高校实验教学管理平台建设研究与实践
常笛 刘茁 徐婷婷 邸东华 刘婕 杨丽 乔明曦
摘? 要 实验教学作为高校教育实践的重要环节，在学生能力培养中发挥着举足轻重的作用。针对实验教学管理面临的新问题和新挑战，沈阳药科大学药剂实验中心对原人脸签到、智能门禁、课程提示等单一管理系统进行整合升级，构建实验教学管理平台，有效提高实验教学质量和实验教学管理水平。通过对实验教学管理平台各个系统的详细解读，旨在为其他学科的实验室管理提供参考与借鉴。
关键词 高校实验室;实验教学管理平台;人脸识别;智能门禁
中图分类号：G642.423? ? 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）12-0023-04
Abstract As an important part of college education practice， experi-mental teaching plays a pivotal role in the development of students ability. In view of the new problems and challenges of experimental teaching management， the Pharmaceutics experimental teaching center of our university integrated and upgraded the original single management system， including the original face registration， intelli-gent access control， and course reminder. The construction of experi-mental teaching management platform could improve the quality of experimental teaching and the management level of experimental teaching. This paper provided a detailed interpretation of the experi-mental teaching management systems， and provided some sugges-tions for the sustainable development.
Key words university laboratory; experimental teaching manage-ment platform; face recognition; intelligent access control
1 前言
高校实验室是进行教学、科研的重要基地，高水平的实验室是一流大学所必备的基本条件之一[1-2]。高校实验教学的根本目的在于让学生通过实验将所掌握的理论知识加以强化和实践，这样才能真正地学以致用，有助于学生开动脑筋，提高动手能力和创新能力。要想达到这个目标，就必须对当前的实验教学内容和方法进行改革，同时利用信息化技术来对高校实验室进行全面管理，从而建立起新型、智能、科學的实验室教学及管理模式[3]。
2 实验教学管理现状与问题
由于近年来办学规模不断扩大，实验教学的信息化建设和管理也面临许多问题和挑战，例如：不同时期逐步建立起来的管理系统相对独立，无法互联互通、信息共享[4-5];
有的学生不重视实验教学，不积极参与，不动手操作，甚至找人替实验;有的学生忽视实验课的值日环节，蜻蜓点水般一带而过或让同学代值;指导教师上课点名过程占用实验课时和精力，也无法短时间内辨认所有学生;等等。因此，建设一个系统的、高效的实验教学管理平台，对于实验教学来说具有重要的现实意义。
通过实验教学管理平台的应用，打破传统封闭的实验教学管理单元，全面培养学生学习的自律性，促进学生知识、能力、思维和素质的全面协调发展;通过实验教学管理平台的应用，实现对学生信息、课程信息、签到签退信息、课堂互动信息的电子化管理，建立方便、快捷的查询和汇总方式，能够有效减少教师的工作量，提高管理效率。
3 构建信息化实验教学管理平台
沈阳药科大学药剂实验教学中心有标准实验室、仪器室、准备室等20多间，授课教师40多人，共开设了普通药剂学实验、生物药剂学及药物动力学实验、高等药物动力学实验等六门实验课程，承担全校十余个专业的本科实验教学及药物制剂专业的研究生实验教学。从2015年开始，中心陆续建设了考勤终端、视频监控系统、电磁门禁系统等，为了使这些管理系统能发挥出更大的作用，将原有的各个系统进行了整合和升级，为实验教学管理平台建设做了进一步的探索和实践。
实验教学管理平台的框架结构? 实验教学管理平台（以下简称平台）在框架结构的设计上兼顾开放性、安全性、和兼容性[6]：具有良好的开放性，便于今后功能的扩展和延伸;良好的兼容性，使系统可以稳定运行;平台的主数据库中存储有学生姓名、面纹等大量个人信息，所以采用局域网的架构，个人信息的安全性得到有效保障。
实验教学管理平台由六个系统模块构成，包括课程提示系统、人脸考勤系统、智能门禁系统、视频监控系统、管理控制系统和教师管理系统，其结构框架见图1。其中管理控制系统负责建立基础信息库，可以远程调取监控系统，实时了解实验课进度和实验秩序;教师管理系统可实时查看签到情况;签到系统整合智能门禁系统，实现刷脸自动开门功能。各系统信息均上传至主数据库，实现内部信息的交换和共享，拓宽了原来单一系统的管理范围和功能，提升了管理效率，为实验教学提供了智能化和科学化的综合管理。
实验教学管理平台控制流程? 任何一个综合管理平台，要使其各个系统模块协调、稳定地运行，设计一个细致缜密的控制流程是必不可少的[7]。这样一方面可以避免后期添
添补补，频繁修改程序结构;另一方面可以缩短开发周期，便于后期的运行维护。实验教学管理平台控制流程见图2。
1）管理控制系统。实验中心的管控教师负责管理控制系统的操作及平台的日常维护。该系统的功能包括标准课程表导入、学生信息导入、权限指定、调班、调课等。这些基础信息的建立需在新学期开始前完成，保证平台开学后按时启动运行。
①导入标准课程表。标准课程表是平台的指挥棒，是各个系统运行的时间中枢。教务处下发的课程表中只有学科、班级、上课时间和学时等几个参数，需转换成标准课程表，其中包括班级、上课时间、实验题目、实验学时、房间号、实验指导教师等信息，并将相关信息进行匹配。管控教师将标准课程表导入并上传至主数据库中，供其他几个系统调取使用。
②导入学生信息。在首次上课前导入学生的班级、学号、姓名，然后对应采集学生的人脸（面纹）信息，并上传主数据库，供人脸考勤系统和教师管理系统调取使用。
③特殊权限设定。班长、课代表是班级群体的管理人员，对班长、课代表等特殊人群给予刷脸开启门禁的权限，方便学生及时进入实验室、上交实验报告册等。该权限只在标准课程表指定的时间段内有效，以避免非开放时间段意外情况的发生。
④换班、调课操作。该操作针对学生个人或班级而设置。学生时常会因事假或病假不能按时上实验课，在跟随其他班级补实验时，需要将该名学生的信息推送到补实验的班级，实现对该生的签到考勤。同样，当因特殊情况需要整班调换实验课时间时，通过调课功能实现对该班学生进行考勤。
2）视频监控系统。视频监控系统通常由前端的监控摄像设备、传输线路、存储设备、多屏显示设备等组成。目前，视频监控系统主要分模拟、模拟转数字、数字等几大类，随着5G时代的到来，数字信号相比模拟信号在图像压缩、传输、存储、远程调用等方面具有更大的优势[8]。
平台的视频监控系统使用了数字化摄像和存储设备，其中NVR硬盘存储安全可靠[9]，可满足多画面、多用户要求;以POE方式为前端数字摄像设备提供了稳定的直流电源，减少电源布线施工，也节省了成本。在视频监控系统原有的分屏监看功能外，开放了视频的远程调取端口，满足其他系统调取视频的需要，方便教师实时查看实验秩序，了解实验进度。
3）课程提示系统。药剂学科所在的实验教学楼有60多个标准实验室，当不同学科多个班级同时上实验课时，学生会出现过于集中、滞留的状况，存在一定的安全隐患。为解决这个问题，课程提示系统在一楼大厅LED屏和楼层广告机上推送当天课程的提示信息，将人群迅速分流到各楼层指定的实验室，避免人员堆积，起到一定的安全疏散作用。
课程提示系统从主数据库读取标准课程表信息，生成每天的上课列表，在课前一小时推送到各显示屏，引导分流学生。当管理控制系统发生班级调课时，课程提示系统会自动调取变更后的课表信息，实时生成新的提示内容。
4）人脸考勤系统。现在常见的考勤方式有刷卡、指纹、人脸识别等，但前两种方式常常存在代刷、使用指模或互采指纹来相互代签等弊端。人脸识别是目前个人身份确认的重要方式，由于其非接触式、方便快捷、识别速度快、正确率高等特点，且可有效防止照片、人脸模型的攻击，被广泛应用于交通、金融等需要身份识别的场所[10]。人脸识别方式有效地规避了代刷、代签，管理成本低，也被广泛应用于机关、企事业单位的人事考勤[11]。基于这些优点，平台也采用了人脸识别方式的考勤终端。
人脸考勤系统由核心处理程序和人脸考勤终端组成。核心处理程序依照主数据库中的标准课程表，调取当天上课班级的学生名单和人脸信息，在课前下发到对应实验室的人脸考勤终端。待学生刷脸签到时，现场信息与终端内人脸信息进行比对识别。核心处理程序将考勤终端生成的识别通过记录实时回收并上传主数据库，用于教师查阅和汇总。
当课代表、班长等具有特殊权限的学生刷脸签到时，考勤终端向智能门禁系统发出开锁电控信号解除门禁，完成刷脸开门。实验结束后，本次开门权限随之取消。
5）智能门禁系统。智能门禁是实验室的安全保障[12]，在保护财产安全的同时，要符合消防逃生要求。门禁中经常使用的是电磁锁，其特点是安装简单、适用广、造价低，但其最大的缺点是受制于外部供电，一旦发生停电，电磁锁就会因失去磁性而被动解锁。智能门锁比电磁锁有明显的优点：采用内装方式设计，安全性更高;使用电池供电，不受电网供电影响;预留外接充电宝插孔，在电池电量不足时应急使用;在任何情况下，屋内人员都可以直接开门离开，有利于人员在紧急状态下安全疏散。
平台智能门禁系统由控制系统和智能门锁构成，采取卡控和电控两种开锁模式。卡控模式使用的门卡为M1加密卡，其特点是防复制、安全性高。可以对空白门卡加密和授予不同的权限，也可以对相同加密格式的教工及学生校园一卡通进行加密授权[13]。电控模式是指人脸考勤终端识别出签到人具有开锁权限后，向智能门锁发送一个电控信号实现开锁。智能门锁开启记录被实时上传到主数据库保存备查。
6）教师管理系统。教师管理系统包括多媒体教学、学生签到管理、课堂互动信息录入和信息汇总及报表输出四部分功能。教师管理系统启动后，从主数据库调取当前上课班级的学生名单、签到情况等相关信息。教师管理系统出勤及点评截图见图3。
①多媒体教学。多媒体是实验教学不可缺少的，实验指导教师通过PPT讲解实验目的、实验方法、注意事项等，通过播放实验教学录像，让学生更直观地了解实验內容、操作难点和仪器设备的使用方法。
②学生签到管理。进入签到页面即可显示查看当前学生签到出勤的情况。学生在人脸考勤终端签到成功后，会将签到页面的个人彩色头像点亮（个人头像显示灰色则表示未签到）。实验指导教师不用占用当前课时点名，节省了实验时间和精力。在实验间隙，教师可以指定一个范围的学生再次刷脸签到，这种临时点名功能可以及时发现学生是否中途早退，还不会影响实验的进程。
③成绩录入、值日生指派和课堂小结。指导教师在实验过程中与学生互动，一方面指导学生正确操作、解答学生的疑问，另一方面深入了解学生的动手能力、实验参与积极性，并随时记录学生的实验情况，对操作能力进行评分，作为实验成绩的一部分。
值日是实验课的最后一个环节，除了打扫实验室卫生，为下一个实验班级创造整洁舒适的实验环境，更重要的是进行课后的安全检查，排除水、电、气及门窗的安全隐患。实验室安全对高校来说是重中之重[14]，是人们从多少次事故中得来的经验和教训，所以培养学生的责任心和安全意识是实验教学的一个重要部分。指导教师对值日生的能力和表现进行打分，计入实验总成绩，以此来督促值日生认真做好值日工作，使其养成良好的科研作风。
通过课堂小结可使宝贵的实验教学经验得到积累，也可使实验中产生的问题得到有效反馈。尤其对于青年教师来说，这些经验可以让以后的实验教学避免相同错误的出现，完善实验教学的准备工作和提高整体实验教学的质量。实验指导教师在实验结束时对实验情况进行小结，记录实验过程中哪些环节学生动手能力有待加强、有无知识点的缺失，试剂消耗有无异常，实验结果是否正常，仪器、玻璃器皿是否缺失破损，设备是否运转正常，等等。
④报表输出。实验指导教师随堂录入的操作成绩、值日成绩，上传到主数据库中保存，通过教师管理系统可随时调取相关数据进行分类汇总、统计实验成绩，并导出相应的考勤表和实验成绩单等。
4 实验教学管理平臺的运行
实验教学管理平台经历两个学期的运行，各系统间交互性、兼容性良好，程序、设备状态正常，同时在管理上也收到很好的效果，杜绝了同学帮忙签到、不及时请假、无故旷课等一系列妨碍教学的情况，实验教学秩序的改善也使教学效果得到保证。制度与措施的落实，教师的实时点评，充分调动了学生对实验课的积极性，实验参与度得到提升。与此同时，通过实验教学管理平台的应用，管理的方法和手段更加科学化、人性化，类似点名的繁杂事情由平台去做，教师把更多的时间和精力放在实验教学上，提高教学质量。实践证明，实验教学管理平台实现了各系统相互支撑和数据共享，各个系统的使用率以及管理效率得到了提高。
人脸信息的采集工作量比较大，但采集后长期有效，可用于全校各学科理论课和实验课的签到，也可用于其他管理部门的身份确认工作。所以，学生入学时如果能完成这项采集工作，在保证网络安全的环境下进行共享，将有利于平台的推广应用，进而提高全校本科实验教学的整体水平。
5 结语
实验教学管理平台的建立，为改善教学秩序、提高实验教学质量提供了支持和保障。构建这样一个实验教学管理平台，不仅仅为了药剂学科的实验教学而设计，在相同教学体系下，在大数据背景下的今天，通过其良好的示范效应和辐射效应，这一平台可以为任何学科的实验教学所使用，必将促进药学院校的信息化建设，培养学生的自律性，增强学生的学习意识，形成良好的学风和校风，用高质量的实验教学培养出优秀的新时代大学生。
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