高校实验教学示范中心信息化体系建设

刘广武，周淑红，王志琼，董景石

(吉林大学 机械与航空航天工程学院, 长春 130022)

0 引 言

高校实验教学示范中心是进行实验教学和科学研究的重要基地, 肩负着培养适应国家现代化建设、未来社会与科技发展需要；富有人文责任感，具有锐意创新精神、宽广国际视野、丰富实践能力、具备宽厚的专业理论和实践知识的复合型人才的时代重任[1]。

1 教育信息化体系建设的国家战略目标

“2011～2020年教育信息化10年发展规划”指明了，高教信息化建设要加强基础设施和信息资源建设，推进信息技术与高等教育的深度融合，促进高等教育改革创新和全面提高教育质量的国家战略。建设网络化、数字化、个性化、终身化的教育体系，是高教信息化建设要完成的艰巨任务。

2 现代高等教育信息化体系建设的基本理念

2.1 高等教育信息化内涵

教育信息化通常定义为在先进的教育思想和教育理念的指导下，充分的应用信息技术手段、利用信息资源进行教学，培养满足信息时代行业需求的高级复合型专业人才。黎加厚教授从教育观念、教育组织、教育内容、教育模式、教育技术、教育评价、教育环境等维度给出了教育信息化概念，着重指出它是关系到整个教育改革和教育现代化的系统工程[2]。教育信息化表述的是一个庞大的系统工程，具有深厚的内涵、广博的外延，表述不尽相同，在时间的维度上逐步丰富和完善，伴随着教育思想、信息科技的进步而快速演变、其过程与结果相互推动、连续进化着的动态概念。

2.2 高等教育信息化体系的构成

高教信息化体系的组成应包含：观念、战略、目标、政策、内容、组织、模式、评价、技术及培训等体系，其中“技术体系”决定了整个高教信息化体系的基础设施建设，代表了信息科技文明的先进程度。建设坚实的教育信息化技术体系，广泛开展信息化教学、实验、科研、管理等方面的应用，推进信息技术与高等教育的深度融合。

2.3 多样化的高等教育信息需求

大学教育宗旨不能仅定位在科学知识的灌输，大学应该是学子成长的理想国，在智慧集腋成裘的大学教育环境中，每个大学生能够轻松愉快、自由、主动地去发现、思考和探索，从中获得科学知识的深层理解、能力和心灵的历练，最终在情感、信念、意志、行为和价值观等得到潜移默化熏陶，达成心态、学习、思考、创新、合作等诸多方面的综合提升，具备良好的思维能力、行动能力、创新能力，这是大学应该给予当代大学生的修炼底蕴，也是高等教育宗旨的完美诠释。

高等教育宗旨的时代定位决定了高等教育信息需求的多样化。大学生自主性、开放性学习，学科交叉探索，并在科学、技术课程领域融入哲学和社会学的视角，重建高等教育的文化、理性、研究和学术自由理念，培养更多具有国际视野的创新型专业人才，必须建设能够满足教育信息化服务三大主体(即学生、教师、管理者)的多样化需求, 并具备动态、绿色、智慧特征的高教信息化体系。

3 高等教育信息化技术体系内涵建设

3.1 高等教育信息化的现代多维度解析

第3次世界科技革命的到来，人类社会逐步从工业社会进入了信息社会，工业社会条件下的教育特征正在逐步转变为信息社会所要求的教育特征，以计算机、大数据、人工智能、机器人、智能制造行业快速发展为标志，高度信息化促使高等教育正逐步走向开放，双向，创新和终身学习的新阶段，从统一性转变为个性化，从专门性转变为综合性，人类的认知正从低维向高维度快速进化，教育方式也相应地由塑造型向服务型转变。

“十年发展规划”指出“教育内容、教学手段、教学方法”是高教信息化的3个最基本维度。高等教育思想和教育理念逐年提升，教育信息化内涵与外延的延拓，引领更多样化信息的需求，低维度教育学已经无法全面适应服务型的教学方式，必须细化高等教育信息的基因粒度划分，为学科生态进化提供足量优质知识基因,全面提高教育学的认知维度。

高教信息化的维度是其内涵的离散化具体表象，与信息化体系组成的细分领域划分息息相关，并随着时代信息技术的发展而变化，是可扩展动态参变量族。高教信息化维度变量族(时代、技术、观念、目标、战略、空间、装备、情景、创新、整合、建构、模式、内容、组织、形式、方式、方法、本质 、政策、学制、监督、考核、评价)的现代表征值，见表1，其属性源于工业社会向信息社会过度的时代特征。

高教信息化的多维度延拓,应最大限度的满足教育本质的变革需求，新东方CEO俞敏洪提出了我国教育要解决：学生如何独立思考、提出疑问，如何锻炼他们的创造能力和创新能力的问题[4]。

3.2 顶层信息原像的内容动态多维演化

能否科学、合理的进行高教信息化体系的顶层信息建设，决定着建设的成败，也关系着整个信息化有效应用的整个生命周期。顶层信息建设的要务，就是深入理解“教育信息化体系建设的国家战略目标”，确立明晰的基本理念，建立科学、系统、生态化的内容体系,即“信息原像”系统。

高等教育学科、专业组织体系归属为高校的顶层建制重要内容,决定了 “信息原像”系统的体系架构。学科通常是指一定科学领域或一门科学的专业分支、知识分类。

教育部根据现代科学分工和产业结构的需要，制定了系列化的不同学科门类，用以划分科学知识体系，不同的学科就是不同的科学知识体系，在一定学科知识体系的基础上构成专业的区分，学科知识体系是专业划分的存在的合理性依据。在一个学科，可以组成若干专业。

表1 高等教育信息化多维度参量表[3]

也可以打破不同学科间的边界，建立新跨学科专业。专业划分不等同于二级学科分类，否则，必然出现分化甚于综合，学科、专业之间各自独立分割，资源不能共享，人才知识面狭窄、过于专门化，无法适应信息化社会对人才的需求。

高校完善学科建设组织体系，深化学科管理机制、体制、改革是高教信息化顶层体系建设的核心，“信息原像”系统的体系构建是以国家颁布学科目录为统领、本校当前专业目录为内容来建制生态信息单元，建立学科、专业的粒度细分与层级聚合管理机制，配备先进的信息技术基础设施，适应动态调整的高校自主专业设置, 适应教育信息化信息单元的进化升级。

互联网+教育、移动互联网、大数据、云计算、物联网，传感网络的技术带来了学习交互，考核、监督、评价、管理的智能教育时代到来。文明时代的变迁，第3次世界科技革命的背景，与时俱进的普通高等学校学科和专业目录、高校教学大纲、培养方案、学科与专业的新目标下的融合与重组、推陈出新的教学改革、国际国内教育技术的迅速提升、创新创业的迫切需求驱动、高教信息化的多维度新观念与视角等都决定了高教信息化的“信息原像”必定是内容动态多维演化，其维度空间逐年扩展、内涵持续深化。

现代高教信息化的“信息原像”内涵建设要解决的3个关键问题：① 内容动态多维规划；② 架构绿色创新布局；③ 微化可服务性设计。三者既要最大限度满足现代教育的多样化需求，又要符合信息化技术体系的基础设施承载能力，千年文化的厚重沉积、科学技术的演变进化、历史文明的跌宕起伏，都将囊括其中。

3.3 顶层信息原像的架构绿色创新布局

“信息原像”内容和其结构形式随学科专业的教学改革深化而动态演化，学科将知识按照类型进行分级,上级学科对次级学科进行封装，次级学科承载原子性的微元操作，上级学科负责对次级学科进行知识基因分离与自由组合。信息处于增加、复制、剪裁、分类、筛选、挖掘、分析、累积、扩展和聚合的重新调整常态中，信息要素的表现结构要发生变异，信息原像按教育信息化的现代维度扩展而重构，即信息基本要素所表现的知识、思想、方法、技术和实践在学科领域里的二维、三维展现空间的生态进化，其架构应是易于应用和维护的绿色、生态、创新布局。时代空间坐标维度下的知识进化过程决定着信息原像的属性为: 生命周期内的绿色应用体验和常态化的创新驱动[5]

3.4 顶层信息原像的微化可服务性设计

高等教育与信息技术的深度融合的最终目标是: 在信息爆炸的第3次世界科技革命进程中，促进教育现代化、创新服务模式、推动文化传承,全面提高我国高等教育质量,实现国家人才国际竞争的比较优势,实现中华民族的伟大复兴。

宏观的伟大蓝图，需要通过海量的微观单元去实现。高教信息原像内容的高维度化演化，折射到高等教育信息单元，使其内涵日益复杂、知识生命周期迅速缩减、给教育工作者带来的压力与日剧增，一系列问题的解决，需要将“可服务性设计”尽早引入到高教信息原像的微元内容设计中,在复杂的高维度信息环境下,实施“求根本、做减法”基本路线。

目前的教学单元微化策略，不失为可服务性设计一种可行解决方案。教学微单元，是将教学课程以需求、目标、任务、内容、方法、资源、互动、反思等多维度的颗粒化细分体系，教学微单元，内容直接指向具体问题，关注教学课程中的“小现象、小故事、小策略”，主题突出，一单元一事，层层剖析，有深度，能启发思考，教师可组织学生最大限度地利用零散时间学习，通过教学单元微化的可服务性设计，解决针对学生、教师、管理者的高认知维度境况下的信息原像服务实效性。

4 高等教育信息化技术体系的基础设施建设

高等教育国际化、信息化的建设，是实现高等教育现代化的重要前提。“10年发展规划”强调要进一步加强基础设施和信息资源建设，这里，基础设施是载体，信息资源是内容，二者是大学教学支持服务体系的统一体。高教信息化技术体系着重要解决基础设施物理建构问题，信息资源建设首要任务是教育资源的开发与整合。

高校教育信息化建设已经融合在高校的教学、科研、管理、生活服务等方面，基础设施建设应该考虑建设背景、顶层架构、实施方案、内容规划、核心功能、建设流程、集中管理、分散存储、细分聚合、共享整合、服务成效等多方面要素，应全面纳入信息化技术体系“绿色生态系统”旗舰SOA服务平台建设理念中来。

以大数据技术为标志的新高等教育时代到来，数据存储、挖掘、运用等影响着数据资源的价值更新和转换，如何能够安全、可靠、低成本的存储和使用海量数据，是高教信息化建设面临的一个重大问题。

随着移动互联网在全球高速发展,移动智能终端也开始爆发式增长，4G无线网络通信业务在全球逐渐普及，5G无线网络时代即将来临，高教信息化技术体系功能延伸到移动互联网，已经刻不容缓。

高教信息原像系统特性决定了需要什么样的信息化技术支撑体系。信息原像系统自顶向下地映射到承载体上，原像、映射、载体等技术构成了信息化技术支撑体系。通过在“信息原像系统”和 “基础设施物理建构(包括软件和硬件)”之间建立绿色、动态、智慧、高可靠的“中间件(云计算基础设施)”，实现信息化内容与承载体的基础设施物理建构有机融合，解决信息原像内容和架构动态化带来的信息化技术体系的物理建构随动性难题，从根本上推动高等教育与信息技术的深度融合的实现[6-9]。

信息化技术体系“绿色生态系统”旗舰SOA服务平台建设理念的落地实施，目前最先进的信息技术解决方案是云计算，建设规模化“分布式云计算信息与数据中心”基础设施势在必行。美国NIST给出了云计算定义：云计算是一种模型，它可实现随时随地，便捷地，随需应变地从可配置计算资源共享池中获取所需的资源，能够快速供应并释放，使管理资源的工作量和与服务提供者的交互减小到最低限度[10-13]。

分布式云计算信息与数据中心，通过3种服务模型(SaaS、PaaS、IaaS)面向学生、教师、管理者提供全面信息化服务。SaaS服务，即以云计算形式，在封装服务器、存储、操作系统、网络等底层云基础设施方式下，向用户提供软件程序应用；PaaS服务，即为用户提供在云基础设施上，在不直接管理底层云基础设施情况下，创建或获取用户自己指定的编程语言和工具的应用程序。IaaS服务，即用户在不管理或控制底层的云计算基础设施情况下，定制处理、存储、网络等基本云计算资源，可控制操作系统、存储、部署的应用[14]

5 教育信息化技术体系建设的两大推动力

高教信息化技术体系建设的动力在于需求推动与趋势引领。在“全球化”与“数字化”两大潮流的合力推动下,世界各国的大学围绕信息时代学习方式的变革和人才培养目标模式的转变,开始了课程教学领域的整体创新。纵观信息时代世界高等教育变革发展的进程中,学习科学和信息技术的交汇、融合不仅正在改变着人们对传统大学、课堂、教师和学生的认知,也正在深刻改变教学模式、学习方式以及固有的师生关系。信息技术的快速发展对教育的组织结构和教学形态产生着革命性影响，大学教学支持服务体系的建立不仅使师资水平、教学水平得到提升，更重要的是日益成为推动大学教学质量提高、促进高等教育卓越和创新的核心力量。因此，“如何创建信息时代的大学教学支持服务体系”成为当前世界各国大学创新发展的难点与攻坚战。我国高等教育信息化持续发展的两大推动力是 ：第1是应用驱动；第2是机制创新。

6 国家级实验教学示范中心信息化教学改革

机械基础实验教学示范中心,2007年11月被评为教育部机械基础实验教学示范中心(建设单位)，2012年通过教育部专家组验收。2017～2018年度，中心共面向机械类、近机械类和非机械类的7个学院24个专业4个年级的5 000多名本科生开设29门课程的111个实验项目和9门实习实践，年人时数约为17万人时数，形成了完整、系统、科学的实验教学体系。

在教育部“世行贷款”项目、教育部普通高校修购专项资金项目、中央高校改善基本办学条件专项资金项目、教育部“本科教学工程”项目以及学校实验教学专项资金等建设经费持续支持下，中心的信息化教学资源平台得到了充分建设，在本科实践实验教学与现代信息化教育技术深度融合中取得了长足发展。

中心全面实施以“创新模式，重构体系，筑建平台，逐级提升”为主线的一系列实践教学改革，开发了“工程图学课程网站、机械原理课程网站、机械设计课程网站、机械制造课程网站、工程图学实验教学网站、虚拟样机实验教学网站；实验选课系统、远程作业提交/存储系统、在线自测与考试系统、机械设计与制造支持系统，三维实体标准零件图库系统、数控车3D床虚拟拆装系统、仪器设备管理系统、贵重设备预约与管理系统；机械基础实践教学、机械基础教学资源、网络互动教学、教学综合管理、工科大学生创新实践、机械设计创新实践、国家级虚拟仿真实验教学等平台。”,获得了国家、省、校的多项成果奖励[15-16]。

中心规划在未来3～5年内,提升原有信息化基础设施服务能力,将以课程信息、资源发布、创新实践、教学管理为主体的单一网站服务器集群打造成 “分布式云计算信息与数据中心”, 逐步形成:服务器集群硬件资源虚拟池化、固件动态扩容与承载信息云计算迁移, 计算机网络教室实现桌面多环境虚拟化；提供标准化的SaaS服务；PaaS服务于学科、专业课程及资源与学习互动网站的创建和维护；IaaS服务于每个学生、教师和管理者；云计算中心以动态、绿色、智慧的运行模式，最大化满足教育服务主体人群的多样化信息需求。

7 结 语

机械与航空航天工程学院2018版培养计划的制定，已经着重引入了新理念、新模式、新体系等新工科工程教育需求。国家级机械基础实验教学示范中心，在新工科国际化人才培养的实践过程中，进行实践课程内涵改革创新的同时，还承担了基础设施和信息资源建设重任，密切关注教育信息化科学与技术发展前沿的同时，肩负推进信息技术与高等教育的深度融合重任，应用现代信息创新技术推动教育内容、教学手段和方法的现代化，高维度、多视角、全方位的信息化建设方略实施，将推动科学与文化的传承，促进大学本科生教育质量的全面提高。