基础物理实验网络教学及管理系统的开发研究

2023-01-02

1 基础物理实验教学与管理中存在的问题

1.1 长期以来存在的问题

教材与实际不匹配的问题;

实验课时数不足及排课难的问题;

实验室空间紧张的问题;

学生无法到实验室预习以至影响实验课堂教学质量的问题;

为了能保证教学质量, 教师工作量大, 教学难的问题。

1.2 目前的现状

由于连续多年的扩招, 给实验教学带来了很大的压力和冲击, 这就迫使实验教学必须做出重大的改革举措。因此, 近几年来各高校也都相继出台了各种不同形式的改革方法。随着实验教学这种改革力度的加大, 大学物理实验课的地位已被确认为是面向全校各学科专业学生开放的一门独立的公共基础课。因此, 实验教学将面临的是自然班级数的大量增多;新的教学计划及学科的调整, 各学科专业对实验课教学内容要求的不同;使得以上问题更为突出, 已达到了一种激化状态, 影响了实验教学的质量。

由于实验中心的成立, 使得设备的高度共享, 仪器使用频率的猛增, 在资金有现的情况下, 如何使硬件资源得到合理的使用及减少仪器的维护, 也是一个比较突出的问题。

由于以上原因, 也给实验教学管理及实验室的日常管理带来了很大的困难, 传统的管理方法以不适应现行高校的发展。

目前实验室的这种现状也将影响实验教学方法的改革。而使得在实验教学方面产生一种恶性循环, 最终将导致实验教学质量的下降。

1.3 基础物理实验教学的发展问题

公共化:随着知识结构的不断更新, 实际上基础物理实验课已成为面向全校开放的一门课程。它已不再是理科学生要掌握的一门课程, 同时也是人文学科的学生要掌握, 其目的是使人文学科的学生通过学习, 能够把对研究自然学科的一些科学方法及思想动用到对人文学科的研究上。

开放化:从实验课学科特点及教学目的, 实验室最终是要向完全开放的方向发展。

社会化:从资源的高度共享, 我们可以充分利用基础物理实验室的设备, 向社会开放以支持社会力量办学。

科研化:不仅为在校生提供一个研究场所;也可以为中学教师提供一个教学研究场所。

科普、人文化:由于现代人们生活方式的改变, 特别是长假期的到来, 我们可以从科学实验这个角度来举办一些带有科普知识的活动。如:假期家庭实验室;中学生实验夏令营等。使科学教育社会化也是我们教育工作者的职责。

以上因素已开始影响传统的实验教学正常及管理方法, 制约了学生实践能力和综合能力的培养。笔者认为, 只有打破原有的实验教学模式及教学管理模式, 把现代教育技术的思想和手段引入到实验教学和管理中, 才能充分发挥实验教学的优势。由于计算机技术的发展, 现代教育技术在教学领域里的应用很广。在实验教学方面的开发应用大致可分为三大类:一是利用计算机多媒体技术 (多为应用软件) 搞教学课件的开发, 制作电子教案、虚拟实验、模拟实验过程等;二是利用计算机编程技术与电子技术相结合, 实现实验控制与测量及实验数据的采集和数据处理;三是利用计算机网络技术和数据库管理技术对实验教学过程的管理和实验室常规管理。实验网络化教学及管理系统的开发就是一个非常有益的尝试。

2 实验网络化教学及管理系统的组成和功能

2.1 计算机网络在教学中的应用, 对实验教学会产生深刻的影响。主要表现在:

(1) 教学和学习方法上的变化:由封闭单一的课堂教学转变为多元化的教学;学生由被动地接受知识转变为主动地探索研究、解决问题自主学习的方法。

(2) 教学内容的变化:由单一的、老化的书本知识转变为符合学科发展要求的多媒体信息、网络信息及多元化的学习资源。

(3) 教学理念上的变化:由以教师为中心、学习知识为主要目的教学转变为以学习者为中心、以提高学习者的综合素质及实践能力为主的教学理念。

(4) 教学管理上的变化:由低效、重复的手工管理转变为高效、快捷的网络化管理。

2.2 一个好的网络教学管理系统应该具备的特征是

(1) 交互性

在学习期间, 学生可以通过网络系统与实验中心交换信息, 通过网络系统还可以对学生的学习过程进行监控, 学生也可以通过网络系统的反馈信息了解自己的学习结果, 调整自己的学习计划。

(2) 个性化

不同层次的学生可以通过网络系统获取所需的学习资源, 制定最适合自身条件的学习计划及个性化的学习方法。

(3) 可控性

通过网络系统可提供支持在教学和学习过程中, 教师、学生的决策功能。例如, 对实验教学内容、开放时间、实验室空间安排等的可控性;学生对实验内容学习的可选择性;课程进度的可控性等。

总之实验教学和管理的网络化宗旨是在打破原有的统一排课、整班上课的教学模式;依附于校园局网, 使实验室和教学内容与学生的专业动态联系, 学生的学习时间、课题的选择可以是自主和开放的。在这个基础上我们开发出《实验网络教学及管理系统》。

2.3 实验教学及管理网络系统主要由两个子系统组成:实验教学子系统和教学管理子系统

(1) 实验教学子系统及功能

实验教学子系统分为四个模块, 其中:

教学计划及要求模块:主要是以静态网页的形式列出所有的实验教学课程的教学大纲、教学计划、实验课的要求、考核方法等常规的教学信息。不同学科不同专业学生及任课教师可在互联网的任意一个终端上浏览。以了解某门实验课的教学目的及学习要求, 及时制订出相应的教学计划和学习计划。

实验室功能表模块:以静态网页的形式主要介绍了各实验室所能开出的实验项目名称、类型、仪器设备名称、台套数、实验室一次所容纳的人数、实验室管理员、实验教学负责人及任课教师等信息。其主要目的是让学生对实验室有一个整体的了解, 便于学生选择性的学习, 同时便于实验教学管理。

实验项目库模块:是以静态数据库的形式, 为学生提供了有关每一个实验项目的名称、教学要求、仪器设备介绍、实验内容、学习重点难点、预习提示等相关的信息。

网上预习系统模块:主要是利用多媒体技术, 是按照课程把每一个实验项目的所有资料都分为实验项目基本信息、电子讲义、电子教案、参考资料四个子模块。其中:实验项目基本信息来自于实验项目库;电子教案是来自于一个电子活页教材库, 它是根据每一个实验室实际所能开出的实验项目及教学要求而编写的一个电子活页教材库, 可供学生直接下载, 以解决实验教材与实际实验内容不相符的问题;电子教案主要是以多媒体的形式, 可供学生对实验的全过程进行预习, 以提高实验课堂教学及学习的效率和质量, 以解决实验课时数不足的问题;参考子模块主要是以实验的背景资料、数据处理参考方法、与实验项目相关的一些应用技术及相关的其它实验方法的介绍等信息为主, 其目的是拓展学生的知识面, 加强实验教学目的的实用性。

(2) 教学管理子系统及功能

实验教学子系统分为三个模块, 其中:

实验室常规管理模块:主要是以静态的形式列出了国家、学校、学院、中心对实验教学及管理的各种相关文件、实验室的各项规章制度、实验室管理人员及任课教师信息、实验中心简单、实验室的历史性事件记录资料等电子化的信息, 以便于实验室的管理。

设备管理模块:利用数据库技术对实验室的所有设备帐目进行管理, 通过对数据库的受权访问操作, 可随时了解实验室的仪器帐目的现状 (如完好率、更新率、利用率及待报损仪器设备的情况) 。另外, 可以利用超链接技术与学校设备处的数据库连接, 及时交换信息, 以便各实验室管理并可及时为学校在实验室建设决策上提供信息。

教学教务管理模块:主要是通过一个动态的网上选课管理系统来完成的。该系统与学校教务管理系统相连接, 通过不同受权的三个端口操作, 可完成以下功能。即学生端如图1所示、教师端如图2所示、管理员端如图3所示。

网上选课管理系统的开发运行, 主要解决了以下问题:

(1) 面向全校学生开放实验室后排课难的问题。

(2) 开放的实验教学:网上选课教学管理模式的实施, 真正实现了实验室在教学内容、时间、空间上的全面开放。

(3) 资源的高度共享:提高了单位时间内 (同时开放实验室的数量) 实验室的使用效率, 同时也提高了单位时间内接纳学生人数的效率。

(4) 方便、灵活、高效的教务管理:由于整个教学管理过程都是计算机系统自动完成, 因此大大的减小了教务人员的工作量。如:课程结束后的学生成绩的直接统计上传;实验室的利用率的统计、教师工作量的统计、实验项目的统计等各项教学及实验管理数据的统计都由系统自动完成, 并且可以做到公正无误, 也提高了实验室日常管理的工作效率。同时, 利用选课系统也可对教学执行过程中的各种变动情况进行灵活处理。

(5) 以学生为主教学模式

学生可根据自身专业特点制定学习计划, 在规定的时间内自主安排时间选择实验项目进行学习, 实现了以学生为主、教师为辅的教学方法。由于网上选课系统对实验教学安排要求的特点, 每一位学生在完成学习任务的过程中, 与多名教师接触, 这样学生可以接受到来自不同教学理念、不同的教学思想、方法的熏陶;并且多名教师为一位同学打分, 也实现了对学生评价的公开、公平和公正性。

3 实验网络化教学及管理系统的优势及可行性论证

3.1 软件内容的可行性及高效性

由于软件中的所有资料及相关实验教学内容全部是由长期在教学第一线从事实验教学的教师根据我校实际情况及各专业对实验教学要求而研究开发的。因此, 它具有高效性和实用性。

(1) 学生不受时间、空间的限制, 可以根据各专业特点及教学要求, 在网上在线报名, 选定实验课题;可以直接从网上获取相关教学信息, 通过观看虚拟实验, 掌握实验的重点、要求、仪器、步骤及操作等问题;大大提高了实验课教学的质量和效率, 同时也解决了实验课时数不足的问题, 教材老化的问题和学生实验预习不足的问题。

(2) 由于电子教案易于修改、灵活, 很适应教学计划、教学内容、教学设备的调整和更新。

(3) 电子教案制作是一次性投入, 可多次重复使用, 可以提高经济效益。不象教科书, 如果内容有变动, 必须改版重出, 并且费用也很大。