依托“三网融合”平台创新实验教学与管理模式研究

曾志强

实验教学是高等教育的重要组成部分，是学生实践应用能力和创新能力培养的必需环节。高校开放实验室实现智能化管理模式是培养创新人才的新途径，也是实行实验教学改革的重要过程。

随着计算机网络技术的快速发展，“三网融合”成为信息化发展的必然趋势。高等学校作为科研的先驱，已经普遍使用计算机系统来进行实验室的管理工作，这大大地提高了实验室管理水平和工作效率。开放实验室智能化管理不仅是指仪器设备与时间概念上的开放，更是指实验课程、实验项目、研究课题和实验教学方法的开放管理。为此，如何使广大的学生更充分地利用现有实验室资源，成为开放实验室管理急需解决的首要问题［1］。

1 “三网融合”是现代通信和计算机网络发展的产物

所谓“三网融合”即计算机互联网、电信网和有线电视网络相互渗透和融合，形成统一的网络系统，并以全数字化的网络设施来支持包括数据、图像和话音在内的信息通信。2009年工信部在公布的《电子信息产业调整和振兴规划》中明确提出要加快第三代移动通信网络、下一代互联网络和宽带网建设，开发符合新型移动通信网络特点和移动互联网要求的新业务、新应用等来推进“三网融合”［2］。随着信息技术的不断创新和发展，信息数字化已经成为必然趋势，多媒体信息处理已经能够实现在同一个计算机网络系统和电信载体上传输和处理数字、文字、语音、图像和视频的基本信息形态，“三网融合”将成为信息化发展的必然趋势［3］。

高校在应用现代通信和计算机网络技术方面具备良好的基础，在校园网规划建设中实现“三网融合”，通过优化现有网络配置、采用全数字化连接、综合利用整合网络资源、高度集成宽带数据交换与传输、智能化管理与控制、简化终端接口等方式改造多媒体信息网络，提供视频、语音、数据等多媒体信息服务［4］。在技术设备上，利用先进的PTN传输承载技术、FTTX技术和GPON宽带接入技术将广电、传统电信网、因特网等进行融合，并引入软交换、IPTV/数字电视等业务［5］，实现全数字化的网络设施所支持的数据、话音和视频业务，在教学上实现多媒体教学、网络教学、实验室智能化管理、视频实验教学、校园安全监控等功能［6］。在校园应用“三网融合”网络平台优点是校区内不需要重新布线，充分利用了原有的设备，改造速度快，给学校的管理和教学提供更加周到便捷的服务。

2 构建实验室智能化管理系统，创新实验教学与管理模式，实现实验室的完全开放

实验室智能化管理系统由实验室控制主系统和实验室子系统组成。实验控制主系统由主控计算机、射频读卡器、信息发射接收系统组成，实现各种控制信号采集、数据存储、运算控制、信息传输。实验室子系统由实验室主控计算机、实验台控制板、实验台电源控制器、射频通信系统组成［7］。该系统能够实现控制各实验台状态，同时利用实验台输入设备和传感器采集实验台信息，实现信息在计算机和射频读卡器的传递接收。主要实现以下实验室常规管理功能。

（1）实验信息智能化管理。将实验预约、个人信息、身份认证、网上辅导、实验报告提交等模块与实验人员在实验室做实验情况采集到数据库管理系统并进行统一管理。

（2）实验室每台仪器的智能化管理。提高实验设备利用效率，优化实验室资源配置，实现实验室全方位、全过程开放［8］。

（3）实验设备电源自动管理。通过身份认证自动打开实验室及设备电源，离开时关闭实验室总电源。

（4）实验设备故障情况自动登记。实验设备出现故障，系统将自动登记存档，并及时告知管理人员进行维修，设备修好后将信息存入数据库，自动开启使用。

（5）实验设备移动报警并记录。对实验设备安放位置进行管理，当发现实验人员移动实验台仪器或将实验设备带出实验室，报警系统发出警告信号，并通知实验管理人员进行处理，同时将违规记录储存到该实验人员记录中。

高校实验室资源的利用效率和管理水平直接反映一个学校的教学实力和办学质量，如何加快实验室建设并规范管理，充分发挥实验室资源的效益，是实验室建设与发展中亟待解决的问题。为保证实验教学的顺利开展，需要将实验室资源更加合理地利用，提高实验教学的开放层次，充分利用实验课堂和业余时间将实验室对师生开放，构建真正意义的开放实验室。利用“三网融合”的资源，充分发挥实验室功能，整合实验资源，推进实验教学规范化和教学技术现代化进程，实验室管理的智能化就显得特别重要，在实验室使用、仪器设备配置、实验专业技术队伍建设、实验室档案管理等方面建立智能化管理系统，是高校实验室管理体制改革的必然趋势。

2.1 设置智能卡门禁及视频监控系统，构建开放实验室

智能卡门禁系统由射频读卡器、主控计算机、数据发射接收系统和电控门锁组成。智能卡门禁系统的使用可以提高实验室的工作效率和管理水平，降低管理费用，提高管理档次。构建高效、安全、节能的开放实验室，智能化门禁管理系统在高校实验室的应用是一个必然趋势［9］。智能卡是持卡人的电子门匙，用于开启已授权的实验室。将射频卡编号作为师生的信息存储、查询、修改管理的身份认证识别码，通过在智能卡门禁控制器上授权持卡人进出实验室的权限和时段信息，实现严密而灵活的实验室管理，有效而礼貌地防止非授权人员的进出。师生的全部信息由网上实验室系统进行管理，管理人员根据实验室的安排计划设置持卡人进出各实验室的权限、有效时段，设置用卡或卡＋密码等开门方式。通过查询门禁系统的进出记录，作为进出人数统计或事故核查的依据。

在设置智能卡门禁系统的同时又建立实验室视频监控系统，既提高实验设备利用率又能有效监控仪器设备使用情况，设备故障能及时发现及时维修。视频监控系统由摄像机、服务器、传输网络和监控端组成。数字视频监控系统无需建设专门的信号传送网络，信号传输通过校园网实现，在监控中心实时显示所有监控实验室的视频；可以在监控中心发出指令控制前端设备，使安装在实验室的摄像机可迅速定位及连续追踪扫描，实现无盲点、全方位监视；通过配置有远红外功能的摄像机，达到全天候监控。

监控人员通过对系统的操作，可观察所有监控实验室的视频图像，任意切换监控点并在需要时进行录像。采用数字化压缩及前后端混合式存储处理技术，能在回放以前资料的同时不影响正常录像，保证资料的完整性，同时还可以将重要资料进行备份和打印，这不但有利于重要资料的保存和管理，还可以根据报警信号的发生自动实时记录现场情况，随时可从系统数据中查询相应的资料。

2.2 开设网络实验室，推进实验教学改革

网上实验室能实现“实验预约”，“网上实验”，“网上辅导”，“实验报告提交”等功能。各种实验管理数据在网上实验室管理系统与控制室主系统之间进行传递，同时将这些信息传递到各控制室子系统，实现对各实验室的智能控制。实现网上实验教学，其主要目的是让学生在实验环节中对实验项目更加具有针对性，实验项目的管理更加完善，实验评价更具个性化和客观公正性，给学生以人性化、弹性化的发展空间。这将有利于学生在学习过程中产生积极的情感，切实提高学生对知识的理解和实际操作能力。网上实验教学的应用，改革了传统的实验教学模式，有效地强化了实验教学的效果。由于高校连年扩大招生规模，在校学生迅速增加，许多高校实验场地、实验设备仪器、师资力量均严重不足，实验课程的教学出现很大困难［10］。解决这些问题的一种有效办法是开设网上实验教学。

在网上实验教学中，可充分发挥校园网络优势，不受时间和场地限制，只要能上网就能做实验，真正激发学生实验的兴趣。实验教师可先将实验内容和要求发到网上，通知学生下载并预习，了解实验步骤，做好实验准备；学生在网上观看实验教学课件、实验过程录像、实验过程动画等资料，然后根据实验步骤进行操作，按要求完成实验；教师可以在网上给学生以具体指导，及时发现并帮助学生解决操作中的问题，实验课后在网上提交实验报告。网上实验教学的实施和实现可解决目前实验教学中存在的问题，可以提高实验教学效率，实现实验教学模式的革新和教学质量的提高［11］。三网融合为网上实验教学提供了良好的平台，是计算机技术和多媒体技术相结合的产物，是实验教学发展的必然趋势。

2.3 应用视频系统，使实验教学具有远程学习功能

视频实验教学系统的主要功能是采用现代通信技术将教师现场实验的图像、声音和电子白板等信息实时地传送到远端教室或学生的学习界面上，通过该系统，远端的学生可以看到并听到教师实时的实验教学，又可实现教师、学生之间进行实时交流。教师在实验教学活动中可以看到学生的表情和动作，听到学生的声音，并可和学生进行异地实时交流，达到现场教学的效果。应用视频实验教学，它不仅创造良好的交互式学习氛围和提供了现代化的教学手段，而且提供给学生更多更灵活的学习方法，既能够充分调动学生的学习积极性，也可以提高教师教学的工作效率，让教师的教学工作事半功倍。

视频实验教学是利用现代的三网融合技术平台，将教师实验和学生观看的静、动态图像、图片、语音、文字等多种资料实现实况互现，使得在地理上分散的实验室可以共聚一处，建立点对点或多点之间的双向视频、双向音频，以及数据等交互式信息的实时通信与共享，实现教师做实验、学生观看实验过程、实时双向交流、课件演示，作业分发与回收等功能。实现过程是教师在实验室上课，通过摄像头、麦克风、音响等多媒体设备将其声音、图像、数据等传送到视频实验教学系统主控机房，利用视频实验教学系统将其实验过程内容数字化后再利用网络传输到各个分视频实验教学系统接收机上，各分实验管理技术人员在主控机房调控、接收实验室传送过来的实验教学信息，传输到多媒体教室的计算机上，最后在多媒体教室通过投影仪、屏幕、音响等多媒体教学设备显示实验过程内容，实现实时通信、同步实验教学、信息资源共享等实效。

2.4 构建微格实验教学系统，提高学生实验操作技能

融入网络信息技术的微格实验教学系统与数字化、网络化设备接轨，把现代的微格教学系统通过交换机或路由器等设备连接校园网，构建成微格实验教学系统［12］。

（1）利用主控制台有效实时快速地对微格实验室的实验过程进行处理。控制中心通过视音频控制技术及音/视频数字处理器，可对任意一台摄像机信号进行监视，控制人员可以对实验室内的实验教学全过程从不同方位进行监控、录像，通过操作多功能云台、多倍变焦镜头对实验操作人员的动作拍摄特写镜头，对实验室内的声音可进行同期录音。主镜头进行录像时，可对其他镜头进行预览并预调，再切换入主画面，控制任何一台摄像机，并将信号通过不同轨道自由切换，控制人员通过特技机完成多镜头之间的特技镜头切换，实现对整个实验过程的监控录像。

（2）利用多媒体技术、网络技术在微格实验教学中自动生成网络课件。通过中心控制室，可随时将微格实验室内上课的优秀教师实验课或学生实验练习实时全程的视频信号和音频信号直接送到视音频采集卡进行实时视音频采集。采集后的信号可存于服务器硬盘或使用专用软件对其进行编辑、制作和过程处理后，把需要刻录光盘的内容直接刻录制成光盘课件，为课后研讨及精品实验课程增添更多的教材。

（3）利用微格实验教学系统的优势，能提高培养学生实验操作技能方面的效率。微格实验教学是一种模拟实景的实验教学，实验操作技能培训则是面对真实环境进行的完整的实践课程。微格实验教学的目的是让学生实践所学的实际操作技能，逐渐熟练地掌握。在融入现代信息技术元素的微格实验操作技能培训中，多个监视器可以看到不同摄像机的拍摄画面，受培训者能及时看到自己的实验操作过程，获得自我反馈信息，利于及时修正。同时教师可以在计算机控制室中进行实时点评，并将操作情况保存在硬盘上，并根据需要，可以随时播放。这利于教师掌握实验教学中的个别情况，减轻了指导教师的负担，使之能有更多的时间对学生的实验工作进行评价和指导。微格实验教学系统将全面提高实验教学在培养学生实际操作技能的效率，达到提高实验教学效果的作用。

3 结束语

高校构建“三网融合”应用平台，必将促进高校管理与教学创新，进而促进教学方法的改变。作为知识与创新的汇集地，高校在应用新技术方面必须创造一种有效的运行模式，实现管理与教学共赢。构建一个集语音、视频和信息数据于一体的实时、交互、多媒体化的基于“三网融合”技术的校园网应用于实验教学，整合实验资源和实现实验教学创新，可以把实验教学、实验管理等各部门连接成一个有机整体。提高高校实验教学与管理信息化应用水平，是未来高校发展的趋势。

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［1］胡云.三网融合的技术基础和应用分析［J］.信息化研究，2011（2）：9－12.

［2］柯岚.“三网融合”现状及未来发展趋势［J］.广播电视信息，2010（1）：31－36.

［3］闵曙辉，李普玉，曹向.三网融合技术发展研究［J］.科技广场，2009（11）：216－218.

［4］王大健.“三网融合”技术在校园网规划建设中的应用［J］.中国有线电视，2007（22）：2082－2084.

［5］马志欣.关于三网融合关键技术 MPLS的探讨［J］.电脑知识与技术，2007（14）：386－388.

［6］刘贺.浅析三网融合关键技术及其在校园网中的应用［J］.网络财富，2010（4）：134－135.

［7］林振强.实验室智能化管理的探讨［J］.化学分析计量，2007（1）：58－62.

［8］闫建生，冯长江，张建英.实验室智能化管理研究［J］.北华航天工业学院学报，2006（增刊）：16－17.

［9］徐东.对高职院校实验室管理智能化的探讨［J］.无线互联科技.2011（1）：42－43.

［10］高丙云，王正林.基于网络环境的开放式实验室管理模式探讨［J］.实验技术与管理，2006，23（9）：123－126.

［11］常薇，肖媚燕.高校开放实验室管理模式研究与改革［J］.中山大学学报论丛，2006（2）：219－221.

［12］夏玉宏.谈我院微格教学实验室的管理与维护［J］.中国科技信息，2005（11）：117.