略论数字化实验室的建设

闫　芳

摘要 数字化实验室是传统实验室与现代计算机技术、网络通讯技术、多媒体技术等信息加工处理与传播技术的有机结合。从概念、建设理念、设计原则、涵盖功能模块以及实现技术等方面对数字化实验室的研究做一个简单的综述。

关键词 数字化实验室；虚拟实验室；学习方式

中图分类号：G482 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）04-0109-02

Simple Review of E-lab Construction//Yan Fang

Abstract E-lab is the combine of traditional lab with information processing and communication technologies, such as modern computer technology, network communications technology, multimedia technology. Do a simple overview of the studies on the numerical laboratory from the concept, the concept of construction, design principles, function modules covering areas and technology.

Key words E-lab；virtual laboratory；way of learning

Authors address Educational College of Henan University, Kaifeng, Henan475004

信息社会越来越强调人才的创新能力、实践能力以及协作沟通能力等，实验教学更应该在“做”中培养学生的这些能力。然而传统的实验室实验已不能在激发学生思维和指导学生实践方面提供完全的支持，学生越来越需要一种开放的、综合的、更加灵活和有创造力的实验来培养思维。随着学生人数和仪器的增加，传统实验室的手工管理方式也使原有的仪器资源不能完全实现价值。另外，诸如远程教育等网络课堂以它的随时、自主的学习形式扩大了教育的规模，为教育的发展带来新的机会，但是这非面对面的学习也限制了学生亲自参与实践的机会。

教学和实验是相辅相成的，没有实验的教学是空洞的、难于理解的。所以，高校迫切需要寻求一种可以方便、高效地促进实验教学改革的理念、方法和工具。2005年5月，教育部发布《教育部关于开展高等学校实验教学示范中心建设和评审工作的通知》，指出为推动高等学校加强学生实践能力和创新能力的培养，加快实验教学改革和实验室建设，促进优质资源整合和共享，提升办学水平和教育质量，决定在高等学校实验教学中心建设的基础上，评审建立一批国家级实验教学示范中心。

1 什么是数字化实验室

数字化实验室，有着不同的称谓，例如e-lab、digital lab、virtual lab、miscomputer-based lab、digitized lab、数字化信息系统实验室等。目前国内较为统一的说法是数字化实验室e-lab，作为数字化校园e-campues的一部分。

数字化实验室是在传统实验室的基础上，利用先进的计算机技术、网络通信技术、多媒体技术等相关的信息加工处理传播技术，将现实实验室中的各种实验资源数字化，并通过计算机进行实验教学管理的、综合性的、开放型的实验教学环境，使得实验室在时间和空间上得到延伸。从学生来看，数字化实验室更是一个以学生为中心的、开放性的、人性化的实验教学支持服务系统；从教师来看，数字化实验室是集实验教学、实验教学教务管理、实验室设备管理、实验室开放教学管理为一体的管理系统[1]。

从这个概念可以看出，数字化实验室并不仅仅指学生用来做实验的这个计算机应用系统部分，而是一种新的实验室教学环境，包含相应的人财物等以及一种新的理念和文化。

2 数字化实验室的建设理念与设计原则

2.1 数字化实验室的建设理念数字化实验室是数字化校园的一部分。数字化校园是以网络为基础，利用先进的信息化手段和工具——计算机技术、网络技术、通讯技术，实现对教学、科研、管理和生活服务有关的所有信息资源进行全面的数字化；并用科学规范的管理对这些信息资源进行整合和集成，以构成统一的用户管理、资源管理以及权限控制。那么，数字化实验室就要实现教学、科研和管理所有资源的全部信息化以及整合与集成的功能。具体来说就是在开放的实验环境下，为实验的教与学提供最优化的教学资源，为教师提供简便有效的实验室管理、教学方案与方法，为学生提供虚拟与现实相结合的优化的实验环境与资源，使学生在真实的实验环境中利用最少的时间，掌握基本的实验操作技能，并在此基础上能进行一些力所能及的创造性、开发性的实验研究。

如果从不同的侧重点和角度出发，也会有不同的较为具体的理念，例如从远程教育角度来说，就要侧重实验的虚拟；从实验室管理来说，就要侧重人性化和高效的管理系统；从科研的角度来说，就要设计利于学生和教师交流的平台和开放综合的实验环境，有的是基础实验室，有的是综合实验室，有的是开放实验室。不同的学校也有不同时期的侧重点，但这些都是在数字化校园总的指导思想下进行的。

2.2 数字化实验室的设计原则数字化实验室的设计原则是其建设的保障，是它的建设理念的具体化和体现，也是它应该具有的特征。

总的来说，数字化实验室应该具有3个特征：开放性、人性化和过程化。数字化实验室的开放不仅是时间和空间上的开放，更为重要的是教学内容与教学方式的开放。在整个实验教与学的过程中，学生面对的学习资源应该是人性化的，整个实验教学中心应是一个实验教学的支持服务系统。另外，它的管理是全方位的面向过程的，是动态的不是静止的，其中既有从学校到教务处直至院系的纵向管理，也有各实验室之间的横向沟通[1]。

3 数字化实验室的功能模块与实现技术

3.1 数字化实验室的功能模块数字化实验室需要实现3种功能：实验教学、科研和实验的相关管理。它所包含的功能模块也应围绕这3个功能来设立。但是不同的分类和整合，形成的功能模块也是不一样的，不仅具有层次性，还有在同一层次上的不同。

宏观层次上，南京师大李艺先生认为其功能模块应该包括教师教学管理、学生学习实验及实验教学资源模块[1]。长安大学龙玲认为，基于数字化校园总体框架的数字化实验室应由实验基础数据管理系统、实验教师授课系统、实验学生学习系统和检测校准系统组成[2]。

微观层次上，由于各个学校侧重点和建设阶段的不同，具体的模块也各不相同，清华大学在实验过程支持、实验资源支持、实验教学管理及展示支持3大功能模块下又有众多的子模块。实验教学管理、电子实验报告、学生实验门户网站、虚拟仪器、监控与支持系统等，是东南大学开放实验室的功能模块。吉林大学国家级生物实验教学示范中心的功能模块是师资队伍、选课系统、仪器预约、规章制度等。

3.2 数字化实验室的实现技术目前数字化实验室的实现技术有很多种，较多使用的有2种：GIS技术和Matlab/Java Applet技术。GIS是处理空间数据与属性数据的集成软件系统，使得传统的LIMS可视化程度更强、更直观，具有其他技术所不能代替的作用，如可实现资源共享，学生的野外旅行，对于几十、甚至几百公里以外人员无法与之接近的环境监测等[3]。另外，将Java Applet的良好交互和网络开发特性与Matlab/Simulink强大的系统仿真功能结合起来，实现一种新的数字化实验方法，增强实验的交互性与真实感，降低开发难度，提高开发效率[4]。

国外也有用网格技术实现数字化实验室建设的。这种方法可实现不同学校和研究中心实验室间的交流与合作。

4 总结

数字化实验室只是提供一种新的技术和环境下的学习方式，这种方式是传统实验室教学和科研的空间和时间的扩展，并且为发挥传统实验室的功能提供支持和服务，并不能取代传统实验室的功能和地位。它的实现是在与传统实验室相结合的基础上，实验教师与学习者行为、实验教学资源的数字化、虚拟化以及管理方式的计算机化。它不仅仅是一种资源的重新架构，重要的是资源的扩展和适度整合，实现对资源的最优化利用。

任何一种媒体和技术都没有好坏之分，功能的关键在于人，所以，数字化实验室不仅要注重硬件和软件的建设，还要注重观念的建设、人员结构以及管理上的建设。观念上的建设主要是积极的思想和先进的教学科研理念，表现为如何激发和调动教师和学生利用、挖掘这些硬件和软件，如何在平台上设计和实施教学和科研。人员结构上，教师的合理安排以及学生的合理分组，都会影响教学的效果。在管理方面，虽然是在网络上的管理，但是也要有现实世界中的最自然的管理参与的作用。

参考文献

[1]徐朝军,李艺.数字化实验室的建设[J].实验室研究与探索,2003(2):9-12

[2]龙玲.高等学校数字化实验室的功能设计[J].实验室研究与探索,2004(9):24-25

[3]卢凤珠,吴达胜.基于GIS技术的高校数字实验室建设[J].理工高教研究,2004(10):103-104

[4]许又泉,李仁发.基于matlab和Java Applet的数字化实验室研究[J].微计算机信息,2007(1):259-261