5G+“MetaLab”智慧實驗室建設(shè)探索研究

劉芳敏　蘇文斌　李茂奎

關(guān)鍵詞：5G 網(wǎng)絡(luò)；智慧實驗室；教育大數(shù)據(jù)；數(shù)字孿生系統(tǒng)；虛擬仿真教學(xué)；沉浸式網(wǎng)絡(luò)直播實驗教學(xué)

5G 網(wǎng)絡(luò)擁有完全不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點，以超高速、低時延、大連接、高可靠性等特性為契機，探索建設(shè)MetaLab 智慧實驗室。MetaLab 是指利用混合現(xiàn)實、人工智能等先進數(shù)字技術(shù)，依托5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以獲取和管理教育大數(shù)據(jù)為目的，探索建立面向智慧教育的實驗室教學(xué)數(shù)字孿生系統(tǒng)。MetaLab 智慧實驗室概念首次被提出，其中混合現(xiàn)實（MR）、教育大數(shù)據(jù)（EducationBig Data）、實驗室教學(xué)數(shù)字孿生系統(tǒng)（Twin System）、人工智能（AI）等是關(guān)鍵內(nèi)容。

一、“MetaLab”智慧實驗室建設(shè)背景與意義

（一）物聯(lián)網(wǎng)、安全問題、疫情背景下智慧實驗室建設(shè)

實驗室作為國家創(chuàng)新體系的核心與關(guān)鍵平臺，代表著國家參與世界科技競爭的重要力量。在5G 時代和人工智能快速發(fā)展的大背景下，構(gòu)建安全、創(chuàng)新、智慧、共享的實驗室，是實驗室設(shè)計、建設(shè)和管理方都非常關(guān)注的熱點問題。

為此，借助人的智慧和科技創(chuàng)新，深化體制機制改革，打造信息化程度較高的智慧實驗室，提高安全管理與科教服務(wù)能力，是我們面臨的嚴(yán)峻課題。特別是在新冠疫情這種高傳染性疾病在全球暴發(fā)的情況下，各領(lǐng)域?qū)嶒炇蚁蛑腔刍l(fā)展更加迫切。智慧實驗室將在保障人類健康、環(huán)境安全以及促進經(jīng)濟社會發(fā)展方面做出更大的貢獻。

（二）5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建智慧實驗室全新生態(tài)

5G 作為新一輪科技革命的代表和引領(lǐng)技術(shù)，將開啟“萬物互聯(lián)”的時代。它使人類的連接技術(shù)達到了前所未有的高度。我國在5G 的發(fā)展已取得了積極的成果，并加速進入5G 應(yīng)用規(guī)模發(fā)展的新階段。教育作為國之大計，是民生重點關(guān)注領(lǐng)域，加強5G 與教育的融合和創(chuàng)新應(yīng)用對推動教育模式變革、提高教育質(zhì)量、促進教育發(fā)展具有重要意義。

深度應(yīng)用5G 等新一代信息技術(shù)可以推動高校實驗室的數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級和融合創(chuàng)新[1]。同時，開展5G+ 智慧實驗室應(yīng)用試點可以形成技術(shù)先進、效果顯著的5G 與教育教學(xué)融合的典型應(yīng)用，探索可復(fù)制、可推廣和可規(guī)?；陌l(fā)展模式，開啟智慧實驗室建設(shè)的全新生態(tài)，為教育的高質(zhì)量發(fā)展提供新的發(fā)展路徑。

（三）依托5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實驗室智慧平臺，探索智慧實驗室建設(shè)的新途徑、新模式，為雙一流實驗室建設(shè)規(guī)范樹立標(biāo)桿

黨中央、國務(wù)院實行的“雙一流”建設(shè)戰(zhàn)略為高校建設(shè)注入了新的內(nèi)涵，提供了新的發(fā)展機遇。高?！半p一流”建設(shè)的主要目標(biāo)是推動創(chuàng)新，而實驗室則是創(chuàng)新的源頭，是競爭的主戰(zhàn)場和橋頭堡；在國際交流中，實驗室也扮演著平臺和紐帶的角色，作用越來越明顯。高?！半p一流”建設(shè)的根本目的是培養(yǎng)人才，而要培養(yǎng)一流人才離不開一流實驗室的支撐。實驗室是培養(yǎng)學(xué)生知識應(yīng)用能力、解決問題能力、實踐動手能力以及培育創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神的重要平臺，是人才培養(yǎng)的重要基地。

建設(shè)5G+ 智慧實驗室是實現(xiàn)高校一流實驗室高質(zhì)量內(nèi)涵式發(fā)展的重要途徑。這種實驗室可以有效地解決目前高校實驗室建設(shè)發(fā)展過程中存在的問題，如缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃、資源使用效益有待提升、實驗室安全隱患等問題。它可以推動我國高校實驗室建設(shè)水平的整體提升，為高等教育發(fā)展乃至經(jīng)濟社會的發(fā)展提供更加有力的支撐。智慧實驗室建設(shè)的新途徑、新模式是實驗室建設(shè)發(fā)展的核心與關(guān)鍵[2]，它為雙一流實驗室建設(shè)規(guī)范樹立標(biāo)桿。

二、“MetaLab”智慧實驗室建設(shè)內(nèi)容

（一）建立獲取實驗室教育大數(shù)據(jù)的高效物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案

5G 就像一把鑰匙，開啟了一個萬物智能互聯(lián)時代，標(biāo)志著智能互聯(lián)的到來。在接下來的十年中，5G 的部署與發(fā)展將與大數(shù)據(jù)的傳輸、分析和運用結(jié)合，其核心應(yīng)用將是人工智能。MetaLab 智慧實驗室將聯(lián)合人工智能行業(yè)先鋒企業(yè)合作，共同研發(fā)機器人助教。這些機器人將實現(xiàn)自然語言互動模式，能夠解答實驗過程中的問題，提供必要的專業(yè)知識和行業(yè)專家或教師積累的寶貴經(jīng)驗，用人工智能助力實驗教學(xué)。

人工智能的發(fā)展離不開數(shù)據(jù)庫，在MetaLab 智慧實驗室中，實驗室教育大數(shù)據(jù)不僅包括專業(yè)的實驗知識庫，還包括學(xué)生在實驗室內(nèi)的學(xué)習(xí)行為、語言交互等“立體數(shù)據(jù)”，而非傳統(tǒng)的基本成績、考勤、實驗報告等“平面數(shù)據(jù)”。通過機器視覺分析及深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、實驗過程、實驗數(shù)據(jù)、學(xué)時數(shù)、查閱資料數(shù)據(jù)、實驗報告等學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，積累大量的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)后，建設(shè)學(xué)生能力培養(yǎng)智慧引導(dǎo)系統(tǒng)和綜合能力數(shù)字畫像系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以為學(xué)生能力的培養(yǎng)與測評提供個性化、精確化解決方案。

MetaLab 智慧實驗室運用5G 融合技術(shù)、即時音視頻通訊、AI 識別、AR 交互、邊緣計算等先進技術(shù)，為師生提供一套基于5G+AI+AR 智能眼鏡的遠程端到端示教解決方案。這種解決方案覆蓋了設(shè)備儀器的操作、安全教育培訓(xùn)等場景。教師等專家與佩戴者具有同一視角，借助語音、AR 標(biāo)注、截屏標(biāo)記、圖片、文件、文字等信息，指導(dǎo)其完成每一項學(xué)習(xí)及操作步驟，大幅提升實驗教育的效率和質(zhì)量。

（二）搭建智慧實驗室數(shù)字孿生系統(tǒng)

MetaLab 智慧實驗室采用數(shù)字化方式，實現(xiàn)實驗室和儀器設(shè)備的拷貝和虛擬仿真。為此，他們需要先進行實驗室及儀器設(shè)備同步，即以真實的實驗室及儀器設(shè)備為基礎(chǔ)，在虛擬實驗室系統(tǒng)中構(gòu)建一套對應(yīng)的模型。這需要對真實實驗室中的每臺儀器設(shè)備進行3D 建模，并將其放入虛擬場景中。由此實現(xiàn)真實實驗室和虛擬實驗室的一一對應(yīng)，并進行數(shù)據(jù)同步。通過5G 通信連接技術(shù)，實現(xiàn)真實設(shè)備與虛擬設(shè)備的實時聯(lián)動[3]，從而實時監(jiān)控實驗室。這是該項目中促進實驗室系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動器。

在疫情后時代，由于實驗教學(xué)涉及儀器操作、實驗過程及實驗現(xiàn)象的觀察，因此直播課堂的建設(shè)有別于理論教學(xué)。為此，MetaLab 智慧實驗室將采用5G 全息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)視頻交互，構(gòu)建實驗直播課堂系統(tǒng)，全方位展示實驗過程與實驗結(jié)果。同時，他們還可以將抽象的理論進行動態(tài)演示，使學(xué)生能夠獲得沉浸的實驗教學(xué)體驗。這將是一種全新的實驗教學(xué)方式，具有非常大的潛力，可以極大地提高學(xué)生的實驗技能和實驗理解能力。

為積極響應(yīng)國家教育發(fā)展戰(zhàn)略，MetaLab 智慧實驗室將以5G+AR 技術(shù)為核心驅(qū)動力，打造虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。這個平臺將允許學(xué)生從認(rèn)知、實踐與應(yīng)用多個角度體驗和學(xué)習(xí)，讓他們在虛擬環(huán)境下體驗真實的實驗場景[4]。這種平臺一方面可以完成傳統(tǒng)實驗室無法完成的實驗，另一方面可以增加對理論和儀器設(shè)備的理解，將理論與實踐相結(jié)合，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率。這是一項非常有前途的教育技術(shù)，在未來的教育領(lǐng)域可能有著廣泛的應(yīng)用。

三、“MetaLab”智慧實驗室建設(shè)使用場景

通過改革教學(xué)路徑、形態(tài)和方式，拓展教學(xué)空間，提升教學(xué)質(zhì)量，可以將人工智能技術(shù)植入教學(xué)之中。將人工智能機器人作為教學(xué)助手，這些機器人助教是經(jīng)過系列功能定制開發(fā)的。它們可以自行充電移動，為學(xué)生提供實驗室導(dǎo)航，為學(xué)生學(xué)習(xí)答疑，同時收集反饋意見等多項功能。借助人工智能輔助教學(xué)的新形勢和新角度，機器人助教可以在實踐課程中加強對學(xué)生價值導(dǎo)向的引導(dǎo)。有趣的形象和不拘的形式，更容易吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生樂于尋求問題并為機器人助教下命令或者聊天，形成良好的互動教學(xué)，給課堂增添活力。這種教學(xué)方法將是未來實驗教學(xué)的一大特色。

以學(xué)生為中心，設(shè)計一種無感采集學(xué)生的信息數(shù)據(jù)的方法，包括學(xué)生的學(xué)習(xí)過程、成績、課堂表現(xiàn)、社團、社交、創(chuàng)新、消費、交流、科研、培訓(xùn)、實習(xí)、社會服務(wù)等，然后開展大數(shù)據(jù)聚類分析[5]，特別是對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)習(xí)慣、知識體系缺陷、科研探究、創(chuàng)新能力、組織能力、心理及身體健康等關(guān)鍵內(nèi)容進行標(biāo)簽化、可視化的數(shù)據(jù)化處理。這些實驗教育大數(shù)據(jù)與智慧實驗室相配合，進一步指導(dǎo)和規(guī)范學(xué)生的日常學(xué)習(xí)過程，實現(xiàn)學(xué)習(xí)潛移默化。

大型儀器設(shè)備公共服務(wù)平臺面向全校師生乃至社會人員開放，人員流動性很高。平臺使用者可以通過電腦、平板、手機、AR 眼鏡等設(shè)備實時顯示設(shè)備使用者的操作全過程。設(shè)備管理人員可以以第一視角獲知現(xiàn)場情況并通過AR 標(biāo)注和凍屏標(biāo)注等操作，實時確認(rèn)設(shè)備使用者的操作準(zhǔn)確性。設(shè)備使用者通過佩戴AR 智能眼鏡，實時獲取設(shè)備管理人員的信息指導(dǎo)，從而實現(xiàn)互動式設(shè)備操作，更加高效地服務(wù)于教研活動。

通過虛擬實驗室的3D 可視化效果，可以更清晰地了解實驗室的真實狀況[6]。比如人員管理方面，可以直觀地看到哪些人在什么時候進入了哪間實驗室并進行了什么實驗操作，并通過既定動作識別分析人員是否遵守安全操作規(guī)程。例如，在開啟激光器前是否佩戴護目鏡，在進行設(shè)備操作時是否在安全區(qū)域內(nèi)，實驗完成后是否整理設(shè)備、斷電關(guān)閉門窗等行為，這些行為都可以通過虛擬實驗室進行監(jiān)控和管理，以達到安全管理的目的。

在設(shè)備管理方面，整個實驗室儀器設(shè)備運行狀況一目了然。例如，哪臺設(shè)備運行時間過長，哪臺設(shè)備經(jīng)常處于閑置狀態(tài)，哪臺設(shè)備的溫度或電流超出了設(shè)定的安全范圍，這些數(shù)據(jù)都能進行實時分析，準(zhǔn)確預(yù)判設(shè)備的運行狀態(tài)。系統(tǒng)會將有問題的儀器設(shè)備或部位通過3D 可視化手段直觀地表現(xiàn)出來，非常方便排查隱患；比如運行管理，系統(tǒng)可以整合出整個實驗室的實驗資源消耗，如線材、氣體、酒精等耗材消耗，使管理者更方便高效地實現(xiàn)實驗資源的管理。

四、“MetaLab”智慧實驗室建設(shè)效益

MetaLab智慧實驗室旨在推動將實驗室打造成安全、高效、節(jié)能、和諧的綜合科教場所，最大程度節(jié)約實驗成本，降低實驗損耗，加強我國實驗室行業(yè)與國際同行的交流，提升我國實驗室的國際影響力，助力實驗室規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)、操作、管理的綠色生態(tài)優(yōu)化升級。

MetaLab 智慧實驗室以5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用為主線，將硬件基礎(chǔ)設(shè)施、軟件信息資源、實驗人員、實驗過程等各要素連接起來，創(chuàng)造了智能、安全、高效、開放和舒適的新型實驗環(huán)境。這種實驗環(huán)境實現(xiàn)了教育教學(xué)智能化、環(huán)境監(jiān)測實時化、設(shè)備管理自動化、資源獲取信息化以及實驗管理高效化?？梢灶A(yù)見，MetaLab 智慧實驗室的價值將逐漸從實驗環(huán)境的創(chuàng)新和 管理方法的變革，對實驗的教學(xué)模式和教育理念產(chǎn)生影響。

高校實驗室涉及的是學(xué)科與領(lǐng)域，強調(diào)創(chuàng)新與安全。MetaLab 智慧實驗室建設(shè)的實際需求、建設(shè)模式、建設(shè)實施、管理運行等方面為全國智慧實驗室的建設(shè)鋪好路；將構(gòu)建和完善MetaLab 智慧實驗室標(biāo)準(zhǔn)體系，為當(dāng)前智慧實驗室建設(shè)和發(fā)展提供基礎(chǔ)和必要條件?！癕etaLab”智慧實驗室建設(shè)以“實驗室安全和規(guī)范化管理、智慧化建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展”為主題，響應(yīng)國家對實驗室能力建設(shè)的號召，將有效推動實驗室先進設(shè)計、建設(shè)與運營管理經(jīng)驗的共享，逐步提高我國實驗室的建設(shè)質(zhì)量、建設(shè)水平與高效運行。

五、結(jié)束語

通過MetaLab 智慧實驗室建設(shè)，建立高效的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案，以獲取實驗室教育大數(shù)據(jù)。實驗室教育大數(shù)據(jù)已經(jīng)不局限于傳統(tǒng)的“平面數(shù)據(jù)”（如成績、考勤、實驗報告等），而是更加側(cè)重于學(xué)生在實驗室內(nèi)的學(xué)習(xí)行為、語言交互等“立體數(shù)據(jù)”。依托實驗室教育大數(shù)據(jù)，建立互動式實驗室知識庫，定制實驗室現(xiàn)場機器助教和遠程示教。通過挖掘、管理及分析實驗室教育大數(shù)據(jù)，建設(shè)學(xué)生能力培養(yǎng)智慧引導(dǎo)系統(tǒng)和綜合能力數(shù)字畫像系統(tǒng)，為學(xué)生能力的培養(yǎng)與測評提供個性化、精確化解決方案。

項目組將搭建實驗室教學(xué)數(shù)字孿生系統(tǒng)，依托5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)，將實驗室場景、設(shè)備、教師教學(xué)行為、學(xué)生學(xué)習(xí)行為等內(nèi)容建模映射成為虛擬空間中的實驗室教學(xué)數(shù)字孿生系統(tǒng)。結(jié)合實驗室教育大數(shù)據(jù)，將現(xiàn)實實驗室場景中的學(xué)生能力培養(yǎng)過程反饋到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，從多角度仿真和模擬學(xué)生整個能力培養(yǎng)周期，并為學(xué)生現(xiàn)實場景中的學(xué)習(xí)進程提供更加精準(zhǔn)的培養(yǎng)方案。此外，借助MetaLab 的數(shù)字孿生系統(tǒng)還可以深入虛擬仿真教學(xué)，開展多場景沉浸式網(wǎng)絡(luò)直播實驗教學(xué)。

“Meta”在英文中有“元、創(chuàng)始”的含義。通過5G+“MetaLab”智慧實驗室建設(shè)，標(biāo)志著向新一代實驗室數(shù)字應(yīng)用生態(tài)的轉(zhuǎn)變邁出了第一步，這些轉(zhuǎn)變包括傳統(tǒng)實驗室教學(xué)內(nèi)容、場景和教學(xué)過程等要素。這為未來的教學(xué)和學(xué)習(xí)提供了新的模式，并為學(xué)生培養(yǎng)提供了精準(zhǔn)方案，同時為師生提供了全新的實驗室體驗。

作者單位：劉芳敏 蘇文斌 李茂奎 山東大學(xué)物理學(xué)院物理實驗教學(xué)中心