基于創(chuàng)新實驗室的學(xué)生實踐能力培養(yǎng)探討＊

弓偉，曹東，門韶洋，羅曉牧

?

基于創(chuàng)新實驗室的學(xué)生實踐能力培養(yǎng)探討＊

弓偉，曹東，門韶洋，羅曉牧

（廣州中醫(yī)藥大學(xué)，廣東 廣州 510006）

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)具有實踐能力與創(chuàng)新人才的重要基礎(chǔ)，大學(xué)生實踐動手能力的提高已經(jīng)成為當(dāng)前我國高等教育亟待加強的重要任務(wù)之一。高校實驗室作為開展實踐教學(xué)和科學(xué)研究的重要平臺，其傳統(tǒng)的建設(shè)和管理模式弊端愈發(fā)突顯，亟待改進(jìn)。提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用于高等院校的創(chuàng)新實驗室架構(gòu)，探討該架構(gòu)下各功能模塊的設(shè)計?；诖藙?chuàng)新實驗室，開展多層次的學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)活動，真正做到以學(xué)生為中心，有效促進(jìn)學(xué)生實踐能力的提升。

物聯(lián)網(wǎng)；創(chuàng)新實驗室；實踐能力；創(chuàng)新能力

1 概述

2017-09，教育部長陳寶生曾在《人民日報》撰文，提出傳統(tǒng)的授課模式根本無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與實踐能力，課堂教學(xué)改革是教育改革的核心，吹響了“課堂革命”的號角。前教育部長周濟(jì)也曾指出：“知識來源于實踐，能力來源于實踐，素質(zhì)更要在實踐中不斷提高?！备鶕?jù)麥可思研究院的一項調(diào)查顯示，近70%的本科生和近60%的高職高專畢業(yè)生認(rèn)為，母校教學(xué)最需要改進(jìn)的地方為實習(xí)和實踐環(huán)節(jié)不夠。顯然，高等學(xué)校實習(xí)實踐環(huán)節(jié)成為了教學(xué)改進(jìn)的重點。大學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為當(dāng)前我國高等教育亟待加強的重要任務(wù)之一，而高校實驗室是提高大學(xué)生實踐動手能力的重要平臺[1-2]。大學(xué)生在國家“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”改革思路的引領(lǐng)下對于高校實驗室的建設(shè)要求越來越高，高校自身對于實驗室管理工作的要求不斷精細(xì)化和科學(xué)化，面對規(guī)模日益龐大、日趨繁雜的實驗室管理工作，傳統(tǒng)的實驗室建設(shè)和管理模式弊端愈來愈明顯[3-4]，已經(jīng)不能充分滿足提高學(xué)生實踐能力的需求，新型的高校實驗室呼之欲出。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新實驗室

物聯(lián)網(wǎng)的概念最初是由美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Kevin Ash-ton教授在1999年首次提出的。2009年IBM公司首次提出“智慧地球”的概念，建議美國政府投資新一代的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。2009-08，溫家寶總理在“感知中國”的講話中把我國物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用開發(fā)推向了高潮，物聯(lián)網(wǎng)成為國家新興產(chǎn)略性產(chǎn)業(yè)之一。

基于物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新實驗室可以視為“智慧地球”概念的具體場景應(yīng)用——“智慧實驗室”[5]。傳統(tǒng)的高校實驗室由于各項資料和信息主要靠人工收集和整理，導(dǎo)致管理效率低；大部分實驗室只在上課期間供學(xué)生實驗教學(xué)使用，而在周末等非上課期間閑置，造成實驗室資源的極大浪費，使用效率低；各實驗室一般劃歸給各院系管理，各實驗室之間信息溝通不暢通，成為信息孤島。國外高校的實驗室管理較為先進(jìn)，但由于國外高校的實驗室管理模式與國內(nèi)差異較大[6]，在借鑒國外經(jīng)驗時必須要結(jié)合國內(nèi)的實際情況。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，充分考慮高等院校實驗室的應(yīng)用場景和管理模式，提出基于物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗室的架構(gòu)模型，采用三層體系結(jié)構(gòu)[7-9]，如圖1所示。

圖1 創(chuàng)新實驗室架構(gòu)體系

在典型物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分考慮控制反饋的功能，實現(xiàn)對設(shè)備感知層相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制的同時，同步獲取實時數(shù)據(jù)，形成雙向數(shù)據(jù)交互，并通過網(wǎng)絡(luò)平臺層將海量數(shù)據(jù)集中存儲在網(wǎng)絡(luò)平臺層的服務(wù)器中。主控臺計算機對數(shù)據(jù)加以分析利用，實現(xiàn)對相關(guān)事務(wù)的智能管理。

設(shè)備感知層包含了創(chuàng)新實驗室用到的各種信息傳感設(shè)備，負(fù)責(zé)獲取實驗室相關(guān)的設(shè)備、環(huán)境等狀態(tài)信息，并按照約定的通訊協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)平臺層傳遞給主控計算機分析處理。其中，溫度、濕度等傳感器負(fù)責(zé)實驗室環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測，門禁裝置和閘機系統(tǒng)負(fù)責(zé)實驗室出入的權(quán)限管理，防盜系統(tǒng)保障實驗室的財產(chǎn)安全，視頻監(jiān)控系統(tǒng)便于遠(yuǎn)程監(jiān)控實驗室的使用狀態(tài)。

主控計算機根據(jù)從設(shè)備感知層獲取的信息以及數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，將有關(guān)控制指令通過網(wǎng)絡(luò)平臺層傳遞給設(shè)備感知層的各種設(shè)備，從而實現(xiàn)閉環(huán)的控制。最上層的業(yè)務(wù)系統(tǒng)層可以靈活搭配豐富多樣的拓展應(yīng)用模塊，最大程度滿足學(xué)校、學(xué)院、實驗室等使用者和管理者的需求，實現(xiàn)實驗室相關(guān)工作的全過程智能化管理，使管理工作從粗放式向精細(xì)化轉(zhuǎn)變，達(dá)到提高管理水平的目的。

3 創(chuàng)新實驗室架構(gòu)體系各層介紹

設(shè)備感知層是實現(xiàn)創(chuàng)新實驗室的物理基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗室要求所有的儀器設(shè)備狀態(tài)、實驗室環(huán)境狀態(tài)、電路工作狀態(tài)等所有與實驗室運行相關(guān)的信息和參數(shù)都可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺層按照約定的通訊協(xié)議傳輸給主控計算機。

根據(jù)溫濕度傳感器對環(huán)境溫度的實時監(jiān)測[10]，控制空調(diào)系統(tǒng)的適時工作，節(jié)能環(huán)保；所有的儀器設(shè)備與智能中控裝置連接，具備斷電續(xù)航和離線運行管理功能，保證在各種情況下實驗室的正常工作；當(dāng)學(xué)生在網(wǎng)上預(yù)約使用實驗室并獲得批準(zhǔn)后，便可以在預(yù)約規(guī)定的時間內(nèi)通過刷卡或人臉識別等方式自由出入實驗室，即獲得對門禁和閘機系統(tǒng)的控制權(quán)；所有的用電儀器設(shè)備受智能電源分配單元的控制，當(dāng)學(xué)生在網(wǎng)上預(yù)約使用儀器設(shè)備時，在預(yù)約規(guī)定的時間內(nèi)智能電源分配單元便可控制相應(yīng)的儀器設(shè)備通電工作，并實時監(jiān)測電流、電壓和電功率，防止過流、過壓和過載；防盜系統(tǒng)采用聲磁防盜門，避免射頻防盜門易受金屬等物品而產(chǎn)生誤報的問題，實現(xiàn)幾乎零誤報。實驗室內(nèi)所有的儀器設(shè)備都會貼上ID值唯一的聲磁標(biāo)簽，做到物品與標(biāo)簽一一對應(yīng)，當(dāng)有人試圖將實驗室內(nèi)的物品拿出時，防盜系統(tǒng)可以對應(yīng)到相應(yīng)的標(biāo)簽，即相應(yīng)的物品。

網(wǎng)絡(luò)平臺層是實驗室的電氣、實驗設(shè)備等與遠(yuǎn)程主控計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的通道，根據(jù)實際需要決定服務(wù)器的容量等配置信息，是否將此校園局域網(wǎng)接入公網(wǎng)等。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層實現(xiàn)的功能包括課程實驗管理、開放/創(chuàng)新實驗管理、實驗室數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、大型儀器共享等模塊[11]。針對教學(xué)任務(wù)內(nèi)的課內(nèi)實驗，實現(xiàn)教學(xué)實驗自動化，即自動簽到、自主預(yù)習(xí)及實驗、實驗結(jié)果一鍵上傳、在線作業(yè)、線上批改等實驗全過程自動化；針對全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、電子設(shè)計競賽以及“挑戰(zhàn)杯”等全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽，實現(xiàn)實驗室的全天候預(yù)約開放使用，即在線預(yù)約、信息提醒、實時掌控儀器使用狀態(tài)，權(quán)責(zé)明晰，實現(xiàn)儀器管理使用全過程信息化；創(chuàng)建智慧型學(xué)習(xí)平臺，根據(jù)不同課程上傳教育資源，提供針對性的使用指導(dǎo)，實現(xiàn)學(xué)生自主實驗，減少教師的重復(fù)性勞動，減少實驗室管理人員的負(fù)擔(dān)；為學(xué)生提供儀器性能、位置、狀態(tài)等信息，為學(xué)生提供全天候智慧教學(xué)體驗；根據(jù)系統(tǒng)在使用過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，可進(jìn)行大數(shù)據(jù)的分析[12]，自動生成豐富的報表，為管理部門的決策提供強有力的數(shù)據(jù)支持，精準(zhǔn)定量評價實驗室的各項指標(biāo)。

4 創(chuàng)新實驗室對提高學(xué)生實踐能力的促進(jìn)作用

高校實驗室作為提高大學(xué)生實踐動手能力的重要平臺，在當(dāng)今時代背景下存在以下矛盾：教學(xué)實驗創(chuàng)新性需求與傳統(tǒng)教學(xué)管理模式之間的矛盾，教學(xué)實驗自動化管理與教師繁重的教學(xué)實驗任務(wù)之間的矛盾，學(xué)生自主實驗?zāi)芰Πl(fā)展與教學(xué)實驗室開放程度不夠之間的矛盾，校園信息化建設(shè)與實驗室信息孤島之間的矛盾。

根據(jù)上述分析，基于物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新實驗室為有效解決這些矛盾提供了思路和參考。打破信息孤島，統(tǒng)籌全部資源，智慧化開放管理，實驗室管理從以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，提高學(xué)生提升實踐動手能力的主觀能動性。基于物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新實驗室，創(chuàng)新的基礎(chǔ)在于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，創(chuàng)新的核心在于實驗室的管理方式，創(chuàng)新的著力點在于激發(fā)學(xué)生的實踐興趣，創(chuàng)新的目的在于提高學(xué)生的實踐能力[13]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新實驗室集基礎(chǔ)實驗室、專業(yè)實驗室、創(chuàng)新實驗室、科研實驗室為一體，對學(xué)生實行全面開放，滿足了不同層次學(xué)生的個性化需求，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新實踐能力的人才奠定了堅實基礎(chǔ)。

［1］楊曉慧.我國高校創(chuàng)業(yè)教育與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)研究［J］.中國高教研究，2015（1）：39-44.

［2］林健.新工科建設(shè)：強勢打造“卓越計劃”升級版［J］.高等工程教育研究，2017（3）：7-14.

［3］劉昌鑫，陳慧娟，歐陽春娟，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的高校智慧實驗室構(gòu)建探析［J］.中國教育信息化，2016（7）：54-56.

［4］劉風(fēng)華，潘江如.加拿大高校工程實踐能力培養(yǎng)模式及啟示［J］.實驗技術(shù)與管理，2017，34（4）：272-274.

［5］曲娜，盛桂珍，楊海波.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧開放實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計［J］.實驗技術(shù)與管理，2015，32（12）：140-142.

［6］鄧曉梅.基于國外先進(jìn)經(jīng)驗的高校實驗室管理策略［J］.課程教育研究，2016（22）：14.

［7］韓會龍.基于ZigBee的高校智慧實驗室環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀器儀表與分析監(jiān)測，2016（3）：38-41.

［8］賴程鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實驗室的研究與設(shè)計［D］.北京：華北電力大學(xué)，2015．

［9］周春月，閏子淇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實驗室架構(gòu)研究［J］.實驗室研究與探索，2014，33（5）：239-243.

［10］張曉翟.基于ZigBee的實驗室溫濕度集中監(jiān)測系統(tǒng)［D］.哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2011.

［11］彭一明，范雪松，龍新征.構(gòu)建物聯(lián)、互聯(lián)、智能化的智慧計算機實驗室［J］.實驗技術(shù)與管理，2016，33（2）：216-219.

［12］王洋洋，張黎偉，黃凱，等.加強信息化建設(shè)建立儀器設(shè)備信息可追溯性管理［J］.實驗技術(shù)與管理，2016，33（4）：239-242.

［13］陸錦沖.大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的構(gòu)建與實現(xiàn)［J］.中國高等教育，2012（23）：55-56.

2095－6835（2018）24－0068－02

C829.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.068

弓偉（1983—），男，山西長治人，碩士，講師，工程師，主要研究方向為醫(yī)療電子儀器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

廣東省教育廳2017年重點平臺及科研項目青年創(chuàng)新人才類項目（項目編號：2017KQNCX040）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕