新工科建设背景下线上线下融合的智慧实验室建设研究

摘" 要：为满足新工科背景下发展建设新型智慧实验室的时代要求，响应当前信息技术引领下实验教学模式创新需求，搭建线上线下融合的智慧实验室成为高校实验室建设的必然选择。文章以电子信息类实验室为主要研究对象，就高校智慧实验室建设过程中的现状探讨应对策略，以期搭建线上线下融合的智慧电子实验室平台。文章指出，基于集中化管理与分布式协同的建设理念，依托大数据与信息技术实现实验室智能化升级，在智慧管理环境、开放共享管理、师生互动机制、移动教学平台等方面创新实验室管理模式，有利于构建协同高效的实验教学机制，更好地发挥高质量新工科人才培养优势。

关键词：新工科人才;线上线下融合;智慧实验室

中图分类号：G647""" 文献标识码：A""" 文章编号：1673-7164（2024）16-0034-04

在新工业、新经济的发展推动下，工程技术人才需求愈发增多，新工科人才的概念应运而生。[1]“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”指明了我国新工科人才培养内容，[2]包括加强研究和实践、创新工程教育方式与手段、加强合作与交流等。新工科人才培养更加强调学生的实践能力与创新精神，目标是培养能够服务社会经济的高素质创新型人才。实验教学是高校培养学生实践能力的主要方式，为满足新工科人才需求提出的新要求，必须以新型智慧实验室为支撑。[3]

与此同时，在信息技术创新的持续推动下，“互联网+”应用逐渐拓展至教育领域，促进了线上教育的蓬勃发展与多样化。加之新冠肺炎疫情促使线上教育广泛开展，其依托大数据和现代智能技术，利用网络、移动设备等传播媒体，打破了传统教育在地域和时间上的限制，具备较强的互动灵活性和资源共享性，创造了更为便利的教学模式。[4]不可否认的是，因教育教学具有教学设计、师生互动、情感交流等本质特征，单纯的线上教学无法完全取代传统线下的教学方式，因此充分结合二者优势，创新线上线下融合的混合式实验教学体系，是推动工程教育改革的必然趋势。[5]

综上，新工科建设的提出对我国高校工科教育带来了巨大的机遇与挑战，线上线下融合的教学模式也在引领新一轮教学变革。研究新工科背景下智慧实验室建设，对于人才培养方向变革、教学模式创新发展具有重要意义。[6]

一、高校实验教学的现状与问题

（一）线下传统实验室无法满足新时代教学需要

一方面，传统教学实验室是在固定时间、基于固定实验内容、为师生提供固定实验条件。实验操作可以说是“按部就班”，虽然能够满足对学生专业理论知识和实验操作技能的基本训练，但存在创新性不足、学生发挥主观能动性的空间较小、脱离产业实际、实验受空间和时间限制等诸多缺陷，不利于激发学生的学习兴趣，也限制了学生的想象力和主动学习的意识，不利于培养和提升学生的创新能力。[7]

另一方面，传统教学实验室在设备购置时，未能做好前期统筹规划，普遍存在智能化不足的问题，这就容易导致设备利用率低下、资源重复浪费。此外，许多高校始终沿用陈旧落后的实验设备管理系统，设备的运行、维护、管理工作大部分还需要依赖人工操作，效率较低。部分高校虽建有实验室智能化管理系统，却未及时更新迭代，影响了实验教学质量和效率。[8]

（二）单纯的线上实验教学实践性不足

实验教学的主要教学目标是使学生具备自主设计实验，对实验数据进行分析处理，能将理论课程中学到的知识加以灵活应用的能力，能基于理论通过实验操作开展更深入的研究创新。[9]线上实验教学虽然能够解决传统实验室受限于时间和空间的问题，具备较高的灵活性、便利性和交互性，如果过度依赖虚拟仿真实验教学，在一定程度上将会制约学生的主观能动性和创造性，不利于取得良好的实验教学效果，更无法适应新工科和智能制造建设的人才培养需求。此外，线上实验教学存在教学环境的缺失，师生无法进行面对面指导教学，沟通和解决问题的响应度不足，对于学生的个性化需求不能有效满足。学生在对实验仪器的仿真模拟操作时，容易变成“机械化”的操作，教学流于形式，与实际实验工作不够贴合。因此，必须建立线上线下融合的智慧实验室，才能兼具二者优点，实现教学的多元化、个性化、成效化。

（三）目前大部分实验室开放管理模式落后

当前大部分电子信息类实验室的开放管理模式还相对落后，仍然使用较为传统的管理手段。在实验室开放管理工作中，主要是人员登记与现场管理，未能有效应用现代化信息技术。[10]实验室涵盖的设备种类多，同类设备数量也多，实验材料、接线、元件等分布较为密集，学生在使用过程中容易出现各种问题，包括电路设计问题、芯片损坏问题、接触不良问题、仪器操作问题等，实验室日常运行中的设备管理和安全用电等需要重点关注。模拟电路、数字电路实验开展过程使用的耗材数量多、消耗快、价值相差大，更要注意规范管理。总体而言，当前大部分实验室在设备申请使用、开放管理、运行维护等方面，还缺乏智能化设备和平台的协助管理。

二、线上线下融合的智慧电子实验室建设目标

（一）坚持集中化管理与分布式协同的理念

“智慧实验室”基于集中化管理与分布式协同的思想，在现有传统实验室的基础上融合各类人工智能技术，构建业务系统、中台管理及智能预测一体化的智慧实验室生态圈，最终目的是加速实践创新。智慧实验室旨在融合传统实验室与教育信息化以打造智慧化学习环境，指明未来实验室的发展方向与道路。

（二）依托大数据与信息技术实现智能化升级

通过对现有实验室的智能化升级，实现对实验人员身份的智能识别、实验室状态的实时监控、实验设备的远程操控以及线上线下融合应用。实验室管理由传统的粗放式管理转向精细化治理，实现实验室信息管理的自动化，包括耗材的安全、快捷、购置与领用，实验室智能环控、仪器设备的精准计量维保维修等每一个环节都具有可追溯性。

（三）以物联网为基础构建开放共享互动平台

智慧实验室建设要充分利用新兴技术手段，构建以物联网为基础的开放、互动、共享的综合信息平台，实现全方位的实验室监管，促进信息的互联互通，为学生营造良好的实验教学氛围。在实验室建设过程中，充分融合“互联网+”、云计算、物联网等信息技术，实现实验室的物理设备、信息化系统以及操作流程等的智能化管理，构建协同、高效、互联的实验室环境，有助于孵化研究学习成果，更好地发挥人才培养优势。

三、线上线下融合的智慧电子实验室建设路径

（一）搭建电子实验室智慧管理环境

面向新工科人才培养的智慧电子实验室应以信息技术为驱动，建立大数据管理系统，对实验室建筑及其内部房间系统、环境系统、安防系统、能源系统、资产系统等精密仪器专业设施做全面数据整合、同步关联，实现实验室内部系统及仪器设备的信息互联互通，建立整体化、系统化的安全防护和智慧管理，全力保障实验室的安全可控。

在电子实验室配备实操实训室、仿真实训室、制板室、SMT贴片产线等全套仿真、设计、制板、焊接、测试、调试等所必备的各种工具、设备、仪器仪表等硬件设施，充分满足学生开展电子实验室所需的硬件条件，保障实验教学课程正常运行。利用二维码射频标签和摄像监控设备等，将实验室门禁、设备电源、元器件、空调、工具取用柜等硬件设施通过物联网接入智慧实验室管理系统进行统一管理，实时反馈实验教学过程的各种信息。在智能化管理环境中，学生从刷卡进入实验室开始，无论是取用工具耗材、利用设备开展实验，还是实验完成、离开实验，全过程都会留痕。

（二）建立实验室开放共享管理系统

现如今，开放式实验教育已成为推动学生自主学习的主流趋势。因此，在建设实验室之初就应当考虑开放式条件，建设相应的软硬件支持系统，包括电子信息平台实验预约与管理系统、门禁系统、一卡通系统、视频监控系统等，保障实验室开放工作规范有序。针对大部分电子实验室开放共享管理落后的现状，可以创新管理模式，建立实验室管理大数据库，为师生提供便利的预约查询渠道，获取已有的实验设备信息，还可以共享实验操作流程和实验数据等;同时也让实验室管理人员能够随时查看设备使用情况，及时维修故障设备。

教师可以在系统中接入各大网络在线学习平台，充分利用线上教学资源，鼓励学生自主学习。把实验原理、器材介绍、操作过程等内容制作成视频，通过拍摄实验操作视频让学生更加直观、全面地了解电子信息实验的特点与操作方法，让学习方法更加灵活;突破实验教学的时间、空间限制，鼓励实验室全天候开放，强化网络化管理，要求实现对实验室分布状况、设备配置与使用状态、管理员信息、课后开放情况等信息管理自动化，有效提升实验室开放效率。

（三）创设师生互动的实验课程机制

lt;E：＼2023田田＼7-30＼大学·研究与管理202406＼24-6-35.1.jpggt;[师生互动的实验课程机制][在线学习][预习测验][排课/预约][刷卡签到][电源开启][电源关闭][刷卡离开][现场实验][口袋实验][远程在线实验][数据采集][学情分析][实验报告][实验过程大数据]

图2" 师生互动的实验课程机制

首先，建设丰富的线上实验教学资源，辅助线下实验课程的开展。教师可以在学习中心平台上进行在线课程资源建设，如将教学视频、PPT文档等设为任务点让学生自主学习。学生可以利用平台的各种教学资源完成课前预习和课后拓展实验内容的自主学习。传统实验教学过程中，教师对学生的预习情况无法掌握，建设线上实验教学平台可以大大强化实验前预习功能，并把学生完成任务点的情况作为实验成绩考核的一部分，督促学生进行课前预习，充分了解实验内容，为实验的顺利开展创造条件。

其次，完善线上教学过程中的互动机制，提升实验教学工作质量。线上教师完成在线课程建设，将学习内容布置给学生，学生线上自主学习完成视频浏览、线上作业，期间学生之间及师生之间可随时交流讨论，教师可根据平台后台的数据，查看学生的学习情况、讨论情况、测试题完成情况等，根据学生学情制定下一阶段课程教学内容与目标。平台可以采集分析学生学习进度，将实验教学的各阶段成效进行全过程量化，让教师全面、及时了解学生的学习成果和自身的教学不足，以便更好地应对和解决实验教学中存在的问题。

最后，建立科学的实验教学考核与反馈平台，优化学生的学习成效。利用线上实验平台，可以轻易获取学生的预习情况，在实验过程中，可以根据学生对仪器的使用、电路的连接等操作进行打分，实验报告则综合反映出学生的整个实验操作过程，重点考核实验数据是否合理，结果分析是否全面、深入等。要及时反馈实验结果，需充分利用智慧实验教学平台建立线上实验考核机制。学生以作业形式提交实验报告，教师在评语中进行报告批改并通过线上平台反馈给学生，增强师生互动，有利于学生了解实验中存在的问题并在后续实验中加以改进，形成实验教学的内部良性互动闭环，进而提升实验教学质量。

（四）定制“个人实验室”移动教学平台

在软件类、仿真类实验多元化发展的同时，要立足于新工科人才培养对实践能力和创新能力的要求，注重线下硬件类实验的教学与发展。不仅要进一步推动实验室、实训基地、学科竞赛等教学方式的发展，还要加强推动实验教学平台的“可移动化”。可以在配备有示波器、电压源、信号源和频谱仪等测量仪器和实验元器件、电路实物模块的实验室内设置终端，学生可以在任何具备网络条件的地方，通过计算机远程遥控智能实验平台的方式完成和实验室内一样的实验。还可以为学生个性化定制“个人实验室”。通过融合示波器、信号源、电源、频谱仪等电子仪器功能的集成仪器技术，制作微型便携式电子实验处理开发平台。使学生在任何地方，只要将该集成设备连接任意一台电脑、移动手机端，即可搭建属于自己的移动个人电子实验室，进行数据储存、通信、数字钟等基础实验，实现“随时随地开展实验教学”。

四、结语

在“中国制造2025”的创新驱动与战略背景下，培养工程能力强、综合素质高的新工科人才已然成为高校育人目标的重要导向。实验教学是高校应用型人才培养的重要方式，在新工科背景下，结合当前线上教育的蓬勃发展趋势，建设高水平的线上线下融合的智慧电子实验室是高校的必然选择。基于集中化管理与分布式协同的建设理念，依托大数据与信息技术实现实验室智能化升级，在智慧管理环境、开放共享管理、师生互动机制、移动教学平台等方面创新实验室管理模式，有利于构建协同高效的实验教学机制，更好地发挥高质量新工科人才培养优势。

基金项目：教育部产学合作协同育人项目2022年第一批立项项目“新工科背景下线上线下融合的智慧电子实验室平台建设”（项目编号：220500471310939）。

作者简介：晏旭秀（1995—），女，硕士，南京大学实验室与设备管理处科员，助理研究员，研究方向为实验室建设与管理、仪器设备采购与管理。

参考文献：

[1] 王莉，王建鹏，吴才章. 新工科建设背景下自动化专业复合创新型人才培养路径研究与探索——以河南工业大学为例[J]. 河南教育（高等教育），2022（03）：3-4.

[2] 杨婧. 新工科背景下多方协同智能制造型人才培养体系探究[J]. 就业与保障，2022（07）：148-150.

[3] 何建强，陈垚，袁训锋. 新工科背景下专业实验教学体系的改革与探索——以电子信息类专业为例[J]. 无线互联科技，2018，15（22）：85-86.

[4] 李利，韩东，徐池，等. 线上线下混合式实验教学模式构建与实践[J]. 高教学刊，2022，8（30）：113-116.

[5] 冷雪锋，任爱珍，蒋金伟，等. “互联网+”背景下基于在线开放课程的混合式教学模式构建研究[J]. 中国现代教育装备，2022（19）：61-64.

[6] 田景芝，荆涛，郑永杰，等. “新工科”背景下化学专业“双创”实验室建设探索[J]. 实验技术与管理，2019，36（11）：266-269.

[7] 谢发之，宣寒，袁仕祯，等. 应用化学专业实验教学中培养创新人才的思考[J]. 广州化工，2010，38（10）：206-207+213.

[8] 赵小静. 当代智能化视域下高校实验室设备管理探析[J]. 科教导刊：中旬刊，2019（11）：17-18.

[9] 罗怡，丁雪萍，王新鑫，等. 线上线下混合应用的虚拟仿真实验教学模式[J]. 教育教学论坛，2022（10）：153-156.

[10] 王红云. 电子信息类实验室信息化建设与开放管理研究[J]. 中国新通信，2019，21（24）：65.

（荐稿人：章奕晖，南京大学实验室与设备管理处副研究员）

（责任编辑：杨毅恒）