基于互联网+的“智慧创新实验室”架构研究

周春樵　　朱思征

基于互联网+的“智慧创新实验室”架构研究

周春樵朱思征

科学技术的飞速进步带动了世界范围教育信息化建设进入全新的发展阶段。基于互联网+的“智慧创新实验室”是在全国大力倡导“互联网+”时代下，并在深刻学习了我国计算机人才培养机制改革创新、分享全新实验室建设与应用实践经验基础上提出的创新理念。以创新应用为导向，以创新能力为核心，以现代化教学教育系统的创新变革为目标，在传统校园基础上构建一个数字化互联网空间，以拓展现实校园的时间和空间维度，提升传统大学学生创新实验室的运行效率，扩展传统大学学生创新实验室的业务功能，最终实现创新实验教育过程的全面信息化，从而达到提高管理水平和效率的目的；把学校学生创新实验室建设成面向校园内、也面向社会的一个超越时间、超越空间的“智慧实验室”。

信息化建设；互联网+；智慧实验室

随着现代化教育教学技术的不断发展以及互联网技术与硬件设备的深入推广，现有大学实验教学形式的弊端也逐步显现，如何建立实验室形式与信息化时代要求之间的桥梁，互联网+技术起到重要的承接作用。我国将信息化现代教育作为国家发展建设的战略核心，以网络创新教育为依托，全方位实现大学校园信息化，构建“智慧型”数字教学环境。

“智慧实验室”建立在传统大学实验室的基础上，融入互联网+的创新建设理念，通过网络（基于WIFI的无线局域网、移动通信等）接入方式，把任何物品与互联网连接，进行信息交换和通信，实现物与物、物与人、服务与人的泛在链接。实现对实验资源的智慧化识别、跟踪、监控和管理以及学生实验过程与结果的及时反馈，充分搭建学生自主式创新教学环境，逐渐改善传统实验教学对于学生“一步一式”的指导模式，提供一个完全开放式的创新实验环境，但也能完整记录学生实践过程，建立师生实时通信平台，及时纠正学生错误步骤，约束学生违规行为，从而从根本上培养大学生的独立性以及分析问题与解决问题的能力。其具有很高的创新性与推广应用价值。

一、大学数字化实验室信息化建设理念的建立

随着计算机技术的广泛应用和信息化浪潮的不断兴起，我国在信息化建设方面加快了前进的步伐，全国各大高校也与时俱进，并在改革创新的方针指导下提出了创建数字化校园的目标方案，以此促进高等教育教学资源共建共享，实现创新人才培养模式的改革推进。

大学实验室是高等院校培养创新人才的重要基地。在党中央提出科教兴国战略方针之后，我国的高等院校在实际发展过程中面临三大主要任务：第一，加大大学生招生规模，扩建校园基地建设范围；第二，通过理论联系实践，不断提升大学生的科学文化层次；第三，加速科技创新与人才创新建设步伐，为国家发展建设储备高素质人才资源。而高校实验室的教育教学管理和以上三方面有着紧密的联系，因此，加强各高校实验室创新建设显得尤为重要。

在我国的大学教育中，由于受到“重理论，轻实践”思维的影响，实验室在我国各大高校中主要处于辅助地位，未得到应有的重视。主要存在以下问题：第一，大学实验教学从属于大学理论教学的模式定位不准确；第二，实验室仪器设备使用率不高，实验环境相对较为封闭，很多学生实验只用来进行特定专业的验证性实验；第三，大学实验室的投入经费不足，人才设置结构不合理，内部管理模式较为落后，数字化程度低。尽管国家教育在实验室建设方面投入逐步加大，高校实验室的发展有了长足进步，但是与国外优秀大学的实验室相比，依然有较大的提升空间。而国外数字化实验室建设发展早、起点高、投资大和速度快。早在20世纪70年代，美国麻省理工大学就提出了e-campus（即数字校园）的计划并付诸实施，经过多年的努力，现已构建了一个较成熟的数字校园模型。英国被称作“教育信息化的先行者”。英政府投入了大量的经费进行高校实验室教育信息化工作，1988年以立法的形式规定每个学校6%的资金必须作为微机的购置费。并与ICL、SUN以及英国电信（BT）合作，在全国范围内的高校中推行CTI项目，希望通过计算机、通讯技术的结合实现对高等院校学生实验室从实验教学模式、实验教学内容到教学形式的彻底变革。可见，国外高校相对于国内高校在实验室数字化建设方面还是存在较大的优势和值得借鉴的地方。

综合中国国情与近年全国各大高校数字化发展经验，大学实验室的信息化创新建设主要依赖三大方面，分别为高校信息化平台建设、高校信息资源储备、高校创新人才培养。只有将高性能的硬件设备、先进的网络技术、高效的管理模式以及优良的实验教学环境有机结合，才能将传统的高校学生实验室逐步建设成为以信息化管理模式与规范化引导下的创新实验室。

二、大学数字化实验室建设的改革推进

加快高等院校信息化创新建设是推动高等教育发展的重要策略和导向。通过实现高校网络化、信息资源数字化和管理模式科学化，完成校园教学、科研和管理的信息化。科研是高校教育的三大功能之一，而大学实验室的工作水平是一个高校科研水平的基本标志。随着大学专业学科的建设发展以及国家对创新人才的培养要求，大学实验室在日常的运行系统中承担的教学任务和科研任务日趋增多，从而，大学实验室的建设逐渐成为了高校科技方面的基本支柱，也成了办好高等学校的基本条件。受传统管理思维的禁锢，部分大学实验室在使用过程中还是存在一定的问题。

第一，实验资源浪费，大型仪器设备专管共用工作停滞不前。部分学科建设缺少有效规划，实验资源分配与建制不合理，学科间缺乏共性联动。而大型设备、专项设备技术昂贵精密，操作难度大，较多高校内部开展的专管共用工作开展缓慢，多数有名无实。

第二，实验环境安全性不高，实验室内部缺乏竞争及激励机制。由于现今大多数的实验室成立时间较长，内部的各项安全设置都承袭旧制，实验环境的安全系数缺乏有效评估，导致学生实验安全事故频发。除此之外，高校实验室基本分科管理，各自为政，每个学科点之间基本不存在横向竞争，导致实验室教师缺乏工作积极性与创新性，专业技术职能不能与时俱进。

第三，实验室数字化程度低，技术力量薄弱。实验教学不受重视是我国大学教育发展过程中的一大弊端，这一弊端在很长时间内成为导致国家科研成果受限的重要原因。沿袭传统的管理与教学模式让大学实验室技术力量得不到有效拓展，创新建设工作停滞不前。

作为高等院校的研究机构，大学实验室的建设得到了国家、地方政府以及学校等各级管理部门的关心和大力支持，实验室建设工作在软硬件方面取得了一定进步，但实验室仍要积极探索新的管理机制和运作机制。继续沿袭老的实验室模式已经越来越难以满足学校科技发展需求了。

科学技术的进步带动了学校结构功能的创新调整，全国各大高校都在实施建立健全实验室管理体系、加强数字化建设推进、强化大型设备管理规范、加强实验室教师技能深化、改进实验人员待遇和增进学科间的良性竞争、提升实验室开放程度服务社会等发展战略和措施。其中，数字化实验室的改革推进主要表现在两方面：

首先，信息技术的不断发展造就了网格化教育手段的出现，结合先进的多媒体教学和计算机网络技术，并利用计算机仿真技术建设虚拟仿真实验室，提升大学实验课堂教学效果。依托高等院校数字化建设，对校内实验室实现网络化管理与运行，从而实现实验环境、实验设备、实验内容、实验资源系统性分布式管理。

其次，充分发挥学生在大学实验教学过程中的主体地位，以开放式的教学方式逐步取代传统的“手把手”教学模式，实现学生从“被动式受教”到“主动式探索”的学习转变，从而充分利用实验室的仪器设备，将实验设备真正地落到实处，提升利用率。除此之外，作为数字化建设的重要方面，实验学习系统（又名：计算机辅助学生实验学习系统）是高校数字化实验室的重要分支结构，构建虚拟化的仿真实验环境系统，可以实现学生的在线实验、在线学习、师生在线讨论、学生在线提问、教师操作演示以及学生在线提交实验成果等，真正实现数字化教育教学平台展现。

三、基于互联网+的“智慧创新实验室”创新举措与意义

基于互联网+的“智慧创新实验室”是在全国大力倡导“互联网+”时代下，并在认真学习了我国计算机人才培养机制改革创新成果、分享全新实验室建设与应用实践经验基础上提出的创新理念。

“智慧实验室”是以互联网+为基础，采用先进的信息化技术手段和软硬件设备，实现对实验教学、科研、管理、学生创新创业等实验室信息的收集、处理、监管、存储、传输和调用，使实验室资源得到充分优化利用。“智慧实验室”用层次化、整体的观点来实施高校实验室信息化建设，将实验室的资源（设备资源、环境资源、人才资源等）信息进行更好的分类、利用以及有序管理。为师生提供方便有效和丰富多彩的自主实验环境，让管理人员科学地、规范地管理实验室数据，并将这些信息方便地发布出去，在传统校园基础上构建一个数字化互联网空间，以拓展现实校园的时间和空间维度，达到提升传统大学学生创新实验室运行效率的目的，扩展传统大学学生创新实验室的业务功能，最终实现创新实验教育过程的全面信息化，从而达到提高管理水平和效率的目的；把学校学生创新实验室建设成面向校园内也面向社会的一个超越时间、超越空间的“智慧实验室”。

“智慧创新实验室”是集创新人才培养、数字化资源共享、互联网+一站式服务为一体的多功能学生创新研究实验室。有别于传统高校实验室单纯提供学生实验设备、实验指导与实验环境的教学体系，智慧实验室系统主要由LCD显示系统（实验课程名称、环境指标读数等）、人员登记系统（实验人员个人信息等）、资源管理系统（实验设备名称与数量等）、灯光控制系统（环境光感度自动调节、窗帘控制等）、空调控制系统、门窗监视系统、视频监控系统等，实现完全智能化控制。除此之外，智慧实验室依托信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统实验教学环境进行深度融合，创造新的实验体系，以物联网的三个层次（应用层、网络层、感知层）为体现，采用传感器与射频识别技术（RFID）等技术，实时了解学生创新实践情况，并通过可能的网络（基于WIFI的无线局域网、移动通信等）接入方式，把任何物品与互联网连接，进行信息交换和通信，实现物与物、物与人、服务与人的泛在链接，实现对实验资源的智慧化识别、跟踪、监控和管理以及学生实验过程与结果的及时反馈，充分搭建学生自主式创新教学环境，逐渐改善传统实验教学对于学生“一步一式”的指导模式，提供一个完全开放式的创新实验环境，但也能完整记录学生实践过程，建立师生实时通信平台，及时纠正学生错误步骤，约束学生违规行为，从而从根本上培养大学生的独立性以及分析问题与解决问题的能力。

图1　“智慧创新实验室”的功能架构

与此同时，基于互联网+的“智慧创新实验室”可以通过Android技术或者网络平台进行系统仿真模拟，包括场景模拟、资源调度、虚拟数据传输、视频监控、实验环境调控、人物活动等，以此来对“智慧创新实验室”进行有效的可行性分析。

四、结论

“智慧创新实验室”的建设是一项长期基础性和必要性的工程，也是高校数字化校园建设和创新人才培养的重要构成部分，其建设的成果和水平是学校办学水平、学校综合形象以及学校科研地位的集中体现。

本文针对数字化工作在高校建设过程中的开展，与国外先进的教育体现进行了比较，分析了存在的问题，并提出了创新性的改革措施，即建设基于互联网+的“智慧创新实验室”，并详细地构建了“智慧型”实验室的整体架构，进行了功能阐述和分析，为全面建设数字化校园提供了积极的设想。验室研究与探索，2007，26 ( 12) : 129-132.

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（作者单位：上海理工大学计算中心）

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

上海理工大学2016年度教师教学发展研究项目立项一般项目（编号：CFTD16060Y）