新工科背景下開放性創(chuàng)新實驗室的探索與實踐

別玉濤， 王曉光， 朱 卓， 梁 楠， 張 宇

（吉林大學(xué)公共計算機教學(xué)與研究中心，長春130012）

0 引 言

教育興則國家興，教育強則國家強。高等教育發(fā)展水平是一個國家發(fā)展水平和發(fā)展?jié)摿Φ闹匾獦?biāo)志［1］。從2015年中央全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組對新時期高等教育提出的“雙一流”建設(shè)部署，到2017年教育部啟動實施的“新工科”建設(shè)，高等教育理念在一步一步深化?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)從“復(fù)旦共識”誕生起，經(jīng)歷了“天大行動”“湘浙倡議”，最后形成了“北京指南”，改革的號角不曾停息，實施的路徑越發(fā)明晰。

對比傳統(tǒng)的工科教育，新工科建設(shè)要培養(yǎng)的是工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才，更注重培養(yǎng)具有多學(xué)科交叉融合背景、工程實踐能力強的應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才［2］，這就要求實踐環(huán)節(jié)要達到相應(yīng)的質(zhì)和量，對實驗室的建設(shè)需求也提出了新的要求，以開放模式運行的實驗室能夠充分發(fā)揮實驗室職能，配合新工科教學(xué)的內(nèi)涵式發(fā)展。

1 傳統(tǒng)實驗室管理模式的局限性

創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需要在計劃學(xué)時外盡可能多地為學(xué)生提供實驗場所、儀器設(shè)備、實驗耗材等實驗條件，以多種實踐形式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)［3］。而以往的傳統(tǒng)實驗室并不能滿足這些需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）管理運行制度不適合開放性創(chuàng)新實驗室。傳統(tǒng)的教學(xué)、科研實驗室的使用主要集中在計劃內(nèi)教學(xué)和課題組的科研實驗，管理體制也是針對原有的計劃內(nèi)教學(xué)和科研制定的，對于實驗室開放性和創(chuàng)新性的要求，無論從實驗室開放時間、儀器設(shè)備、實驗耗材管理，還是實驗室環(huán)境、實驗室安全的管理［4］，都缺少相應(yīng)的規(guī)范制度，影響了實驗室開放運行。

（2）硬件環(huán)境設(shè)施不滿足開放性創(chuàng)新實驗室?，F(xiàn)有實驗室的硬件環(huán)境都只是滿足計劃內(nèi)教學(xué)要求設(shè)計，但開展創(chuàng)新性實驗對實驗室的設(shè)備環(huán)境提出了新的要求，在實驗室場地、新型實驗設(shè)備方面均凸顯出明顯不足［5］，限制了學(xué)生自主實踐、開拓創(chuàng)新實驗。

（3）實驗課程體系不支持開放性創(chuàng)新實驗課程開展。當(dāng)前的實驗課程是根據(jù)理論教材的基礎(chǔ)內(nèi)容為指導(dǎo)，按照固定的內(nèi)容和形式開展實驗，從深度和廣度上限制了學(xué)生自主創(chuàng)新的實踐研究。開放性創(chuàng)新實驗的開展，由教師教學(xué)為主體的模式，變?yōu)閷W(xué)生主動學(xué)習(xí)探索為主體的模式，以多信息交叉學(xué)科知識作為基礎(chǔ)，符合時代趨勢，關(guān)注科技前沿，對現(xiàn)階段專業(yè)領(lǐng)域中的成果進行分析與驗證［6］。

（4）實驗教師隊伍的素養(yǎng)不適應(yīng)開放性創(chuàng)新實驗課程的指導(dǎo)需求。對于開放性創(chuàng)新實驗室內(nèi)新購置的大批實驗器材，實驗教師需要熟悉掌握各種設(shè)備的使用方法和日常維護，及時掌握各個實驗設(shè)備的運行情況并做好相應(yīng)的運行記錄。另外，由于實驗教師長期習(xí)慣于固定的教學(xué)模式和教學(xué)規(guī)劃，知識體系受限于本學(xué)科專業(yè)，缺少對交叉學(xué)科知識和技能的掌握，難以以創(chuàng)新的理念對進行創(chuàng)新實驗的學(xué)生進行有效指導(dǎo)［6］，阻礙了實驗室創(chuàng)新改革的進程。

2 開放性創(chuàng)新實驗室的建設(shè)目標(biāo)

以校機器人夢工場實驗室為建設(shè)目標(biāo)，構(gòu)建以學(xué)生為中心，以激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的自主學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實踐能力為基本原則［7］。具體建設(shè)目標(biāo)：①構(gòu)建面向創(chuàng)新開放的實驗室管理制度，以適應(yīng)實驗室改革管理進程。②構(gòu)建適用于開放創(chuàng)新的信息化平臺設(shè)施，來配合實驗室開放的管理模式。③ 構(gòu)建滿足于開放創(chuàng)新的實驗軟環(huán)境，全面提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育知識體系和指導(dǎo)理念。

3 開放性創(chuàng)新實驗室的建設(shè)

3.1 構(gòu)建面向創(chuàng)新開放的實驗室管理制度

創(chuàng)新性開放實驗環(huán)節(jié)是新工科教育理念下的重要實踐活動，將理論知識運用于實際工業(yè)生產(chǎn)的大膽嘗試，這種全新的教學(xué)模式尚處在探索階段，并沒有成熟的模式可以借鑒，因此建立一系列科學(xué)規(guī)范的創(chuàng)新性開放實驗室的管理制度是實驗室運行的根本保障。

區(qū)別于傳統(tǒng)實驗室的固定人員在固定時間使用，創(chuàng)新性開放實驗室具有實驗時間不確定、實驗項目多樣化、實驗內(nèi)容多變性、實驗人員多層次和多專業(yè)等特點［8］，因此必須以先進的管理理念建立健全管理制度，采用信息化管理手段，以及必要的資金，從實驗室的硬件環(huán)境建設(shè)到軟環(huán)境提升，適合實驗室的開放運行要求。學(xué)校制訂相應(yīng)的管理辦法和實施細則，科學(xué)規(guī)范實驗室開放、組織方式、效益評價、教師、學(xué)生的激勵政策等。建立支持實驗室開放共享的專項經(jīng)費，用于實驗教學(xué)和實驗設(shè)備的維修、耗材的購買等，保障實驗室持續(xù)運轉(zhuǎn)［7］。構(gòu)建功能完備的管理運行平臺，采取預(yù)約審核使用、實時監(jiān)控及電子簽到，科學(xué)地實現(xiàn)資源開放共享。

3.2 構(gòu)建適用于開放的信息化平臺設(shè)施

物聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展為開放型創(chuàng)新實驗室的管理提供新的思路，通過計算機信息管理、電子和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對實驗室所有實驗設(shè)備進行信息化、智能化管理［9］，提高實驗室建設(shè)與管理效率，方便學(xué)校教務(wù)和設(shè)備等管理部門準(zhǔn)確統(tǒng)計課程和設(shè)備運轉(zhuǎn)情況（見圖1）。

圖1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)框圖

（1）門禁＋電源開關(guān)模塊。該模塊的搭建是基于校園一卡通所采用的RFID無線射頻技術(shù)。系統(tǒng)基本部件組成包括讀卡器、管理機、程控繼電器和遠程服務(wù)器。利用校園一卡通，對使用人員進行數(shù)據(jù)采集，通過校園網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互與共享，實現(xiàn)校園卡身份識別和數(shù)據(jù)記錄等功能，配以程控繼電器完成門禁、設(shè)備電源開關(guān)等操作。信息中心匯總所有采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合實驗室管理系統(tǒng)、實踐教學(xué)管理平臺等平臺數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)的分析手段進行集中管理和簡單分析，并輔之以一定的數(shù)據(jù)挖掘模型進行決策分析，完成教務(wù)處和實驗室設(shè)備管理處所需要的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

（2）監(jiān)控＋報警模塊。建立完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是實驗室安全的有效保障。在實驗室內(nèi)必要位置安裝高清晰攝像頭，實施全天候不間斷監(jiān)控，配以大容量存儲器存儲視頻內(nèi)容便于后期需要時查看。智能監(jiān)控系統(tǒng)通過門口安裝的攝像頭采集進入實驗室的人員影像，結(jié)合人臉識別算法，準(zhǔn)確分析進出實驗室的人員情況，智能提醒實驗室管理員有非法進入實驗室的人員。按照安全防火要求的密集度安裝煙感探測器，在必要點位安裝紅外探測報警器，并將警報系統(tǒng)與校園警務(wù)連接。這些措施能夠在一定程度上對實驗室的防火防盜起到保障作用。

（3）預(yù)約＋審核模塊。合理統(tǒng)籌計劃內(nèi)實驗和學(xué)生自主開放性創(chuàng)新實驗的關(guān)系，最大限度地開放實驗室所有資源，在管理平臺中構(gòu)建預(yù)約審核模塊，公開實驗室內(nèi)的空閑時間和資源，按照可用實驗設(shè)備分時段公布可用時間。學(xué)生可通過實驗室管理平臺的微信小程序進入預(yù)約模塊［10］，根據(jù)自己的課余時間在預(yù)約平臺上申請實驗設(shè)備的使用時間，管理員審核通過后可進入實驗室自主實踐學(xué)習(xí)，不僅提高了設(shè)備的利用率，而且能夠使學(xué)生合理安排自己的學(xué)習(xí)時間。

3.3 構(gòu)建滿足于開放創(chuàng)新的實驗軟環(huán)境

（1）建立有梯度的實踐教學(xué)平臺。針對多學(xué)科創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)，需要重新定位課程目標(biāo)，改變傳統(tǒng)授課模式，以項目為驅(qū)動全面提升課程內(nèi)容［11］。以培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)雄厚、工程實踐能力強的高素質(zhì)綜合型人才，以實物驅(qū)動興趣，以問題激發(fā)思考，針對不同層次的學(xué)生設(shè)計不同難度的實驗內(nèi)容［12］，使每個參與其中的學(xué)生都能找到適合自己的實踐項目進行提升，教師在實踐平臺內(nèi)容的設(shè)計上體現(xiàn)出層次感，實驗教學(xué)時以成熟的實例展示給學(xué)生，并針對實驗點提出問題，讓學(xué)生進行分組討論交流。

關(guān)注前沿科技產(chǎn)品的最新發(fā)展趨勢，由相關(guān)學(xué)科教師和企業(yè)導(dǎo)師在教學(xué)平臺中創(chuàng)建可擴充的創(chuàng)新設(shè)計項目庫，教師在教學(xué)中產(chǎn)生的創(chuàng)新設(shè)計點，企業(yè)導(dǎo)師在工程實踐中發(fā)現(xiàn)可應(yīng)用到實踐教學(xué)中的創(chuàng)新設(shè)計點，包括學(xué)生在實踐中萌發(fā)的創(chuàng)新點都可以補充到項目庫中［13］，作為以后創(chuàng)新實驗課程的設(shè)計雛形。

目前創(chuàng)新實踐云平臺已投入使用2年，采用B／S模式開發(fā)，為創(chuàng)新實驗課程提供了詳細的實踐教程及軟件操作平臺，學(xué)生使用效果良好。

（2）組建跨學(xué)科的教師團隊。教師隊伍的多元化是培養(yǎng)交叉學(xué)科人才的關(guān)鍵，不同學(xué)科的教師帶給學(xué)生相關(guān)領(lǐng)域里的專業(yè)知識，吸引具有各個學(xué)科背景的教師組成教學(xué)團隊，分別針對相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用實例展開實踐教學(xué)，使學(xué)生能夠從每一個領(lǐng)域都獲得最專業(yè)的指導(dǎo)［14］。為了提高教師的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)能力，在深入本學(xué)科的前提下，不斷拓寬相關(guān)知識領(lǐng)域，探索前沿科技，挖掘交叉領(lǐng)域中適合作為實踐內(nèi)容的應(yīng)用項目，定期組織教學(xué)研討活動，進入企業(yè)進行調(diào)研學(xué)習(xí)。

目前參與夢工場組建的有通信、計算機、機械、儀電、電子、食品、生物、汽車、材料、數(shù)學(xué)等10余個學(xué)院的80余位教師，其中教授人數(shù)達到64人。另外，夢工場聘請了機器人產(chǎn)品相關(guān)產(chǎn)業(yè)公司的工程師作為企業(yè)實踐導(dǎo)師，定期進入實驗課堂進行前沿技術(shù)推廣和相關(guān)實踐指導(dǎo)。

（3）聯(lián)合校外的教育資源。企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)到測試投產(chǎn)過程中積累了大量的經(jīng)驗，邀請相關(guān)領(lǐng)域的企業(yè)專家進行培訓(xùn)講座［15-16］，不僅使學(xué)生了解市場上流行的創(chuàng)新科技產(chǎn)品，而且?guī)椭鷮W(xué)生了解技術(shù)實際應(yīng)用中遇到的問題及解決思路。積極聯(lián)系創(chuàng)新科技生產(chǎn)和應(yīng)用企業(yè)，在不影響其生產(chǎn)的前提下，組織學(xué)生參觀創(chuàng)新科技產(chǎn)品的生產(chǎn)或應(yīng)用，不斷開拓學(xué)生的視野，將單一的課堂理論學(xué)習(xí)豐富為多元化的實踐教學(xué)方式。

在學(xué)校和職能部門的大力支持下，夢工場已購置了多種供學(xué)生進行創(chuàng)新實驗的儀器設(shè)備，如ROS機器人6套，機器魚4臺，無人機6臺，直升機1臺，語音識別機器人1臺，基于人臉識別的服務(wù)機器人1臺，3D打印機2臺，Arduino智能小車和ARM智能小車20余套，木工墻為學(xué)生提供了木工制作需要的各類大大小小的工具。夢工場與多家企業(yè)建立了產(chǎn)學(xué)合作關(guān)系，并進行了10余場的前沿技術(shù)培訓(xùn)講座。

4 階段性實踐成效

自機器人夢工場創(chuàng)立以來，不斷發(fā)展建設(shè)，充分發(fā)揮了開放性創(chuàng)新實驗室的功效，從校級創(chuàng)新實驗到國家級機器人比賽，各類成果數(shù)量顯著。據(jù)不完全統(tǒng)計，約有496名學(xué)生通過創(chuàng)新實驗項目使用實驗室資源，涉及學(xué)院數(shù)量達到29個。每學(xué)期，開展創(chuàng)新性實驗項目，學(xué)生使用實驗室上課達16學(xué)時／人，除計劃學(xué)時外，其余時間每天對學(xué)生開放到21：00，實驗室開放率達到約70學(xué)時／周。通過大創(chuàng)項目使用實驗室人數(shù)達到118人。絕大多數(shù)的學(xué)生通過在實驗室的學(xué)習(xí)參加了各級競賽，其中校級創(chuàng)新競賽獲獎326人，省級競賽獲獎238人，國家級競賽獲獎84人。根據(jù)實驗室創(chuàng)新項目完成的優(yōu)秀畢業(yè)論文（設(shè)計）16篇。實驗室邀請專家進行水下仿生機器人等專題科技培訓(xùn)10余次，參與的學(xué)生教師人數(shù)達到1 600人。

5 結(jié) 語

為適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟的發(fā)展，響應(yīng)國家戰(zhàn)略需求，樹立創(chuàng)新型、綜合化、全周期工程教育的新理念，建設(shè)階梯式、多元化的實踐教學(xué)體系和教學(xué)資源，培養(yǎng)具有較強行業(yè)背景知識和工程實踐能力的創(chuàng)新型人才，開放性創(chuàng)新實驗室建設(shè)取得了較好成績但需繼續(xù)推進產(chǎn)學(xué)研融合、校企聯(lián)合，開發(fā)更多滿足行業(yè)發(fā)展需要的創(chuàng)新實踐教學(xué)資源，打造滿足新時期工科人才培養(yǎng)要求的高水平教師團隊，優(yōu)化開放性實驗室的管理體系，為建設(shè)工程教育強國助力。