智慧云實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索

劉海珊 李洪芹 劉 瑾 張振華

（上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院 上海 201600）

0 引言

隨著高校應(yīng)用型本科建設(shè)的推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)室更是培養(yǎng)應(yīng)用型本科生的重要基地，也是教師科學(xué)研究的關(guān)鍵場(chǎng)所。當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中常會(huì)遇到一些難題，如各年級(jí)教學(xué)時(shí)間不固定導(dǎo)致排課困難，實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程繁瑣使得教師工作量變得繁重，有限的實(shí)驗(yàn)室資源，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的陳舊，另外還有資料存檔、調(diào)閱困難等等，眾多問題亟待解決，智慧云電子實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建應(yīng)運(yùn)而生。智慧云實(shí)驗(yàn)室將集合傳感技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能硬件技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)等的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與成熟，用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室將形成集智慧教學(xué)、實(shí)驗(yàn)管理、設(shè)備管理、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制于一體的新型現(xiàn)代化智慧實(shí)驗(yàn)室，并將給實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理帶來模式創(chuàng)新與變革。

1 建設(shè)方案探索

構(gòu)建的智慧實(shí)驗(yàn)室包含兩大模塊，一是智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，二是基于PROTEUS的虛擬仿真創(chuàng)新型電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)由智能門禁及管理系統(tǒng)、智能刷卡取電系統(tǒng)、智能環(huán)境感知系統(tǒng)等模塊組成；創(chuàng)新型電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則根據(jù)課程的教學(xué)需求，采用PROTEUS軟件平臺(tái)，用仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)際的硬件平臺(tái)上驗(yàn)證仿真結(jié)果。而虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也為培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新本科人才提供了學(xué)習(xí)的場(chǎng)地。智慧實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)框如圖1所示。

圖1：智慧實(shí)驗(yàn)室效果示意圖

智慧云實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以追求實(shí)現(xiàn)智慧管理及培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型本科人才為最終目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)全面感知，為更深入的數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用提供基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能易于擴(kuò)展。本系統(tǒng)將構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室即可通過移動(dòng)終端或PC機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)施管理及服務(wù)獲取。同時(shí)，通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，打通師生間的線上溝通渠道，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面開放，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境通過智慧互動(dòng)教學(xué)設(shè)備，尤其是基于PROTEUS的電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的虛實(shí)結(jié)合，可進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

本系統(tǒng)更有利于推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的信息化、規(guī)范實(shí)驗(yàn)室管理、擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室的對(duì)外知名度、降低學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的門檻、啟迪學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)、積累實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果。

2 智慧云實(shí)驗(yàn)室可解決的主要問題

智慧云實(shí)驗(yàn)室為教師提供了一個(gè)開放式的教學(xué)管理平臺(tái)，同時(shí)又創(chuàng)建了一個(gè)共創(chuàng)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目環(huán)境。

2.1 提高課堂的教學(xué)效率

對(duì)于傳統(tǒng)的電工電子教學(xué)課程來講，授課模式帶來很大變革。傳統(tǒng)的電工電子課程教學(xué)主要是以教師為主，學(xué)生更多是被動(dòng)地接受，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性都無法被充分調(diào)動(dòng)起來，為了能夠彌補(bǔ)在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中的缺點(diǎn)，智慧云實(shí)驗(yàn)室將為學(xué)生提供理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際技能的場(chǎng)所，能夠從各方面提供激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，同時(shí)對(duì)于學(xué)生掌握電工電子的相關(guān)知識(shí)也是非常有必要的。

2.2 增強(qiáng)學(xué)校培養(yǎng)人才實(shí)力的需要

應(yīng)用型本科建設(shè)，關(guān)鍵是提升學(xué)校的就業(yè)率。學(xué)生在就業(yè)過程中，如果因?yàn)槿狈?dòng)手能力，使得某些專業(yè)學(xué)生在就業(yè)過程中舉步維艱。為了增強(qiáng)學(xué)校培養(yǎng)人才的實(shí)力，必須要建造開放性實(shí)驗(yàn)室，這樣不僅可以讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，還可以利用實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)，能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生的動(dòng)手能力也得到了一定的提高，才能讓學(xué)生在激烈的人才競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，成為讓企業(yè)和社會(huì)都滿意的人才，提高學(xué)校的相應(yīng)就業(yè)率。增強(qiáng)學(xué)校培養(yǎng)人才的實(shí)力，對(duì)于提高學(xué)校的知名度也有幫助。

2.3 智慧校園的先導(dǎo)

智慧云實(shí)驗(yàn)室 (Smart Laboratory)作為智慧校園的重要組成部分，是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，利用新一代信息技術(shù)為廣大師生提供一個(gè)全面的智能感知實(shí)驗(yàn)環(huán)境和綜合信息服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯(lián)、人員的互動(dòng)協(xié)作以及開放實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源、教學(xué)資源、科研資源的高度信息共享。

3 建設(shè)將帶來的成果

智慧云實(shí)驗(yàn)室更適用于平臺(tái)課程的教學(xué)及實(shí)驗(yàn)，如“數(shù)字電子技術(shù)及實(shí)驗(yàn)”、“模擬電子技術(shù)及實(shí)驗(yàn)”、“電路及實(shí)驗(yàn)”，還可以面向創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程“PROTEUS創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”。智慧云實(shí)驗(yàn)室將帶來以下優(yōu)勢(shì)：

（1）實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與條件改善：面積、環(huán)境、設(shè)施、設(shè)備、完好率及使用率提高。通過智慧管理，構(gòu)建在線教學(xué)資源庫，豐富教學(xué)資源。將改善學(xué)生上課的規(guī)模、素質(zhì)、實(shí)驗(yàn)操作水平，形成無紙化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫。

（2）實(shí)驗(yàn)課程改革建設(shè)：擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及開出率、結(jié)合本項(xiàng)目開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)、實(shí)驗(yàn)方法改革等，通過智慧互動(dòng)教學(xué)設(shè)備，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

（3）以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念：從學(xué)生需求出發(fā)，注重學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的提升和培養(yǎng)。學(xué)生受益面廣，學(xué)習(xí)方法改革由固定時(shí)間改為全面開放實(shí)驗(yàn)，打造7×24的無人值守的全面開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，更突出培養(yǎng)學(xué)生能夠利用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力，突出教師科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

（4）實(shí)驗(yàn)室合作交流：通過智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)增進(jìn)高校和企業(yè)之間合作交流，實(shí)現(xiàn)課程在線資源共享，通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，打通師生間的線上溝通渠道，全面感知，為更深入的數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

（5）線上線下混合教學(xué)的推進(jìn)：順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代教學(xué)主體、教學(xué)資源與教學(xué)媒介等要素的變革與發(fā)展，創(chuàng)新信息化條件下的人才培養(yǎng)模式。智慧云實(shí)驗(yàn)室在教育教學(xué)改革的過程中，將高度重視以信息化為手段，探索建立“線上”虛擬仿真教學(xué)與“線下”傳統(tǒng)面授教學(xué)相結(jié)合，通過構(gòu)建情境、交互、體驗(yàn)、反思為一體的深度學(xué)習(xí)場(chǎng)域，來增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高實(shí)踐能力，獲得了事半功倍的效果。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，推動(dòng)高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目示范新體系，支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量全面提高。線上借助智慧云中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以提供以下豐富內(nèi)容：

（1）多樣的創(chuàng)新教學(xué)模式。網(wǎng)絡(luò)課堂支持普通的Web課程，動(dòng)畫課程，視頻課程，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)課堂，教學(xué)做一體化課程，教師空間等教學(xué)模式，并引入?yún)f(xié)作學(xué)習(xí)，智能導(dǎo)學(xué)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件。

（2）全方位支持電子信息課程群的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。支持基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還支持綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，并可結(jié)合3D技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)和虛擬實(shí)習(xí)。系統(tǒng)還具有豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助功能，包括：多媒體知識(shí)點(diǎn)，示范視頻，微課，實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成，結(jié)果預(yù)覽與智能評(píng)價(jià)等。

（3）不斷積累的豐富多樣的教學(xué)資源庫。融合多媒體技術(shù)，3D建模，AR技術(shù)，仿真技術(shù)于一體的教學(xué)資源庫支持多種教學(xué)類型，如視頻，微課，知識(shí)點(diǎn)動(dòng)畫，3D外設(shè)模型，PPT課件，實(shí)驗(yàn)例程，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，題庫，隨堂練習(xí)等。隨著教學(xué)的深入，教師可不斷將自己的教學(xué)成果添加到系統(tǒng)中。

（4）人性化的用戶體驗(yàn)與激勵(lì)反饋，使學(xué)生寓學(xué)于樂，教師精益求精。以學(xué)生為主體，利用開放式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)和“互動(dòng)自主式教學(xué)”方法，實(shí)現(xiàn)從“以教為主”到“以學(xué)為主”再到“學(xué)教互動(dòng)”理念的轉(zhuǎn)變。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不受時(shí)間和空間限制，學(xué)生可以隨時(shí)獲取教學(xué)資源，系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，學(xué)習(xí)效果與成績(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示與激勵(lì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。其關(guān)系見圖2。2020年的這場(chǎng)抗疫戰(zhàn)斗對(duì)全國教育教學(xué)工作提出了一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。而線上線下混合式教學(xué)方式的推進(jìn)，更為教學(xué)工作的推進(jìn)提供了助力。尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，處于智慧云實(shí)驗(yàn)室核心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，真正做到了以學(xué)生為主體，實(shí)現(xiàn)了“停課不停學(xué)”。

圖2：虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的完成構(gòu)架

4 結(jié)論

智慧云實(shí)驗(yàn)室是建立一個(gè)基于校園網(wǎng)的適用于全校師生的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。行“理”“虛”“實(shí)”一體化教學(xué)理念。通過網(wǎng)絡(luò)化的理論學(xué)習(xí)，身臨其境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和實(shí)際硬件的實(shí)操與競(jìng)賽，體驗(yàn)從軟件到硬件，從產(chǎn)品概念到設(shè)計(jì)完成，從虛擬到現(xiàn)實(shí)的整個(gè)電子技術(shù)探究過程。智慧云實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的推進(jìn)，將主動(dòng)學(xué)習(xí)和主動(dòng)獲取知識(shí)能力的交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)引入教學(xué)系統(tǒng)，通過云管理開放式實(shí)驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)與學(xué)生的“課前”，“課中”，“課后”有機(jī)結(jié)合的，逐步實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，可以打破傳統(tǒng)校園時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的遠(yuǎn)程教學(xué)和自主學(xué)習(xí)。