智慧云实验室建设探索

刘海珊 李洪芹 刘 瑾 张振华

（上海工程技术大学电子电气工程学院 上海 201600）

0 引言

随着高校应用型本科建设的推进，实验室更是培养应用型本科生的重要基地，也是教师科学研究的关键场所。当前高校实验教学工作中常会遇到一些难题，如各年级教学时间不固定导致排课困难，实验教学流程繁琐使得教师工作量变得繁重，有限的实验室资源，实验室设备的陈旧，另外还有资料存档、调阅困难等等，众多问题亟待解决，智慧云电子实验室构建应运而生。智慧云实验室将集合传感技术、软件技术、网络技术、智能硬件技术与云计算技术等的物联网技术发展与成熟，用先进的物联网技术引入传统实验室将形成集智慧教学、实验管理、设备管理、环境智慧调节、视频监控及远程控制于一体的新型现代化智慧实验室，并将给实验教学与管理带来模式创新与变革。

1 建设方案探索

构建的智慧实验室包含两大模块，一是智慧型实验室管理系统，二是基于PROTEUS的虚拟仿真创新型电工电子实验平台。其中智慧型实验室管理系统由智能门禁及管理系统、智能刷卡取电系统、智能环境感知系统等模块组成；创新型电工电子实验平台则根据课程的教学需求，采用PROTEUS软件平台，用仿真验证实验，并在实际的硬件平台上验证仿真结果。而虚实结合的实验平台也为培养应用型、创新本科人才提供了学习的场地。智慧实验室管理系统框如图1所示。

图1：智慧实验室效果示意图

智慧云实验室建设以追求实现智慧管理及培养创新应用型本科人才为最终目标，实现全面感知，为更深入的数据挖掘应用提供基础。实验室构建采用模块化设计，系统功能易于扩展。本系统将构建实验室即可通过移动终端或PC机对实验室实施管理及服务获取。同时，通过移动互联网，打通师生间的线上沟通渠道，实现实验教学的全面开放，实验教学环境通过智慧互动教学设备，尤其是基于PROTEUS的电工电子实验平台的虚实结合，可进一步提升实验教学质量。

本系统更有利于推进实验教学管理的信息化、规范实验室管理、扩大实验室的对外知名度、降低学生进入实验室的门槛、启迪学生的设计能力和创新能力、改进实验教学设计、积累实验教学成果。

2 智慧云实验室可解决的主要问题

智慧云实验室为教师提供了一个开放式的教学管理平台，同时又创建了一个共创式的实验教学项目环境。

2.1 提高课堂的教学效率

对于传统的电工电子教学课程来讲，授课模式带来很大变革。传统的电工电子课程教学主要是以教师为主，学生更多是被动地接受，学生的积极性和主动性都无法被充分调动起来，为了能够弥补在传统课堂教学中的缺点，智慧云实验室将为学生提供理论转化为实际技能的场所，能够从各方面提供激发学生的积极性和创造性，同时对于学生掌握电工电子的相关知识也是非常有必要的。

2.2 增强学校培养人才实力的需要

应用型本科建设，关键是提升学校的就业率。学生在就业过程中，如果因为缺乏动手能力，使得某些专业学生在就业过程中举步维艰。为了增强学校培养人才的实力，必须要建造开放性实验室，这样不仅可以让学生加深对理论知识的掌握程度，还可以利用实验室的教学，能够将理论与实践相结合，学生的动手能力也得到了一定的提高，才能让学生在激烈的人才竞争中脱颖而出，成为让企业和社会都满意的人才，提高学校的相应就业率。增强学校培养人才的实力，对于提高学校的知名度也有帮助。

2.3 智慧校园的先导

智慧云实验室 (Smart Laboratory)作为智慧校园的重要组成部分，是以物联网技术为核心，利用新一代信息技术为广大师生提供一个全面的智能感知实验环境和综合信息服务平台，实现实验室的智能化、安全化、可视化管理，资源的互联、人员的互动协作以及开放实验室设备资源、教学资源、科研资源的高度信息共享。

3 建设将带来的成果

智慧云实验室更适用于平台课程的教学及实验，如“数字电子技术及实验”、“模拟电子技术及实验”、“电路及实验”，还可以面向创新实验课程“PROTEUS创新实验”。智慧云实验室将带来以下优势：

（1）实验室环境与条件改善：面积、环境、设施、设备、完好率及使用率提高。通过智慧管理，构建在线教学资源库，丰富教学资源。将改善学生上课的规模、素质、实验操作水平，形成无纸化的实验数据采集以及实验报告编写。

（2）实验课程改革建设：扩大实验项目及开出率、结合本项目开展实验项目创新、实验教材建设、实验方法改革等，通过智慧互动教学设备，提升实验教学质量。

（3）以学生为中心的实验教学理念：从学生需求出发，注重学生创新创造能力的提升和培养。学生受益面广，学习方法改革由固定时间改为全面开放实验，打造7×24的无人值守的全面开放实验教学环境，更突出培养学生能够利用所学知识解决复杂工程问题的能力，突出教师科研创新能力培养。

（4）实验室合作交流：通过智慧实验室建设增进高校和企业之间合作交流，实现课程在线资源共享，通过移动互联网，打通师生间的线上沟通渠道，全面感知，为更深入的数据挖掘应用提供基础。

（5）线上线下混合教学的推进：顺应“互联网+”时代教学主体、教学资源与教学媒介等要素的变革与发展，创新信息化条件下的人才培养模式。智慧云实验室在教育教学改革的过程中，将高度重视以信息化为手段，探索建立“线上”虚拟仿真教学与“线下”传统面授教学相结合，通过构建情境、交互、体验、反思为一体的深度学习场域，来增强学生的自主学习意识，培养创新精神，提高实践能力，获得了事半功倍的效果。

虚拟仿真实验教学项目以完整的实验教学项目为基础，推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量全面提高。线上借助智慧云中的虚拟仿真实验平台，可以提供以下丰富内容：

（1）多样的创新教学模式。网络课堂支持普通的Web课程，动画课程，视频课程，实时网络课堂，教学做一体化课程，教师空间等教学模式，并引入协作学习，智能导学，为学生自主学习创造条件。

（2）全方位支持电子信息课程群的虚拟仿真实验。支持基础实验项目，还支持综合实验和设计性实验，并可结合3D技术进行虚拟实训和虚拟实习。系统还具有丰富的虚拟仿真实验辅助功能，包括：多媒体知识点，示范视频，微课，实验报告生成，结果预览与智能评价等。

（3）不断积累的丰富多样的教学资源库。融合多媒体技术，3D建模，AR技术，仿真技术于一体的教学资源库支持多种教学类型，如视频，微课，知识点动画，3D外设模型，PPT课件，实验例程，实验指导书，题库，随堂练习等。随着教学的深入，教师可不断将自己的教学成果添加到系统中。

（4）人性化的用户体验与激励反馈，使学生寓学于乐，教师精益求精。以学生为主体，利用开放式的虚拟仿真实验教学平台，实验指导教师精心设计教学环节和“互动自主式教学”方法，实现从“以教为主”到“以学为主”再到“学教互动”理念的转变。虚拟仿真实验教学不受时间和空间限制，学生可以随时获取教学资源，系统对学生的学习行为，学习效果与成绩进行动态展示与激励，激发学生的学习热情。其关系见图2。2020年的这场抗疫战斗对全国教育教学工作提出了一个极大的挑战。而线上线下混合式教学方式的推进，更为教学工作的推进提供了助力。尤其是实验教学工作，处于智慧云实验室核心的虚拟仿真实验平台，真正做到了以学生为主体，实现了“停课不停学”。

图2：虚拟仿真教学项目的完成构架

4 结论

智慧云实验室是建立一个基于校园网的适用于全校师生的实验室系统。行“理”“虚”“实”一体化教学理念。通过网络化的理论学习，身临其境虚拟仿真实验实训和实际硬件的实操与竞赛，体验从软件到硬件，从产品概念到设计完成，从虚拟到现实的整个电子技术探究过程。智慧云实验室建设的推进，将主动学习和主动获取知识能力的交互式虚拟仿真实验教学平台引入教学系统，通过云管理开放式实验及网络在线学习，实现与学生的“课前”，“课中”，“课后”有机结合的，逐步实现课堂教学与网络教学相结合的混合式教学模式，可以打破传统校园时空限制，实现学生的远程教学和自主学习。