基于互聯(lián)網(wǎng)+的“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”架構(gòu)研究

周春樵　　朱思征

基于互聯(lián)網(wǎng)+的“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”架構(gòu)研究

周春樵朱思征

科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步帶動(dòng)了世界范圍教育信息化建設(shè)進(jìn)入全新的發(fā)展階段?；诨ヂ?lián)網(wǎng)+的“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”是在全國大力倡導(dǎo)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代下，并在深刻學(xué)習(xí)了我國計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)機(jī)制改革創(chuàng)新、分享全新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的創(chuàng)新理念。以創(chuàng)新應(yīng)用為導(dǎo)向，以創(chuàng)新能力為核心，以現(xiàn)代化教學(xué)教育系統(tǒng)的創(chuàng)新變革為目標(biāo)，在傳統(tǒng)校園基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)數(shù)字化互聯(lián)網(wǎng)空間，以拓展現(xiàn)實(shí)校園的時(shí)間和空間維度，提升傳統(tǒng)大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行效率，擴(kuò)展傳統(tǒng)大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)功能，最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教育過程的全面信息化，從而達(dá)到提高管理水平和效率的目的；把學(xué)校學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成面向校園內(nèi)、也面向社會(huì)的一個(gè)超越時(shí)間、超越空間的“智慧實(shí)驗(yàn)室”。

信息化建設(shè)；互聯(lián)網(wǎng)+；智慧實(shí)驗(yàn)室

隨著現(xiàn)代化教育教學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與硬件設(shè)備的深入推廣，現(xiàn)有大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式的弊端也逐步顯現(xiàn)，如何建立實(shí)驗(yàn)室形式與信息化時(shí)代要求之間的橋梁，互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)起到重要的承接作用。我國將信息化現(xiàn)代教育作為國家發(fā)展建設(shè)的戰(zhàn)略核心，以網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新教育為依托，全方位實(shí)現(xiàn)大學(xué)校園信息化，構(gòu)建“智慧型”數(shù)字教學(xué)環(huán)境。

“智慧實(shí)驗(yàn)室”建立在傳統(tǒng)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，融入互聯(lián)網(wǎng)+的創(chuàng)新建設(shè)理念，通過網(wǎng)絡(luò)（基于WIFI的無線局域網(wǎng)、移動(dòng)通信等）接入方式，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、服務(wù)與人的泛在鏈接。實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的智慧化識(shí)別、跟蹤、監(jiān)控和管理以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果的及時(shí)反饋，充分搭建學(xué)生自主式創(chuàng)新教學(xué)環(huán)境，逐漸改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于學(xué)生“一步一式”的指導(dǎo)模式，提供一個(gè)完全開放式的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但也能完整記錄學(xué)生實(shí)踐過程，建立師生實(shí)時(shí)通信平臺(tái)，及時(shí)糾正學(xué)生錯(cuò)誤步驟，約束學(xué)生違規(guī)行為，從而從根本上培養(yǎng)大學(xué)生的獨(dú)立性以及分析問題與解決問題的能力。其具有很高的創(chuàng)新性與推廣應(yīng)用價(jià)值。

一、大學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)理念的建立

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和信息化浪潮的不斷興起，我國在信息化建設(shè)方面加快了前進(jìn)的步伐，全國各大高校也與時(shí)俱進(jìn)，并在改革創(chuàng)新的方針指導(dǎo)下提出了創(chuàng)建數(shù)字化校園的目標(biāo)方案，以此促進(jìn)高等教育教學(xué)資源共建共享，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的改革推進(jìn)。

大學(xué)實(shí)驗(yàn)室是高等院校培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要基地。在黨中央提出科教興國戰(zhàn)略方針之后，我國的高等院校在實(shí)際發(fā)展過程中面臨三大主要任務(wù)：第一，加大大學(xué)生招生規(guī)模，擴(kuò)建校園基地建設(shè)范圍；第二，通過理論聯(lián)系實(shí)踐，不斷提升大學(xué)生的科學(xué)文化層次；第三，加速科技創(chuàng)新與人才創(chuàng)新建設(shè)步伐，為國家發(fā)展建設(shè)儲(chǔ)備高素質(zhì)人才資源。而高校實(shí)驗(yàn)室的教育教學(xué)管理和以上三方面有著緊密的聯(lián)系，因此，加強(qiáng)各高校實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新建設(shè)顯得尤為重要。

在我國的大學(xué)教育中，由于受到“重理論，輕實(shí)踐”思維的影響，實(shí)驗(yàn)室在我國各大高校中主要處于輔助地位，未得到應(yīng)有的重視。主要存在以下問題：第一，大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從屬于大學(xué)理論教學(xué)的模式定位不準(zhǔn)確；第二，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備使用率不高，實(shí)驗(yàn)環(huán)境相對(duì)較為封閉，很多學(xué)生實(shí)驗(yàn)只用來進(jìn)行特定專業(yè)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；第三，大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的投入經(jīng)費(fèi)不足，人才設(shè)置結(jié)構(gòu)不合理，內(nèi)部管理模式較為落后，數(shù)字化程度低。盡管國家教育在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面投入逐步加大，高校實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是與國外優(yōu)秀大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室相比，依然有較大的提升空間。而國外數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)發(fā)展早、起點(diǎn)高、投資大和速度快。早在20世紀(jì)70年代，美國麻省理工大學(xué)就提出了e-campus（即數(shù)字校園）的計(jì)劃并付諸實(shí)施，經(jīng)過多年的努力，現(xiàn)已構(gòu)建了一個(gè)較成熟的數(shù)字校園模型。英國被稱作“教育信息化的先行者”。英政府投入了大量的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行高校實(shí)驗(yàn)室教育信息化工作，1988年以立法的形式規(guī)定每個(gè)學(xué)校6%的資金必須作為微機(jī)的購置費(fèi)。并與ICL、SUN以及英國電信（BT）合作，在全國范圍內(nèi)的高校中推行CTI項(xiàng)目，希望通過計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)高等院校學(xué)生實(shí)驗(yàn)室從實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容到教學(xué)形式的徹底變革?？梢?，國外高校相對(duì)于國內(nèi)高校在實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)方面還是存在較大的優(yōu)勢(shì)和值得借鑒的地方。

綜合中國國情與近年全國各大高校數(shù)字化發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的信息化創(chuàng)新建設(shè)主要依賴三大方面，分別為高校信息化平臺(tái)建設(shè)、高校信息資源儲(chǔ)備、高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)。只有將高性能的硬件設(shè)備、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高效的管理模式以及優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境有機(jī)結(jié)合，才能將傳統(tǒng)的高校學(xué)生實(shí)驗(yàn)室逐步建設(shè)成為以信息化管理模式與規(guī)范化引導(dǎo)下的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。

二、大學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的改革推進(jìn)

加快高等院校信息化創(chuàng)新建設(shè)是推動(dòng)高等教育發(fā)展的重要策略和導(dǎo)向。通過實(shí)現(xiàn)高校網(wǎng)絡(luò)化、信息資源數(shù)字化和管理模式科學(xué)化，完成校園教學(xué)、科研和管理的信息化?？蒲惺歉咝＝逃娜蠊δ苤?，而大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的工作水平是一個(gè)高校科研水平的基本標(biāo)志。隨著大學(xué)專業(yè)學(xué)科的建設(shè)發(fā)展以及國家對(duì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)要求，大學(xué)實(shí)驗(yàn)室在日常的運(yùn)行系統(tǒng)中承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)和科研任務(wù)日趨增多，從而，大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)逐漸成為了高?？萍挤矫娴幕局е?，也成了辦好高等學(xué)校的基本條件。受傳統(tǒng)管理思維的禁錮，部分大學(xué)實(shí)驗(yàn)室在使用過程中還是存在一定的問題。

第一，實(shí)驗(yàn)資源浪費(fèi)，大型儀器設(shè)備專管共用工作停滯不前。部分學(xué)科建設(shè)缺少有效規(guī)劃，實(shí)驗(yàn)資源分配與建制不合理，學(xué)科間缺乏共性聯(lián)動(dòng)。而大型設(shè)備、專項(xiàng)設(shè)備技術(shù)昂貴精密，操作難度大，較多高校內(nèi)部開展的專管共用工作開展緩慢，多數(shù)有名無實(shí)。

第二，實(shí)驗(yàn)環(huán)境安全性不高，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部缺乏競(jìng)爭(zhēng)及激勵(lì)機(jī)制。由于現(xiàn)今大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)室成立時(shí)間較長(zhǎng)，內(nèi)部的各項(xiàng)安全設(shè)置都承襲舊制，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的安全系數(shù)缺乏有效評(píng)估，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全事故頻發(fā)。除此之外，高校實(shí)驗(yàn)室基本分科管理，各自為政，每個(gè)學(xué)科點(diǎn)之間基本不存在橫向競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室教師缺乏工作積極性與創(chuàng)新性，專業(yè)技術(shù)職能不能與時(shí)俱進(jìn)。

第三，實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化程度低，技術(shù)力量薄弱。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不受重視是我國大學(xué)教育發(fā)展過程中的一大弊端，這一弊端在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)成為導(dǎo)致國家科研成果受限的重要原因。沿襲傳統(tǒng)的管理與教學(xué)模式讓大學(xué)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)力量得不到有效拓展，創(chuàng)新建設(shè)工作停滯不前。

作為高等院校的研究機(jī)構(gòu)，大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)得到了國家、地方政府以及學(xué)校等各級(jí)管理部門的關(guān)心和大力支持，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作在軟硬件方面取得了一定進(jìn)步，但實(shí)驗(yàn)室仍要積極探索新的管理機(jī)制和運(yùn)作機(jī)制。繼續(xù)沿襲老的實(shí)驗(yàn)室模式已經(jīng)越來越難以滿足學(xué)?？萍及l(fā)展需求了。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)了學(xué)校結(jié)構(gòu)功能的創(chuàng)新調(diào)整，全國各大高校都在實(shí)施建立健全實(shí)驗(yàn)室管理體系、加強(qiáng)數(shù)字化建設(shè)推進(jìn)、強(qiáng)化大型設(shè)備管理規(guī)范、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室教師技能深化、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)人員待遇和增進(jìn)學(xué)科間的良性競(jìng)爭(zhēng)、提升實(shí)驗(yàn)室開放程度服務(wù)社會(huì)等發(fā)展戰(zhàn)略和措施。其中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的改革推進(jìn)主要表現(xiàn)在兩方面：

首先，信息技術(shù)的不斷發(fā)展造就了網(wǎng)格化教育手段的出現(xiàn)，結(jié)合先進(jìn)的多媒體教學(xué)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，提升大學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果。依托高等院校數(shù)字化建設(shè)，對(duì)校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理與運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)資源系統(tǒng)性分布式管理。

其次，充分發(fā)揮學(xué)生在大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的主體地位，以開放式的教學(xué)方式逐步取代傳統(tǒng)的“手把手”教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從“被動(dòng)式受教”到“主動(dòng)式探索”的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，從而充分利用實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備真正地落到實(shí)處，提升利用率。除此之外，作為數(shù)字化建設(shè)的重要方面，實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)（又名：計(jì)算機(jī)輔助學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)）是高校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的重要分支結(jié)構(gòu)，構(gòu)建虛擬化的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生的在線實(shí)驗(yàn)、在線學(xué)習(xí)、師生在線討論、學(xué)生在線提問、教師操作演示以及學(xué)生在線提交實(shí)驗(yàn)成果等，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化教育教學(xué)平臺(tái)展現(xiàn)。

三、基于互聯(lián)網(wǎng)+的“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”創(chuàng)新舉措與意義

基于互聯(lián)網(wǎng)+的“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”是在全國大力倡導(dǎo)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代下，并在認(rèn)真學(xué)習(xí)了我國計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)機(jī)制改革創(chuàng)新成果、分享全新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的創(chuàng)新理念。

“智慧實(shí)驗(yàn)室”是以互聯(lián)網(wǎng)+為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的信息化技術(shù)手段和軟硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研、管理、學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等實(shí)驗(yàn)室信息的收集、處理、監(jiān)管、存儲(chǔ)、傳輸和調(diào)用，使實(shí)驗(yàn)室資源得到充分優(yōu)化利用?！爸腔蹖?shí)驗(yàn)室”用層次化、整體的觀點(diǎn)來實(shí)施高校實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)，將實(shí)驗(yàn)室的資源（設(shè)備資源、環(huán)境資源、人才資源等）信息進(jìn)行更好的分類、利用以及有序管理。為師生提供方便有效和豐富多彩的自主實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓管理人員科學(xué)地、規(guī)范地管理實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，并將這些信息方便地發(fā)布出去，在傳統(tǒng)校園基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)數(shù)字化互聯(lián)網(wǎng)空間，以拓展現(xiàn)實(shí)校園的時(shí)間和空間維度，達(dá)到提升傳統(tǒng)大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行效率的目的，擴(kuò)展傳統(tǒng)大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)功能，最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教育過程的全面信息化，從而達(dá)到提高管理水平和效率的目的；把學(xué)校學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成面向校園內(nèi)也面向社會(huì)的一個(gè)超越時(shí)間、超越空間的“智慧實(shí)驗(yàn)室”。

“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”是集創(chuàng)新人才培養(yǎng)、數(shù)字化資源共享、互聯(lián)網(wǎng)+一站式服務(wù)為一體的多功能學(xué)生創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)室。有別于傳統(tǒng)高校實(shí)驗(yàn)室單純提供學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境的教學(xué)體系，智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)主要由LCD顯示系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)課程名稱、環(huán)境指標(biāo)讀數(shù)等）、人員登記系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)人員個(gè)人信息等）、資源管理系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)設(shè)備名稱與數(shù)量等）、燈光控制系統(tǒng)（環(huán)境光感度自動(dòng)調(diào)節(jié)、窗簾控制等）、空調(diào)控制系統(tǒng)、門窗監(jiān)視系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)完全智能化控制。除此之外，智慧實(shí)驗(yàn)室依托信息通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，讓互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境進(jìn)行深度融合，創(chuàng)造新的實(shí)驗(yàn)體系，以物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層次（應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層）為體現(xiàn)，采用傳感器與射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）等技術(shù)，實(shí)時(shí)了解學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐情況，并通過可能的網(wǎng)絡(luò)（基于WIFI的無線局域網(wǎng)、移動(dòng)通信等）接入方式，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、服務(wù)與人的泛在鏈接，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的智慧化識(shí)別、跟蹤、監(jiān)控和管理以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果的及時(shí)反饋，充分搭建學(xué)生自主式創(chuàng)新教學(xué)環(huán)境，逐漸改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于學(xué)生“一步一式”的指導(dǎo)模式，提供一個(gè)完全開放式的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但也能完整記錄學(xué)生實(shí)踐過程，建立師生實(shí)時(shí)通信平臺(tái)，及時(shí)糾正學(xué)生錯(cuò)誤步驟，約束學(xué)生違規(guī)行為，從而從根本上培養(yǎng)大學(xué)生的獨(dú)立性以及分析問題與解決問題的能力。

圖1　“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”的功能架構(gòu)

與此同時(shí)，基于互聯(lián)網(wǎng)+的“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”可以通過Android技術(shù)或者網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)仿真模擬，包括場(chǎng)景模擬、資源調(diào)度、虛擬數(shù)據(jù)傳輸、視頻監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)環(huán)境調(diào)控、人物活動(dòng)等，以此來對(duì)“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”進(jìn)行有效的可行性分析。

四、結(jié)論

“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”的建設(shè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期基礎(chǔ)性和必要性的工程，也是高校數(shù)字化校園建設(shè)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要構(gòu)成部分，其建設(shè)的成果和水平是學(xué)校辦學(xué)水平、學(xué)校綜合形象以及學(xué)?？蒲械匚坏募畜w現(xiàn)。

本文針對(duì)數(shù)字化工作在高校建設(shè)過程中的開展，與國外先進(jìn)的教育體現(xiàn)進(jìn)行了比較，分析了存在的問題，并提出了創(chuàng)新性的改革措施，即建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)+的“智慧創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”，并詳細(xì)地構(gòu)建了“智慧型”實(shí)驗(yàn)室的整體架構(gòu)，進(jìn)行了功能闡述和分析，為全面建設(shè)數(shù)字化校園提供了積極的設(shè)想。驗(yàn)室研究與探索，2007，26 ( 12) : 129-132.

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（作者單位：上海理工大學(xué)計(jì)算中心）

10.16653/j.cnki.32-1034/f.2016.07.035

上海理工大學(xué)2016年度教師教學(xué)發(fā)展研究項(xiàng)目立項(xiàng)一般項(xiàng)目（編號(hào)：CFTD16060Y）