高校实验室综合管理体系改革的探索

张无奇, 王兴钰, 沙 毅, 张立立

(东北大学 计算机科学与工程学院 国家级计算机实验教学示范中心,沈阳 110819)

0 引 言

近年来，随着我国高等教育的快速发展，高校学科建设[1]、科学研究工作的快速提高、学校管理变革的推进[2]、仪器设备日益增多，高校的设备资产在数量和质量上都得到了快速增长和提高，极大地改善了教学、科研实验室装备条件。实验室建设规范化、复杂化的同时，实验室管理工作也变得繁重和复杂。以传统的人工、纸质记录管理方式为主的实验室管理模式已很难适应实验室现代化管理模式[3]。从全国高校实验室的使用效益评估的结果来看，使用效益、经济效益和管理机制的提高迫在眉睫，亟需一种高效便捷的实验室管理模式为其提供保障[4]。

计算机实验教学示范中心在实验室课程评价体系和信息化方面做了大量工作[5]，但是实验课作为理论课的一部分，实验内容基本都是对理论课程的原理验证和综合系统设计，没有实验考试环节，最终实验成绩的给出也只是笼统地给出实验总成绩。因此有必要对实验课程的评价体系[6]进行改革，并且将信息化网络化这些先进的教学手段融入实验课程改革，更能起到事半功倍。总结实验课程评价仍然存在一些问题[7]：

(1) 实验教学体系和考核评价体系[8]不规范，缺少有效的监督环节，而且对于实验过程和考核管理都是靠人工完成，费时费力，工作量繁重。

(2) 计算机示范中心的信息化建设不健全，缺少教学管理系统[9]，包括智能排课、考试管理、选课管理、成绩管理、教材管理、实践管理、教学质量评价、实验室安全及设备管理系统等信息化模块。

(3) 学生出勤评价。学生实验时，到实验室后需要进行纸质签到。不仅浪费资源，而且教师也要按照学生名单签到本进行核对，统计出勤情况，费时费力。还有可能出现学生代签到，造成出勤评价不客观。

(4) 实验课堂表现评价。现有教学评价是教师对学生“一对多”单方向上，凭借教师对学生在课堂上或实习期间观察与了解，或依据实验报告及实习报告来鉴定，不能对实验的课堂表现进行现场打分。所做的教学评价不能客观、有效、全面地评价学生学习状况，而且实验报告或实习报告提交教师前，学生往往随意互相借鉴和交流，有的甚至是抄袭，故仅凭单向的有限信息对学生所做的教学评价是不客观和片面性的。

(5) 实验总成绩的评定。目前实验教学缺乏考试环节，实验总成绩的评定都是根据实验报告和学生表现综合评定后给出。实验教师需要核算每次实验报告成绩和平时学生表现的成绩，通过一定的权重计算，计算出总实验成绩，由于学生人数较多，计算实验成绩的工作量很大，还容易计算错误。

鉴于以上存在的问题，计算机示范中心力争在实验教学体系和信息化方面进行改革、完善。

1 实验室综合管理总体设计

国家级计算机实验教学示范中心学习其他高校的实验教学改革经验，制定了一整套适合中心发展的总体规划，从实验类型分类信息化管理和实验流程规范化管理两方面入手。

1.1 实验类型分类信息化管理

将实验按照课程类型分为：软件语言类、计算机硬件类、通信类和单片机嵌入式类。

(1) 软件语言类。计算机学院软件类课程丰富，且需要的软件环境也是五花八门，每次都需要在PC上安装软件，费时费力，更新软件环境也给实验教师造成很大麻烦；而且语言类课程，学生编程容易抄袭，学习效果差，鉴于此，学院引入远程系统，将软件环境都安装在服务器中，学生可登录虚拟环境即可进行实验，教师更新软件时也可在服务器端操作，大大减轻了维护实验设备的工作量。并针对编程语言学生学习效果差的问题，尝试C语言程序设计实验利用OJ系统，在传统实验教学中，增加在线测试系统，一方面利用网络在线测试实验考试督促学生学习过程，另一方面为后期的ACM比赛培养人才。

(2) 计算机硬件类。计算机硬件课程包括：计算机组成原理和接口技术等，计算机学院尝试利用浙江大学研发的Nexys4-DDR4和Sword系统，完成计算机组成原理的贯通课程改革。

(3) 通信类。通信类课程专业性强，传统实验只能配合原理课程完成一些验证性和综合性实验，改革通信电子线路课程实验改为独立设课，从18学时增加到32学时，学生在完成基础16学时实验后，需要完成一个典型通信系统设计性实验。

(4) 单片机嵌入式类。此类课程与电子竞赛相结合，大一开展电工电子实训，培养学生焊接动手能力，有了C语言的基础接着进行STC89C52单片机训练，后续进行MSP430单片机培训，学生在此基础上进行有针对性的学习，即可参加电子竞赛，也为单片机嵌入式类课程奠定基础。

1.2 实验流程规范化管理

实验教学体系的完善，依附于实验评价管理[10]。按照实验成绩组成将实验系统分为实验预习、实验过程、实验报告和实验考试管理及实验评价系统[11]。

2 实验室管理系统设计

2.1 实验资源预习平台

预习平台为学生用户使用，将每一个实验预习信息的地址生成一个二维码，学生可以登录自己的账户访问，也可扫描二维码访问。学生登录只可以访问自己所属的实验。

访问一个实验预习信息页面的请求发送给服务器后，服务器将在数据表中查询该实验的预习信息以及相应的预习题目。网页中可以显示相应的预习材料和预习题目。预习题目为选择题。

学生作答预习题目完成后提交，使用AJAX技术提交一个JSON数据给服务器[12]，JSON数据记录了每一道题该学生的作答。服务器与数据表中的标准答案比对之后，记录作答成绩并返回一个JSON数据，记录每一道题正确与否，客户端页面接收到服务器返回的数据后，使用JavaScript动态修改页面内容以显示作答结果。具体流程如图1所示。

图1 预习系统结构框图

2.2 实验过程管理系统

学生进入实验室后刷一卡通，语音播报随机分配的实验台号，同时教师机也会出现刷卡学生的信息，学生也可在教师机端确认是否刷卡，通过局域网将本次实验学生刷卡名单上传给iPad，在iPad上可以进行预习和课堂的成绩评定。教师可根据学生的课堂表现进行本次实验的成绩评定。此系统适合专业实验室的使用，不需要学生提前实验预约[13]，减少操作麻烦。这种方式既完成了实验签到，又能有效地监督学生课堂表现，有效提高课堂教学质量，节省纸张。课堂评价系统硬件组成如图2所示。

图2 实验过程管理结构图

2.3 实验成绩管理系统

计算机实验教学示范中心目前有计算机实验室、通信实验室和微控制器实验室3个方向，各学科之间都有差异，实验成绩的评定方法很难做到统一，因此，将实验成绩分成4部分，即实验总成绩=预习成绩+课堂成绩+实验报告+实验考试。各部分成绩可以按照百分比设置，也可以按照最高分设置。各学科根据自己的特点，对课程评价各部分设置不同的权重，这样不仅达到了全局统一，而且又兼顾了各学科特色，制定了适合整个实验中心的课程评价方法。

由于实验课堂成绩已经在上课时实时评价，而预习成绩为预习后做练习的成绩，这里只需要录入学生每个实验的作业成绩和课程考试成绩。

已登录的教师选择自己名下的课程或者课程下的实验，向服务器提交请求，服务器返回实验中的学生名单及成绩，教师可以根据需要修改，修改完提交服务器，服务器对数据表做相应的修改。

设置成绩各部分比重及显示学生成绩。教师可以修改成绩的各个组成部分(课堂，作业，考试，预习成绩)在总成绩中所占的比重，送交服务器保存。

当向服务器发送查询成绩的请求时，服务器根据先前设置的各部分比重对学生的各部分成绩进行加权求和，然后返回给客户端。

2.4 实验评价系统

评价系统[14]是对实验项目及教师教学过程信息化网络化与学生进行互动和评价的管理系统。教师端可在系统发布实验项目，学生可查看实验项目介绍内容进行预习，实验完成后可针对实验项目内容和教师授课情况进行评价，系统结构组成类似于淘宝购物后商品评价系统，可进行客观评价，并进行留言互动。

学生每次在一个课程下做完一次实验，即可登录自己的账号对该实验进行评价和反馈，每个学生只可进行一次评价和对总体以及实验内容，授课教师和自我表现进行评分。

学生也可以看到其他同学的评价和评论的信息。每个同学的评价信息上传到服务器后，任课教师可以在自己的账户中查看每一个实验的评价情况，获得学生对实验的反馈，及时对教学进行调整。实验评价及反馈的流程图如图3所示。

图3 实验评价系统结构图

3 系统软件调试

软件部分调试分为：运行环境调试和应用程序调试，其中运行环境调试主要是为本系统提供可靠的底层的客户端—服务器通信和数据库支持，应用程序调试则是为保证系统的正确运行和功能的完整，进行业务逻辑的测试。

由于系统适用地点的多样性和服务器资源[15]的有限性，需要客户端与服务器进行远程通信，特别是签到系统对实时性的要求较高，更需要保证这种远程通信的畅通，在本系统中，使用WebSocket协议在签到系统中实现客户端和服务器的通信。本系统使用基于PHP的WebSocket框架Workerman，由于在Windows下无法做到进程守护，且无法fork多进程充分利用多CPU资源，所以服务器使用Linux系统。在基本的LAMP运行环境安装完成后，编写Workerman测试程序，在Terminal中输入PHP start.PHP start进行调试，如图4所示。

图4 系统调试过程图

这个界面显示Workerman已经正常工作，然后使用前端测试页面与服务器建立WebSocket连接，测试连接是否畅通。此外还需测试服务器端Apache服务器，PHP运行环境和MySQL数据库是否正常运行。

在调试好整个服务器端系统服务后，把之前编写好的Web应用程序上传至服务器的Web目录(/var/www/html),在客户端打开浏览器输入服务器IP地址，219.216.65.147端口号10002，就可以访问本系统，输入管理员账号进行对业务逻辑的测试。测试流程图如图5所示。系统经过严格测试，运行稳定。

图5 测试流程图

4 结 语

本文基于实验教学示范中心建设应以培养学生实践能力、创新能力和提高教学质量为宗旨，以实验教学改革为核心，以实验资源开放共享为基础，以高素质实验教学队伍和完备的实验条件为保障，创新管理机制，利用计算机辅助教学的理念，全面提高实验教学水平和实验室使用效益。