实验课程的开放与监控

王扬扬，许 谨，刘 洋

（沈阳航空航天大学 自动化学院，辽宁 沈阳 110136）

现代化高校实验室已从承担传统单一的实验教学任务转向产学研相结合。在教学指导思想上也从教师为主导转变为学生自主学习的方式。在功能转型的过程中，实行实验室的开放已成为大家的共识［1－3］。由于学科特点和侧重点的不同等多种因素，开放形式管理方式也各不相同。但开放过程中一个共性的问题是，相对众多的学生，教师和资源是有限的［4－6］。自动化专业中的自动控制原理、传感器与测试技术、模式识别与智能系统等课程是与工程实践密切相关的课程，不但要求广泛的背景知识，而且要求良好的实验技能。在学习中，必须使理论学习与实验密切结合，才能为将来工程岗位的实践打下坚实的基础。因此开放实验室的建设及教学管理有非常重要的意义。

1 开放式实验课程的教材建设

开放式实验课程给学生提供了更深入的自主学习空间。因此我们的实验指导书不限于具体实验的目的、方法和步骤。编写实验教程的主要目的是总体把握本课程的知识结构，加强实验设计能力和实验技能的培养，为从事工程实验打下良好的基础。根据实验的教学目的，可以把实验分为基本实验、设计和综合创新性实验、虚拟实验和课外科技实验。

为了保持背景知识的系统性，我们按照教学大纲确定实验教程的结构。教材中，简述有关实验的理论基础，例如以表格形式给出误差分析与数据处理方法和测量系统的静、动态特性等，便于参考。对每个实验项目，结合实验操作和工程实际设计思考题。对于课外科技实验的类型，介绍典型的实验工程实验项目，全面、综合训练学生。尽管这是一种教学实验，但也要按照工程实验的要求编写技术文件。本教程首先介绍如何撰写工程实验的技术文件，其中包括技术报告的格式和内容、技术备忘录和投标书等。

2 开放式实验的监控系统

以学生自主学习为主的实验管理系统，实际上要更加注重教学的管理和监控。根据本专业的特点，特别要防止因误操作引起的人身安全事故和贵重设备的非正常损坏。因此，要根据实验室开放内容的不同，采取相应的管理和监控形式。

2.1 监控方式

实验室的开放主要分为教学型，研究型两大类。其中教学型开放主要面向本科生的基本实验，学生做开放实验前要预约并提交实验计划和方案［7］，教师审查通过后，才能进入实验室，并且在开放过程中，教师要给予必要的指导，实验结束时验收。这类开放模式通常要求教师值守在实验室，进行设备维护和管理工作。而研究型开放主要面对本科生的创新实验和课外科技实验，以及教师和研究生的科研和产品开发，实验者的自主性较强。教师可通过监控设备远程监视和管理。这样可同时开放多个实验室进行不同内容的实验研究，提高了资源的使用率，节约了人力。具体的监控办法有以下2种。

（1）实验影像监控。模式识别与智能系统的研究热点包括行为学习、视频监控等，实验室中配备大量的摄像采集等设备供研究使用，恰当利用这些设备，分别安装在各个实验室，建立影像监控系统，既可以作为研究数据使用，又可以检查学生在实验室是否有违规操作行为，以及人员离开后实验室是否断电等，保证实验室的安全。如果出现违规或不安全隐患，系统通过远程网络自动报警，教师可及时到现场作相应处理。

（2）网络监控。实验室原有的网络功能主要用于课程资源的分享，对学生学习情况的监控、学生上机信息的深入分析做得还不够。利用信息统计、知识挖掘等技术，可以监控学生是否违规，同时获取学生感兴趣的知识点、薄弱环节，有针对性地指导学生［8－9］。

对主要使用计算机的实验项目，这种网络监控技术可以监督评价学习行为和效率，对自我约束力较差的情况，给予及时的指导和帮助，保证实验室正常的教学秩序；同时针对学生学习情况分析，可以及时调整教学内容和策略，实现个性化教学。教师在监控中心，通过影像和网络监控，及时掌握各个实验室的情况，保证开放时间和开放效率。

2.2 监控系统的开发

监控系统的建立、运行和维护结合本学科的教学和科研进行。教师带领研究生具体安装系统研发软件，维护并监管系统的正常运行，同时指导本科生做一些力所能及的基础实验。

监控系统的硬件整体框架，主要是由高清摄像头等传感器组成的监控终端、传输网络、监控中心三大部分构成。监控中心派人职守，屋中设置包括计算机、服务器、网关、报警器等，用于实时显示各实验室的运行状况，并且能保存一周的录像资料，可同时人工监控和软件智能识别，降低软件误识率。

软件体系如图1所示，同样采取3层结构［10］：底层为数据库，存放采集的视频图像；控制层为第二层，该层是整个系统的核心，根据采集数据判断实验室内是否有异常行为；高层为用户层，是用户监控界面，用户通过软件界面实现操作控制。

图1 监控系统框图

整个监控系统将原本单纯为科研使用而购置的监控设备作为终端设备，充分挖掘其使用价值，减少闲置率，便于管理。本系统的开发锻炼了团队的科研和产业化能力，提高了教学效果，充分利用了实验室资源。

3 结束语

开放式实验室的建设可促进对学生能力的培养和科研教学的改革。监控系统的建设还为教师和学生提供了一个很好的工程实践机会和学习平台，管理和教学一举两得。其优点主要有以下几个方面：

（1）创新精神和主动性的培养。实验教学是培养大学生实践能力和创新能力的重要环节，通过实验环节，可以激发学生的学习兴趣，教师可以从监控软件编写任务中拆分出若干适应学生能力的子任务，交给学生完成，这样增强了学生的责任感和自豪感，变被动的要我学为主动的我要学。每当学生完成一个任务并看到实际效果时，会极大地增强自信心和积极性，同时激发钻研和创新精神，逐步挑战难度更大的任务。

（2）团队精神和情商培养。学生参与到科研团队［11－12］，可以更加深切地体会团体的力量，在统一的框架指导下，大家分工协作，才会创造成果，共同进步。在团队中，通过与他人的交往讨论，可以学习别人的优点，锻炼人际交往能力，提高自己的情商。

（3）提高就业竞争力。学生虽然在大学期间接触很多课程，但对特定的工程实践接触较少，通过监控系统建立、维护的教学研究，学生可以了解工程实践的基本过程，开阔眼界、提高动手能力，弥补缺少实际生产实践的劣势，提高就业竞争力。

（4）师资培养。开放监控系统的建设不仅对学生，对缺乏工程实践背景的青年教师也有很大的培养价值，另外，监控系统获取的大量影像网络资料，又为科学研究提供了丰富多元并且真实的数据资源，教师可以探讨各种算法研究，并加以实际验证，不断改进现有系统，完善规章制度，更好地开放实验室，实现产学研齐头发展。

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