（教育技术学专业论文）开放式创新性实验教学平台的分析与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页曼曼曼曼曼量寰曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼蔓曼曼! 曼! 曼曼曼ii 鼍曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇皇曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼一捅要实验教学平台是高校开展实验教学的重要辅助和管理工具，能够为实验教学的改革提供技术支持。通过分析高校实验教学平台建设现状，认为当前许多高校现有的实验教学平台不能满足开放式创新性实验教学的推广需求。为了建设一个能够最大程度上满足开放式创新性实验教学的平台，作者对开放式创新性实验教学模式以及具有代表性的教学平台进行了分析，提取了许多了优秀的处理方法和手段，提出了自己的设计以及解决方案。本文首先通过对开放式创新性实验教学的管理体制、教学体系与内容、教学方法、考核方式等的分析，结合一些现状，对平台进行了需求分析，功能划分，技术方案选择。主要功能模块有：学生能力测评子系统，实验教学选课子系统，学生评教子系统。然后结合现代教育中的一些理论，并且将现有平台中的一些方法进行重新组合，对开放式创新性实验教学平台的选课子系统、评教子系统、学生能力测评子系统提出了自己的设计思想，并且对数据库和操作流程进行了详细设计。最后，对平台的部分模块进行了开发，同时对进一步开发以及实验教学的信息化建设做出了自己的想法和意见。关键词：开放式创新性实验教学；能力测评；评教西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页! 笪i i , 舅璺皇曼曼，a b s t r a c te x p e r i m e n t a lt e a c h i n gp l a t f o r mf o re x p e r i m e n t a lt e a c h i n go fc o l l e g ei sa l li m p o r t a n ta i d sa n dm a n a g e m e n tt o o l s ，a n dp r o v i d e st e c h n i c a ls u p p o r tf o re x p e r i m e n tt e a c h i n gr e f o r m t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n tc o n s t r u c t i o ns t a t u so fu n i v e r s i t ye x p e r i m e n tt e a c h i n gp l a t f o r mt h a tt h ec u r r e n te x p e r i m e n t a lt e a c h i n gp l a t f o r mc a n n o ts a t i s f yt h ep r o m o t i o nr e q u i r e m e n to fo p e na n di n n o v a t i o ne x p e r i m e n t a lt e a c h i n g i no r d e rt ob u i l dap l a t f o r mt h a tc a nb e s ts a t i s f yo p e na n di n n o v a t i v ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h em o d eo fo p e na n di n n o v a t i o ne x p e r i m e n t a lt e a c h i n ga n dr e p r e s e n t a t i v et e a c h i n gp l a t f o r m ，a n de x t r a c tal o to ft h eg o o dw a y sa n dm e a n so fd e a l i n g 埘t l l ，a n dp u t sf o r w a r dh i so w nd e s i g n sa n ds o l u t i o n s f i r s t ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fm a n a g e m e n ts y s t e m s ，t e a c h i n gs y s t e m sa n dc o n t e n t s ，t e a c h i n gm e t h o d ，t h ea s s e s s m e n tf o ro p e na n di n n o v a t i v ee x p e r i m e n tt e a c h i n g ，a n dc o m b i n e dw i t hs o m eo ft h es t a t u s ，t h ea r t i c l e sc a r r i e so nt h en e e d sa n a l y s i s ，f u n c t i o n a lc l a s s i f i c a t i o na n dt e c h n o l o g ys e l e c t i o nt ot h ep l a t f o r m n em a j o rf u n c t i o nm o d u l ei n c l u d e s ：t h es t u d e n ta b i l i t ye v a l u a t i o ns u b s y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gc o u r s es e l e c t i o ns u b s y s t e m ，t e a c h i n ge v a l u a t i o ns u b s y s t e m ，s e c o n d l y ，c o m b i n e dw i t hm o d e me d u c a t i o nt h e o r i e sa n dr e c o m b i n a t i o ns o m em e t h o d so ft h ee x i s t i n gp l a t f o r m ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dh i so w nd e s i g nt h i n k i n ga n dc a r r yo nt h ed e t a i l e dd e s i g no fd a t a b a s ea n do p e r a t i o n a lp r o c e s s e st ot h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gc o u r s es e l e c t i o ns u b s y s t e m ，t e a c h i n ge v a l u a t i o ns u b s y s t e ma n ds t u d e n ta b i l i t ye v a l u a t i o ns u b s y s t e m a tl a s t ，t h ea u t h o rd e v e l o p ss o m ef u n c t i o n a lm o d u l e s ，a n dm a k e sh i so w ni d e a sa n do p i n i o n st ot h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n tt e a c h i n gi n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：o p e na n di n n o v a t i o ne x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ；a b i l i t ye v a l u a t i o n ；t e a c h i n ga s s e s s m e n t西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页曼1一mi 蔓曼曼曼! 曼曼鼍曼曼曼! ! ! 曼皇曼曼曼皇! ! 曼曼第1 章绪论一1 1 课题研究的背景及意义实验教学是当前高校教育改革的重要内容之一。传统的实验课大都依附于理论课，各个课程之间实验教学内容彼此独立，大量重复，不但造成了实验教学课时和实验教学资源的极大浪费，同时也不利于学科交叉和创新型人才的培养，为此各个高校纷纷对实验教学进行改革，逐渐形成了一种新型的，有创新性的实验教学模式，即开放式创新性实验教学。开放式创新性实验教学是一种突破时空限制，促进学生知识、能力、素质和谐发展，突出培养学生创新精神和实践能力的以人为本的实验教学。相对于内容与时空固定的传统实验教学，开放式创新性实验教学能更好的发挥学生的主观能动性，更有利于学生的自主学习、自主研究创新能力的培养和个性的发展。但是要实施开放式创新性实验教学首先要面对教学对象、内容、时间等因素的不确定性，加之教学计划的个性化，从而使管理的难度加大：同时由于个性化教育使得管理及教学头绪增多，重复劳动增加，致使管理及教学工作量增大数倍到数十倍：因此，尽管大部分实验教师及工作人员认识到开放式创新性实验教学的重要性和必要性：但面对开放式实验教学可能带来的工作量大增以及管理头绪的复杂化，一般不愿意开展开放式创新性实验教学【l 】。因此，开发基于网络的开放式创新性实验教学平台，具有很强的现实意义，也具有很好的应用前景。1 2 当前相关课题的研究现状近年来，随着信息技术逐步应用于教育事业，作为信息技术与学科知识整合重要分支的实验教学信息化也得到了许多组织与专家的青睐，纷纷投入大量的财力、时间与精力进行研究。目前国外比较有代表性的案例有：芝加哥伊利诺伊大学具有实验教学指导和教务管理功能的数字化有机化学实验室：印第安纳州立大学具有辅助实验教学功能的m b l 化学实验室；卡罗莱纳州立大学的基于w e b 的探索式虚拟物理实验室；华盛顿州开发的虚拟化学反应装置；新加坡国立大学的远程实验；安交通大学的可以远程操作的小型多功能机电综合试验台等。国内的许多专家和组织也从不同层次进行了实验教学的信息化建设，其中比较有代表性的案例有：东南大学基于网络的教务管理认证刷卡系统、基于网络的多重答疑和指导系统、多媒体教学和网络管理平台，计算机t a 教学模式；华东理工大学的远程西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页化学工程与工艺专业实验；华南师范大学基于双宿主机模式的远程示波器实验；东南大学集设计、仿真、检验、控制与一体的网络制造平台；西南交通大学力学实验中心基于网络的实验教学质量保障系统等。概括的来讲，目前各组织和专家主要从实验教学资源共享和实验教学开放管理两方面研究和实现实验教学信息化建设。1 3 论文的研究内容及组织结构本文通过对开放式创新性实验教学模式下的管理体制、教学体系，教学内容、教学方法、考核方式、教学过程等分析，得出了开放式创新性实验教学平台的功能需求，通过对现有技术的分析，选择了合适的架构技术，然后基于现有的预约方案设计了适合开放式创新性实验教学的预约方案，基于不同实验项目类型对教师的要求不同，以及对学生的培养目标不同，设计了基于实验项目类型的评教指标体系，基于现有的评教数据处理方法，设计了对实验教师评价的评教数据处理方法，基于网络环境下对学生知识基础测评的方法，设计了学生能力测评的组卷算法。最后利用设计的预约方案，评教数据处理方法，评价指标体系和组卷算法开发了实验选课子系统，学生评教子系统，学生能力测评子系统。本论文的组织结构如下：第l 章绪论：本章阐述了本课题研究的背景，意义以及相关课题的研究现状。第2 章开放式创新性实验教学分析：本章主要对开放式创新性实验教学模式下的教学管理体制、教学体系、教学内容、教学方法以及考核方式做了详细分析。第3 章开放式创新性实验教学平台分析：本章首先对实验教学过程进行了分析，然后阐述了开放式创新性实验教学平台的功能需求、用户分析、架构技术和开发工具。第4 章开放式创新性实验教学平台的设计与实现：本章首先阐述了平台的总体功能模块设计，业务流程设计、用例设计以及数据库逻辑结构设计，随后详细阐述了实验选课子系统中实验课程管理模块、实验选课管理模块、实验预约管理模块以及学生评教子系统，学生能力测评子系统的设计与实现。西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页曼i ；一i 寰皇曼曼曼皇皇曼曼曼蔓曼皇曼璺曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇蔓蔓皇舅曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅皇曼曼曼曼皇第2 章开放式创新性实验教学分析开放式创新性实验教学模式是一种新型的实验教学模式，它在教学理念、教学管理体制、教学体系、教学内容、教学方法、考核方式等方面都与传统的封闭式实验教学有很大区别。因此，为更好的开展开放式创新性实验教学，国内的许多著名高校都积极改进自己原有的信息化实验教学平台，但真正功能完备，满足开放式创新性实验教学的信息化平台并不多见。通过查阅资源和网上调研等方式，发现高校现有的信息化实验教学平台主要有两种类型，一种是是购买商业软件公司的产品，一种根据本校的情况自主研发的产品。目前，商业软件公司提供的产品比较成形的有北京英普软件有限公司开发的i n p r ol i m s ，石油化工科学研究院和北京百合天达科技发展有限公司联合开发的s u n l i m s 等，这些产品共同的特点是都是面向企业应用的，都缺乏对高校实际情况的深入研究，在许多方面不适合高校实验教学。高校自主研发的平台存在以下问题：1 许多高校的信息化平台是依据传统的封闭式实验教学模式开发的，处理的都是一些静态的或者需要很长时间才需要维护的数据，缺乏对实验预约、实验课程安排，实验等动态内容的处理。2 平台给予实验教师的权限较少，限制了许多实验教学项目的真正开放。3 现有平台大都偏重实验设备、数据报表等的管理，对实验教学、实验过程等重要工作开发的功能比较少。4 大多数高校都是以实验中心或者院系为基础构建信息化平台，但是对这些平台之间的资源共享都没有做很好的处理。5 现有信息化实验教学平台几乎都缺少对大型精密仪器设备进行专门管理的子系统。联系现有平台的共性问题以及开放式创新性实验教学模式，现以正在实施开放式创新性实验教学的某高校( 为保密不便提供该高校的名称) 为例对现有信息化平台建设，实验教学管理体制，实验教学体系，实验教学方法以及考核方式等做分析。2 1 现有信息化平台建设分析该高校现有国家级实验教学示范中心6 个，省级实验教学示范中心5 个，本科实验教学实验室2 9 个。其中：具有独立实验教学信息化教学平台的有2 0 个，具有实验教学系统的有l3 个，具体情况如表2 一l 。西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页罡曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼皇曼曼! 曼! ! 曼曼曼曼曼蔓! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇! 曼! 曼曼曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 寰! 曼iii 曼曼蔓量曼表2 1 实验教学平台建设现状实验中心类型总数目独立平台数目实验教学系统数目国家级实验教学示范中心655省级实验教学示范中心544本科实验教学实验室2 91l4依据上述统计，该校本科实验教学实验室中具有独立实验教学信息化平台的占有比例偏低。并且在实验调查中还发现该校现有信息化平台的公开程度还存在很大问题，许多实验室提供的网址打不开，许多信息化平台的功能单一，仅具有实验排课、选课等功能，不能全面管理实验教学。，2 2 开放式创新性实验教学管理体制分析该高校实验教学实行学校院系分级管理。实验室及设备管理处对全校实验教学工作进行统一归口管理，同时负责全校仪器设备的全面管理【3 1 。各院系、实验中心指定专人负责实验教学管理并落实岗位职责。学校成立实验室工作和实验教学指导专家组，各院( 系) 亦应建立相应的院级实验室工作和实验教学工作指导小组，参与并承担对教学实验室建设、实验教学建设与改革、实验仪器设备装备及改造、实验教学人员培训等工作的咨询、评估、指导和监督实施工作。以该校物理实验中心为例，该中心实行实验中心主任责任制。历任中心主任均由了解国内外物理实验教学体系、教学理念先进、热爱实验教学和管理能力强的教授担任。中心采用岗位聘任制，中心人员包括主讲教师、指导教师、实验室技术人员等，均实行公开招聘、竞争上岗和定期考核的管理机制。人力和物力资源方面，由中心统筹调配，具体为：实验教师和工程技术人员按教学计划和要求由中心统一聘任和调度；实验室开放和实验内容由中心统一组织和安排；实验教学经费由中心统一管理和划拨；仪器设备由中心统一购买、管理、保养和改造。教学管理模式方面，中心实行开放式实验教学管理模式，学生通过预约，可以完成补做、重做和自主实验，也可以在实验预习室练习基本技能。在提高实验仪器设备方面，中心将所有实验室不仅对全校师生开放，而且面向社会开放，为兄弟院校提供教学服务。西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页2 3 开放式创新性实验教学体系与内容分析2 3 1 开放式创新性实验教学体系分析该高校以先进的教育理念为先导，建立起了“2 + 2 ( 即基础型实验、综合设计型实验、工程实践项目和个性化实验项目) 的多层次实验教学体系，并突出体现了“四个结合 ，即理论教学与实验教学相结合、实验内容与工程背景和科研项目相结合、大众教育与精英教育相结合、课内实验与课外科技活动相结合。针对不同的专业和学科，多层次有着不同的内涵，各学科结合自身特点，充分发挥专业优势，不断丰富和完善多层次实验教学体系。以该高校物理实验中心为例，他们构建了“2 + 2 的实验教学体系和贯通式培养的教学模式 。具体情况如表2 2 ，其中“2 + 2 即：面向大众化教育的基础型实验、综合设计型实验两个基本层次和面向部分优秀学生的个性化实验项目( 研究创新项目、学生自拟项目、科研成果转化项目) 、重点实验室向本科生开放项目( 科研项目) 两个提高层次。贯通式培养：即：时间贯通实现实验教学从大学一年级到大学四年级的贯通：内容贯通演示实验、预备实验、基础型实验、综合设计型实验到个性化实验、科学研究的贯通；能力贯通基本能力、综合能力、科研和工程实践能力的贯通【4 l 。“四个结合具体表现为：理论教学与实验教学相结合：首先通过建立了理论课教学队伍与实验课教学队伍合一的机制，有力地促进理论课和实验课教学的结合，其次通过在实验中心建立理论课与实验课一体化的学生学习中心，促进学生理论学习与实验训练的紧密结合。通过开设的演示实验和在实验中心实验室进行理论课教学，使学生与实验室零距离接触，进一步激发了学生学习的兴趣，。为后续实验打下基础。大众教育与精英教育相结合：实验教学体系中的前两个层次面向全体学生进行基础物理实验知识、技能和综合知识应用能力的培养；后两个层次面向优秀学生和有兴趣爱好学生进行创新精神、工程实践能力、科研素质和能力的培养。2 + 2 的实验教学体系体现了大众教育与个性化培养的有机结合。实验内容与工程背景和科研项目相结合：作为一个有明显学科特色和工科优势的学校，中心依托学校强有力的学科优势，及时注意把最新科研成果转化到实验教学中，及时更新实验教学内容，将重点实验室向本科生开放，让学生尽早接触科研，培养学生的科研素质和创新精神。课内实验与课外科技活动相结合：为了进一步激发学生的兴趣，吸引更多学生参与物理实验课外活动，满足全校不同专业学生对物理知识的需求，拓宽知识、开拓视西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页野，培养学生的创新精神和工程实践能力，中心在完成实验教学计划的基础上，开展了丰富多样的课外科技活动，目前开展的活动有：举办实验室开放周活动、举办物理系列讲座、举办大学生物理实验竞赛、举办物理实验小论文活动、大学生物理与艺术创作、大学生科研训练计划等。表2 2 物理实验中心2 + 2 实验教学体系层次项目类型选课类型描述面向全校所有学生。通过力、电、光、热、综合5 个系列近两百个演示实验的选做，让学生学会观察实验现象、分析问题的方法，提高学l基础型实验必做，选做习的兴趣。通过基本仪器使用、基本物理量测，定、验证性实验，让学生学会常规仪器、设备，的使用、掌握基本实验方法、实验技能和实验数据处理的方法。面向全校所有学生，学生必须选择完成规定综合设计型数量的实验项目。该类实验目的在于培养学生2限选的实验综合设计和实际操作能力，开发学生的实验学习潜能。提高学生综合应用知识、分析问题和解决问题的能力。面向完成了第一层次和第二层次教学环节的部分优秀学生。该层次实验项目是由教师指定个性化实验或学生自拟题目的研究性实验、自制改造实验3选修仪器项目和教师科研成果转化形成的教学实验项目组成。其内容主要涉及科研工程实际中的物理学问题，体现我校的学科特色，深化物理学知识的工程应用。以四川省重点实验室一高温高压重点实验室、重点实验室电磁场与微波技术实验室为依托，以教师承担4向本科生开选修的科研项目为基础，通过发布项目指南向本科放项目生开放，由教师学生双向选择，让学生尽早接触科研项目，培养学生的科研素质和科研能力。西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页2 3 2 开放式创新性实验教学项目分析目前，全国各高校的实验教学在建设理念，培养模式等方面存在很大差异，对于开放式创新性实验教学项目分类的提法也各不相同，大致可以归为以下三种类型，五个层次如表2 3 所示。表2 3 三种类型五个层次实验教学项目分类基本类型认知水平描述了解记忆事实、术语、概念、基本实验方法基础型实验理解利用实验技术方法认识概念和原理应用。利用概念和原理解决问题综合设计型实验综合应用多课程知识和技术解决问题研究创新型实验研究应用所学知识探索产生新知识针对上述内容，如图2 1 所示，现对三种类型实验教学项目按照内涵及分类原则做如下分析：图2 1 实验教学项目分类1 基础型实验基础型实验是检验实验课程中某单一理论或者原理的验证性实验，或基本实验方法，或基本技术操作的基础认知性的实验。要求学生应该了解、理解和应用实验对应西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页一的某个概念、基本原理或者知识点、实验方法和技能【3 1 。一般可以包括三种类型：认知性实验、演示性实验、验证性实验。它们的教学作用各有侧重。认知性实验：学生对基本物质如机械零部件、动植物标本、岩石等进行观察、识别，能了解掌握各种物质的外形、特征、基本性质等知识。演示性实验：由教师操作，学生仔细观察，验证理论、说明原理和介绍方法。验证性实验：学生按要求，动手拆装和调试实验装置或上机操作、程序设计和数据处理，掌握其基本原理和方法；或按照实验教材( 或实验指导书) 的要求，由学生操作验证课堂所学的理论，加深对基本理论、基本知识的理解，掌握基本的实验知识、实验方法和实验技能、实验数据处理，撰写规范的实验报告。2 综合设计型实验综合设计型实验是指学生利用多门课程或多个原理及概念，通过一种或多种实验方法实现教师给定的实验目的的实验项目。可以分为综合性实验和设计性实验两种类型。( 1 ) 综合性实验综合性实验是指学生在具备一定的基础知识和基本操作技能的基础上，实验内容涉及本课程或相关课程的综合知识，运用综合的实验方法和手段，按照要求( 或自拟实验方案) 通过完成实验过程，培养学生综合运用所学知识和实验方法、实验技能，及分析、解决问题的能力的一类复合型实验【3 1 。它的特征主要体现在综合上，可以包括以下几个方面：实验内容的复合性综合性实验的内容应是涉及一门课程的多个知识点或系列课程多个知识点，涉及相关课程或多门课程的内容，或组合多项单元实验。：实验方法的多元性。综合性实验具有实验方法的多元性。这一多元性体现在完成一个实验，需要综合运用两种或两种以上的基本实验方法。通过不同的手段分析问题、解决问题，掌握不同的实验技能，这样的实验同样是综合性实验。人才培养的综合性综合性实验的目的在于通过实验内容、方法、手段的综合，让学生掌握综合的知识，形成综合考虑问题的思维方式，灵活运用综合的方法、手段分析问题、解决问题的能力，最终达到对学生能力、素质的综合培养。( 2 ) 设计性实验设计性实验是指教师给定实验目的要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验【3 1 。其一般具有以下特征：学生学习的主动性西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页设计性实验则在给定实验目的和实验条件的自i f 提下，学生在教师的指导下自己设计实验方案，选择实验器材，制定操作程序，学生必须运用已掌握的知识进行分析、探讨。在整个实验过程中，学生处于主动的学习状态，学习的目的非常明确，独立思维，特别是创造性思维比较活跃，学生主动学习的积极性得到有效调动。实验内容的探索性传统的实验内容是学生在课堂上已经学习讨论过的知识和理论，通过实验的方法进一步验证，加深认识，掌握实验方法，培养实验技能。而设计性实验的实验内容一般尚未为学生所系统学习了解，需要学生通过实验去学习，去认识。实验过程的多样性设计性实验是给定实验目的要求和实验条件，由学生在教师的指导下自行设计实验方案并加以实现的实验。在实验过程中，实验目的是明确的，是唯一的，实现实验目的方法和技术线路可以由多种多样。不同学生的知识能力是不相同的，对达到同一个实验目的的认识思维是不相同的，他们往往通过不同的方法和技术线路实现实验目的。在设计性实验过程中，学生的独立思维、学生的个性得到充分尊重，从根本上改变了千人一面的传统教学模式，有利于创新人才的培养，体现了以人为本的教育思想。3 研究创新型实验研究创新型实验一般包括研究探索性实验和创新性实验两种。( 1 ) 研究探索性实验研究探索性实验是指学生自行立题、设计并加以实现的实验项目。对于本科生而言，他们参与研究探索性实验重在研究过程，通过研究、探索、思考达到思维能力、动手能力及科研能力的强化训练，在研究过程中实现创新 3 j 。并不追求他们实现历史性的突破，取得举世瞩目的成果，只要超越自我。其一般具有以下基本特征：实验内容的自主性研究创新型实验是学生长期的学习积累，对某个学科领域或某个科学问题产生兴趣，希望通过具体的实验来研究，其实验内容是学生自己或在教师指导下由学生自己自主确定。研究创新性实验内容的自主性，有利于学生自主学习、自主研究、自主创新及自身的发展，有利于优秀人才脱颖而出。实验结果的未知性综合设计型实验的结果对学生而言通常是未知的，其实验内容具有一定的探索性，但对教师而言则通常是已知的，是一种教学训练行为。而研究创新型实验是为达到某个研究目的而进行的，其实验结果不但对学生是未知的，对教师也是未知的。正是这种未知因素，极大地激发了学生研究的兴趣和探究欲望，使学生在科学研究的道路上上下求索，踏上创新征程。实验方法、手段的创新性西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! 曼皇皇曼曼曼曼曼! 曼曼寰曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇i i i i 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼量鼍曼蔓曼曼曼曼综合设计型实验其原理、一方法、手段通常是有章可循的，是针对学生知识、能力、素质培养的基本要求而设计安排的。研究创新性实验一般是针对学生创新能力和科学研究能力培养的需要而安排。研究探索性实验过程本身就是一个研究探索的过程，所采用的实验方法、实验手段要根据实验的进展和研究的需要不断地调整，不断地研究、探索。学生在研究、探索过程中培养了创新的意识和创新的能力，培养了科学研究的基本能力和基本素质。( 2 ) 创新性实验创新性实验是指利用现有条件和成果，以获得新的发现、提出新的见解、开拓新的领域、解决新的问题、创造新的事物或者对已有的成果做出创造性的运用为目的的实验【3 1 。与传统实验相比，具有以下差别：教学目的不同j 创新性实验是探索研究现实社会经济生活中存在的未知或不明确的事实，传统实验大多以验证已知的原理，结论为主。教学要求不同创新性实验要求基本操作规范，准确，能正确运用各种学科知识独自分析、解决问题，传统实验则要求能按照既定的规程操作，得到与理论知识一致的实验结果。教学过程不同创新性实验的设计与实验过程是学生自主进行的，教师在此过程中，只起引导作用，传统实验是实验过程和步骤由教师设计并经充分验证的，在实验前是已知的。教学结果不同创新性实验的结果是事先不能确定的，传统的实验结果事先是明确。创新性实验教学相对于实验结果，更注重学生在实验过程中的知识综合应用和创新思维，以及对实验结果的科学分析推理，传统实验注重实验结果。2 4 开放式创新性实验教学方法与考核方式分析开放式创新性实验教学的教学方法与考核方式都与传统的不同，教学方法不在仅仅是讲授，考核方式也不仅仅是笔试，而是根据不同情况选择不同方式的组合。该高校在实验教学方法的选择上根据分层次实验教学( 即：基本要求实验内容、提高要求实验内容、综合设计实验内容) 的不同要求，选择不同的教学方法组合。分层次实验教学是通过基本实验、综合设计实验、研究探索性实验的设置贯穿到每一门课程中，通过必修实验课程( 项目) 与选修实验课程( 项目) 的设置来实现。实验考核方式的选择上使其既考核学生知识或技术掌握情况，又考核学生的能力，更注重学生的自学能力和创新精神。通常的实验考核内容包括：预习、实验过程、实验报告，以及包括西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页平时和期末的每一个环节，形式多样，面诛笔试和实验操作等相结合。不同类型的实验，其考核方法应有不同。基础技能实验，主要考核学生的基本操作和基本技能的规范性，注重平时的实验基本操作。综合设计实验着重培养学生的实验思维能力和分析问题的能力，对学生的创新意识培养和科学精神培养具有重要作用。实验教学考核采用全程考核的思想，从实验预习、实验过程的基本操作和解决问题能力、实验报告和期末考核四个方面考核学生的实验。研究探索性实验主要考核学生全方位的能力，如查阅文献、设计方案、小论文撰写、研讨会报告水平等。该校物理实验中心所应用的教学方法与考核方式如表2 4 所示。表2 4 该校物理实验中心实验教学所应用的教学方法与考核方式层次实验类型教学方式考核方式l基础型实验j ，讲授+ 辅导实验操作+ 笔试2综合设计型实验启发+ 指导实验操作+ 综合报告完成论文、作品( 包括：自制改进3个性化实验项目自主实验+ 引导设备、装置，软件研制开发等) ，进行专题报告重点实验室开放完成毕业论文或发表论文、完成4合作+ 引导项目软、硬件的研制西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页第3 章开放式创新性实验教学平台分析3 1 开放式创新性实验教学过程分析教学实验项目是高等学校实施开放式创新性实验教学的主要知识载体。不同类型的实验项目对实验内容、实验方法、实验技术、实验评价、实验时间、实验空间、实验资源和实验管理等方面具有不同的要求。对于基础性、综合性实验，学生可以自由选择实验室已有的基础性、综合性实验项目，可以通过自选实验时间来完成实验，实验训练的全过程贯穿课内外，实验过程中需利用实验室的相关软硬件资源。因此，它们要求实验室对实验时间、实验空间、实验资源和实验管理等方面开放；对于设计性实验，实验结果具有明确性，学生需自行设计实验方案来完成实验，鼓励学生对实验方法和技术的改良和革新，允许学生尝试独创的实验方法和技术，使学生的思维不再局限于某种固定模式上，拓展学生自主学习和创新实践的思维空间。因此，设计性实验项目不仅要求实验室对实验时间、实验空间、实验资源和实验管理等方面的开放，还要求对实验方法与实验技术方面的开放；对于研究探索性实验，一般来源于教师在研的科研课题或社会生活中有待研究的问题。学生需要自行查阅文献、自行设计实验方案来完成实验。对学生来说，在未完成实验研究时，实验结果具有未知性。研究探索性实验的选题对学生来说不具有开放性，但在实验训练的其他环节如实验方法、实验技术、实验评价、实验时间、空间、资源和实验管理等方面要求实验室进行开放。对于创新性实验，由学生根据自己的研究兴趣提出，实验内容注重面向社会生活、生产实践和科学前沿，学生通过自行设计实验方案来完成实验。对学生来说，在未完成实验研究时，实验结果具有未知性。因此，创新性实验要求实验室在实验教学内容、实验方法、实验技术、实验评价、实验时间、实验空间、实验资源和实验管理等方面开放。根据上述分析，学生进行实验课程学习的过程如图3 1 所示，首先要选实验课程及实验项目( 实验项目依附于实验课程，要选实验项目，必须先选实验课程) ，其次，预习实验项目内容( 有些需要查阅文献) ，如果实验项目要求自己设计实验方案，那么必须自己设计实验方案，然后，预约实验室及实验时间进行实验，如果经过这次的实验，实验项目结束，那么提交实验结果( 包括实验报告，实验小论文等) ，如果实验项目未完，继续预约实验室及实验时间进行实验，直至实验项目完成，提交实验结果。最后，如果实验课程学习结束，那么结束课程学习；如果课程学习未结束，那么进入下一个实验项目学习过程。教师进行实验课程辅导的流程如图3 2 所示，首先教师查看要辅导西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页图3 1 学生完成实验课程学习过程图3 2 教师完成实验课程辅导过程西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页的实验课程及实验项目，提供实验项目学习资源、意见等( 有些还需要课堂讲授) ；其一次，如果实验项目要求学生自己设计实验方案，那么评定学生的实验方案；然后，在实验室对学生进行实验辅导。如果经过此次实验，学生完成了实验项目的学习，并且提交了实验结果，那么评定实验结果。如果此次实验以后，学生仍未完成实验项目的学习，那么继续辅导学生实验。最后，根据课程学习是否结束，确定是进入下一个实验项目的辅导还是结束课程辅导。3 2 开放式创新性实验教学平台的功能需求分析不：根据上节对开放式创新性实验教学过程的分析，该平台应该具有的功能如图3 3 所图3 3 开放式创新性实验教学平台功能结构图( 1 ) 实验课程管理实验课程管理主要是管理所有的实验课程和实验项目信息。能够添加、删除、修改和查询实验课程和实验项目信息，能够维护实验课程与实验项目的关联信息等。( 2 ) 实验选课管理实验选课管理主要是对学生选实验课程和实验项目进行管理。能够选实验课程和实验项目，能够查询已选的实验课程及实验项目，能够查询学生的选课情况，能够查询教师辅导课程的信息等。西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页( 3 ) 实验方案管理功能实验方案管理主要是对学生设计的实验方案进行管理。学生能够提交实验方案，查看实验方案，实验教师能够查看实验方案，评定实验方案。( 4 ) 实验预约管理功能实验预约管理主要是对学生和实验教师的实验预约进行管理。学生和教师能够预约实验时间和实验地点，能够修改和查询已预约的实验时间和地点，实验室主任能够查询实验室的预约情况等。( 5 ) 实验结果管理实验结果管理主要是对学生完成实验项目以后提交的作品、实验报告、小论文等进行管理。学生能够提交实验结果，教师能够查看和评定实验结果等。( 6 ) 实验成绩管理功能实验成绩管理主要是对学生的实验成绩进行管理。学生可以查看自己的实验成绩，实验教师可以评定和修改学生的实验成绩，院系教务处教师和校级教务处教师可以查看学生成绩的统计信息。( 7 ) 课前基础测评课前基础测评主要是在学生选课前对学生的知识基础进行测评，从而确定学生是否具有选修该门课程的知识基础。教师也可以据此确定学生的知识基础，从而确定课程教学的起点。( 8 ) 实验项目预习测评实验项目预习测评主要是对学生的实验预习情况进行测评，从而确定学生是否具备了进行实验的知识基础。( 9 ) 实验项目数据结果测评实验项目数据结果测评主要是对学生的实验数据进行测评，从而确定学生是否正确的、科学的采集了实验数据等。课后基础测评课后基础测评主要是对学生完成实验课程以后的知识能力进行测评，从而确定学生经过课程学习以后的知识水平是否达到了教学目标。西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页0 d 学生评教学生评教主要是学生对教师在实验教学过程中的表现进行评价。教师可以根据这些信息改进自己的教学。师生互动师生互动主要给予了学生和实验教师进行互动的一个平台。学生可以发布自己对实验教学的意见，可以提出自己实验学习过程中的疑惑等，教师可以发布学生疑惑的解决办法，可以对学生进行鼓励等。新闻通告新闻通告主要发布与实验课程或实验室的相关信息。，3 3 开放式创新性实验教学平台用户分析开放式创新性实验教学平台的用户主要分为两类：学生和教师。( 1 ) 学生学生是平台的主要用户。学生通过平台可以选修实验课程及实验项目，提交实验方案，测评实验项目预习情况，预约实验时间和实验地点，提交实验结果，查看实验成绩，进行评教，测评实验项目数据结果，与教师进行互动等。( 2 ) 教师教师是平台的另一个主要用户，可以分为实验教师，实验室主任，院系教务处教师，校级教务处教师四种。实验教师主要通过平台向学生提供学习资源，学习意见等，评定学生设计的实验方案，提供实验时间和实验地点供学生预约，评定学生的实验结果，评定学生的实验成绩，查看学生的评教信息改进教学，与学生进行互动，解决学生的困惑等；实验室主任主要通过平台查询实验室所开课程的选课情况、进展情况和实验室预约情况等；院系教务处教师主要通过平台查询院系所开课程的选课情况、教学进度和实验成绩统计情况等；校级教务处人员主要通过平台维护实验课程和实验项目信息，查看全校实验课程的选课情况，教学进度和实验成绩统计情况等。3 4 开发工具和运行环境1 架构技术( 1 ) s t r u t ss t r u t s 是一个基于j 2 e e 的m v c 框架。它把s e r v l c t 、j s p 、自定义标签和信息资源整西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页合到一个统一的框架中，使得开发人员使用其开发时不在需要自己编写实现m v c 模型。该框架现在已经足够成熟，用户群也比较广泛，本平台采用该框架作为m v c 模型的控制器。( 2 ) s p r i n gs p f i n g 是- - 个轻量级框架。它提供了i o c 的容器和a o p 的实现，可以用它来开发非管理环境下申明方式的事务、安全等服务；对b e a n i 程的扩展a p p l i c a t i o n c o n t e x t 便于j 2 e e 应用的实现；d a p o r m 的实现便于数据库的开发；w e bm v c 和s p r i n gw e b 便于j a v aw e b 应用开发以及与其它流行框架的集成。该框架是目前非常流行的开源框架，本平台采用其构造所需的模型。( 3 ) h i b e r n a t eh i b e r n a t e 是一个开源的对象关系映射框架。它对j d b c 进行了对象封装，使得开发人员能够利用面向对象的思想操作数据库。它可以在客户端程序中使用，也可以在w e b应用中使用。本平台采用其处理数据持久层。2 开发工具( 1 ) w 曲服务器t o m c a t 是个免费的开源w | e b 服务器，它占用系统资源小，扩展性好，支持负载平衡等常用的功能，在中小型系统和并发访问不多的场合下使用广泛。根据上面对开放式创新性实验教学平台功能模块的分析，可知该平台的应用规模并不是大。因此，本平台采用t o m c a t 作为w e b 服务器。( 2 ) 集成开发工具本平台采用e c l i p s e 与m y e c l i p s e 的搭配作为开放工具。该搭配包括了编码、调试、测试和发布等功能，完整支持s t r u t s 、s p r i n g h i b e r n a t e 。利用其可以提高在数据库和j 2 e e 开放等方面的工作效率。( 3 ) 数据库的选择目前常用的数据库主要有：s q ls e r v e r 、m y s q l 和o r a c l e 。s q ls e r v e r 是微软公司开发的大型关系数据库系统，功能全面，适合大中型网站作为数据库平台，但只能在w i n d o w s 系统下运行；m y s q l 是一种开源数据库，体积小，速度快，成本低，适合中小型网站作为数据库平台；o r a c l e 支持广泛的操作系统平台，数据库市场占有份额高，具有兼容性强、可移植性高、高生产率、可联结性、开放性等优良特性，适合大西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页型网站作为数据库平台。根据上面的分析，可知该平台对数据库的压力比较小，因此选用m y s q l 作为平台的数据库开发软件。西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页第4 章开发式创新性实验教学平台的设计与实现4 1 总体设计4 1 1 功能模块设计本平台是以该高校正在实施的以实验中心课程体系建设为核心的多层次的实验教学体系构建的实验教学平台。由实验选课子系统、学生评教子系统和学生能力测评子系统三个子系统构成。其功能结构设计如图4 1 所示：开放式创新性实验教学平台实验选课子系统学生评教子系统实验li 实验ii 实验i i 实验ll 实验| i 实验ll 学生ii 评教课程选课il 方案l l 预约i l 结果ll 成绩ll 评教li 指标管理ji 管理ii 管理j i 管理li 管理j | 管理jj 管理lj 管理模块il 模块ll 模块li 模块l | 模块li 模块ll 模块ll 模块学生能力测评子系统蓁耋il蓁蓁ij蓁蓁ll蓁蓁图4 1 开放式创新性实验教学平台功能结构示意图( 1 ) 实验选课子系统实验选课子系统是为实验课程和实验项目的开放提供技术支持的信息化管理子系统。该子系统要满足实验教学项目对实验时间、实验地点、实验内容、实验评价、实验技术和实验方法等的开放需求，主要通过实验课程管理模块和实验选课管理模块实现实验内容的开放，实验方案管理模块实现实验技术和实验方法的开放，实验预约管理模块实现实验时间和实验地点的开放，实验结果管理模块和实验成绩管理模块实现实验评价的开放。( 2 ) 学生评教子系统学生评教子系统主要对实验教师在教学过程中的表现以及教学效果做评定。该子系统必须通过仔细分析实验教师的教学过程( 或者辅导过程) 以及课程的教学目标制定出评教指标体系，通过形成性评价数据帮助实验教师改进教学，通过总结性评价给实验教师的课程教学一个总体的评价。西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼舅曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼iii 曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼舅曼! 皇曼! 曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼量曼曼鼍( 3 ) 学生能力测评子系统学生能力测评子系统主要实现对学生在课程学习过程中各阶段知识水平的测评。4 1 2 总体业务流程设计开放式创新性实验教学平台的主要用户是学生和实验教师。学生登录平台以后，完成一个实验项目的业务过程如图4 2 所示：第一步，在实验选课管理模块中选修实验项目( 必选实验项目不需要经过这一步，可以直接进入下一步) 。第二步，在实验方案管理模块中提交实验方案( 基础型实验和综合性实验不需要提交设计方