管理和學生選課兩部分。不僅能夠對選課信息進行占位，還可以預約實驗室空閑時間段進行教學活動。系統的使用可以提高實驗室的利用率，減少實驗管理成本和冗余。能夠提高學生自主學習的積極性，有助于教學進度的合理安排。

6） 實驗報告管理系統。實驗報告管理系統是將傳統的紙質實驗報告信息化，包括實驗報告、實驗報告批閱、實驗成績管理三部分。學生在線填寫實驗報告，形成實驗報告電子庫，教師采用電子評閱方式對實驗報告進行在線評閱或下載批閱。教師既可以清晰觀看實驗步驟和實驗問題，實現報告批閱的規范化，還可以從煩瑣、機械的勞動中解放出來，更好地掌握學生學習情況，實現高效評判，保證教學質量不斷提高。

3.3 實驗過程管理的閉環設計

3.3.1 實驗過程管理機制

傳統的實驗教學對于實驗過程沒有比較完善的反饋機制，手工批改實驗報告導致實驗效果反饋遲，實驗項目更新慢，可能會出現很多年反復做同一個實驗項目的情況，實驗的改進也比較滯后，勢必影響學生的工程實踐水平。從教育學的角度看，優質的實驗課程，應有及時的反饋環節[16]，學生在做實驗的過程中，能夠與老師形成良好的互動，實驗結束后學生能夠把實驗產生的問題及時反饋給指導老師，老師可以重新優化實驗設計和實驗內容。基于過程管理的實驗教學支撐平臺是以學生和老師互為中心，從實驗過程和實驗效果上進行內外核雙層閉環驅動。內核閉環中，學生完成實驗項目后，教師進行實驗評閱，再對評閱結果進行數據提取和分析，從而對下一次實驗準備進行改進。外核閉環中，教師完成教學過程，再進行實驗效果分析，從而進入下一輪的反饋調整，最終重新設計教學計劃。如此，學生與老師之間能夠形成一個相互改進、相互矯正的自驅動模式，從而形成一種良好的螺旋式上升的閉環教學過程，如圖3所示。

3.3.2 實驗過程管理流程

實驗過程管理的流程主要包含實驗準備環節、實驗預習環節、系統集成、實驗教學環節、和實驗評閱環節5個板塊。如圖4所示，每個環節分別包含對應的實驗管理工作。實驗準備環節由任課教師和實驗員完成，主要進行實驗前的準備工作，實驗排課、實驗指導書的編寫及考核標準的制定等。教師完成準備工作后，學生開啟實驗預習環節，通過在線預習可以考查學生對實驗的準備情況，預習考核合格后方可進行下一步的實驗步驟。系統集成主要針對學生的到課情況進行統計，在線完成簽到和監控情況，作為輔助教學的手段之一，可以幫助任課教師考查學生的實驗參與情況。系統集成完成后進行關鍵的實驗教學環節，這一環節由老師和學生共同完成，學生在老師的指導下完成具體的實驗項目，完成情況可以通過拍照上傳到教學平臺，以供老師對實驗細節進行打分，實驗報告的撰寫由學生在這一環節中完成。教學環節完成后，教師登錄教學平臺完成最重要的報告評閱環節，此環節是教學反饋的重要依據。教師在平臺內完成實驗報告的批閱、成績管理、報告打印等工作。從報告的評閱情況和成績統計中，教師可以分析出學生對實驗的掌握和完成情況，從而為下一輪的實驗準備環節提供調整和改進依據。從流程中可以看出，5個實驗環節自上而下，環環相扣，缺一不可。同時，5個實驗環節形成了一種閉環驅動，每一輪的實驗都是一次良性的自我改進的循環過程。

4 實驗過程管理平臺的實現

平臺采用B/S架構，分為前后兩端，前端是人機交互接口，采用的是Lay UI框架，后端采用面向對象的Java語言，數據庫采用MySQL。前端與用戶的交互接口簡單易操作，后端的實驗數據庫堅實安全，易擴展。平臺操作實現分為教師端和學生端，教師端和學生端分別實現對應的平臺功能操作。

4.1 學生端功能實現

學生通過手機端App登錄，進入App之后可進行實驗選課，查詢課表等操作，也可以通過實驗預習系統了解實驗原理、儀器原理及實驗方法，完成實驗操作過程，建立實驗直觀認識，同時進行預簽到，如圖5 所示。學生在實驗室完成實驗后可上傳實驗過程，并提交實驗報告。教師批閱報告后，學生能夠查看報告評價和實驗成績。相較于傳統的實驗模式，基于過程管理的實驗教學支撐平臺能夠讓學生進行沉浸式學習，對實驗各個環節的知識點有更深入的分析和更牢固的掌握。

4.2 教師端功能實現

任課教師登錄App后，可上傳實驗預習內容，查詢學生選課情況。實驗過程中老師可要求學生把實驗過程拍照上傳，也可以由老師完成代交。實驗結束后老師可直觀了解班級的報告提交情況，形成一個具體、詳細的總覽并對實驗報告進行線上評閱，如圖6所示。實驗報告引入信息化技術后，教師采用電子評閱方式，既可發揮教師的教學經驗，又有利于教師發現問題，總結教學經驗，提高實驗教學水平。

實驗成績包含預習成績、操作成績、實驗報告成績三部分，可自定義三部分的比例，同時支持將實驗成績導出到Excel中。成績表生成的同時，系統同時可形成目標達成度表格，如表1所示。每一個實驗項目包含不同的達成度指標，從達成度表格中可以直觀地了解到學生對知識點的掌握情況，從而利于教師進行下一輪的教學改進和設計。

實驗管理人員登錄App后，可對平臺進行技術維護和支持，可通過后臺查看實驗排課和實驗進度等情況，同時可以導出實驗室統計數據等。較之以往的管理方法，基于過程管理的實驗教學平臺大大簡化了實驗管理的內容，對后臺實驗數據的維護更加容易和清晰，同時增加了實驗室數據的共享性和協作性，減輕了實驗員的重復勞動，提高了工作效率。

5 結束語

基于過程管理的實驗教學支撐平臺是從實驗課程的參與者角度出發，以大數據為支撐，以師生為中心，以實驗效果為依據而設計的具有自我調節的閉環管理平臺。通過在2個學院、5個專業的實際運用效果來看，系統能夠讓學生更清晰地了解實驗過程全貌，做好實驗預習、實驗操作和報告提交工作；能夠讓教師更加直觀地掌握實驗效果，提高收集報告和批改報告的效率，更好地篩選實驗項目和改進實驗方法；能夠讓實驗管理員擺脫瑣碎而重復的勞動，降低實驗室管理的運行成本，提高實驗室信息化水平，使實驗室的管理效率得到大幅提升。另一方面，新的信息化管理平臺從投入運行的多個環節會產生各種各樣的問題，用戶在使用的過程中也會產生新的需求，特別是近幾年人工智能和大數據等前沿技術的快速發展，基于過程管理的實驗教學支撐平臺今后將會根據實際的使用情況和技術發展需求，一步步地進行升級和完善，更好地提升實驗室教學管理的智能化水平。

參考文獻：

[1] 伍宗富，郭國強，郭杰榮.高校工程類實驗“三層遞階式” 教學研究[J].電氣電子教學學報，2020，42（5）：162-166.

[2] 石磊，莊志洪，李博.基于“智慧實驗室” 的高校實驗室信息化探究與實踐[J].實驗室研究與探索，2023，42（7）：269-273.

[3] 王紅，王軍.基于“智慧校園”的高校實驗室安全管理平臺建設[J].實驗技術與管理，2019， 36（2）：49-52.

[4] 吳英娟.我國高校信息化建設問題探討[J].東北師大學報（哲學社會科學版），2018（4）：195-200.

[5] 吳宏岐，李小斌，劉霞“. 新工科” 背景下的電氣專業虛擬仿真實驗室建設研究[J].大學教育，2022，11（6）：97-99.

[6] 趙凱輝，童玲，李祥飛.電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺的設計與實現[J].科技創新導報，2018，15（1）：202-204.

[7] 張杰，周偉，朱珺.應用型高校在“ 互聯網+” 背景下虛擬實驗室構建模式應用[J].數字技術與應用，2022，40（1）：114-116.

[8] 焦欣偉，折楠楠.實驗室信息管理系統的應用[J].聚氯乙烯，2023，51（5）：43-44.

[9] 趙天翔，王銘，劉洋，等.高校教學型實驗室信息管理系統的設計與開發[J].電腦知識與技術，2023，19（8）：59-61.

[10] 金峰，桑志國.實驗室安全技術與管理研究[M].北京：中國原子能出版社，2019.

[11] 姚娟妮，江書宇，方石，等.高校實驗室安全管理體系的探索與構建[J].中國現代教育裝備，2023（15）：59-60，71.

[12] 王維，謝永芳，趙仁宏.智能化技術在實驗室中的應用[J].電子技術（上海），2023，52（6）：110-111.

[13] 潘德龍.計算機應用技術在高校實驗室管理中的應用[J].數字通信世界，2021（5）：192-195.

[14] 王雨倩.基于分布式存儲的云網盤系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2023.

[15] 趙以濤.數據對接在儀器設備一體化管理中的應用研究[J].中國管理信息化，2022，25（1）：96-99.

[16] 呂念玲，黃曉梅，張林麗，等.高校實驗教學過程管理的系統方法[J].實驗技術與管理，2018，35（11）：17-23.

【通聯編輯：王力】

基金項目：安徽省高等學校省級質量工程項目（2021jyxm0079）