教育信息化2.0背景下高校智慧實驗室建設思路探析

張建華 肖中正

摘要：高校實驗室建設對實驗教學的開展、人才培養(yǎng)有著重要意義?！督逃畔⒒?.0行動計劃》提出了實驗教學資源的開放共享，強調學生個性化發(fā)展，這對高校實驗室提出了更高的建設要求。通過分析高校實驗室在建設和管理方面的現(xiàn)狀，提出了智慧實驗室建設的思路。并對核心要素智慧實驗教學平臺進行了架構分析，為高校實驗室建設提供決策。

關鍵詞：教育信息化2.0;開放共享;智慧實驗室;智慧實驗教學平臺

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）15-0160-02

高校實驗室是進行實驗教學、人才培養(yǎng)的重要平臺，對學生的價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授具有重要意義。隨著大數據、人工智能和5G技術的快速發(fā)展，教育大數據已逐漸形成，實驗教學方式和手段也發(fā)生了深刻變革：未來實驗教學更注重學生個性化發(fā)展、實驗資源共享和資源整合。教育部制定的《教育信息化2.0行動計劃》[1]明確提出：整合各類教學、科研資源，實施教學資源共享計劃;建設智能實驗室，加快高校智能學習體系建設，形成智能化的學習體系。

為推動高校優(yōu)質實驗教學資源開放共享，擴大實驗資源受眾面，迫切需要加快新形勢下的高校智慧實驗室建設。本文通過分析目前高校實驗室建設中存在的基本問題，探析教育信息化2.0背景下高校智慧實驗室建設的基本思路。

1 高校實驗室建設與管理現(xiàn)狀

高校實驗室建設發(fā)展迅速，數量大幅度上漲。然而，高校實驗室在建設和管理過程中仍存在很多問題，很難滿足新形勢下實驗教學變革的需要。

1.1 資源開放共享不足

實驗室開放共享是發(fā)揮對教學科研支撐作用、提高其資源使用效益的重要手段。目前很多實驗室在資源開放共享方面還存在一些問題：實驗課程課時有限，學生難以在有限的課時內提高實踐能力[2];教學資源分散，不同院系間資源分配不協(xié)調，存在“信息孤島”的現(xiàn)象[3];受時間、地點的限制，師生無法隨時隨地利用實驗室資源進行學習;基于實驗室開展的各類實驗項目、獲得的科研成果以及服務社會的數目遠遠不足。

1.2 實驗室管理模式落后

很多高校對實驗室的管理還停留在半人工管理階段，出現(xiàn)的主要問題有：安全監(jiān)測不到位，對實驗室的水電管理、設備運行維護等依賴于手工監(jiān)測，安全隱患多;實驗設備閑置浪費嚴重，管理人員對設備狀態(tài)不清楚;各類報表上報不及時，教師每年需要向學校提交實驗項目表、實驗室基本狀況表等，目前這些都需要教師手工采集數據，延誤了上報時間。

1.3 師資隊伍建設不足

在實驗室建設管理中，存在實驗教學脫節(jié)的現(xiàn)象，專業(yè)教學人員未參與實驗室的規(guī)劃建設中，導致實驗室建設與學科內容相關性小。管理人員職稱、學歷等結構單一，信息技術能力不足，不能對先進的實驗設備進行管理和使用指導。

1.4 機制創(chuàng)新不足

實驗室的機制建設主要問題有：缺乏明確的中長期建設規(guī)劃，實驗室的人才培養(yǎng)定位、社會效用定位不明確;缺乏深層次需求分析和調研，建設內容依舊以采購傳統(tǒng)計算機和教學軟件為主;缺乏相關規(guī)章制度，實驗室責任分工不明確、設備管理混亂;缺乏有效的效果評價機制，以實驗室建設數量和經費使用情況作為部門績效考核目標，建設效果評價單一，導致建設部門重采購、重數量、重任務、輕內容、輕使用。

2 智慧實驗室建設體系分析

智慧化實驗室是實現(xiàn)教育信息化2.0的重要路徑，它通過構建智慧化的教學和管理環(huán)境，引領和促進實驗教學的智能化發(fā)展。賈維丁[4]認為智慧實驗室以信息技術應用為主線，借助物聯(lián)網、云計算等技術，通過感知、物聯(lián)等方式，將實驗室中的基礎設施連接起來，達到智能化管理和監(jiān)控。鐘麗強[5]認為智慧實驗室是利用大數據、智能化控制等技術，將實驗室管理和教學過程有機融合。這些研究工作忽略了與智能化模塊配套運行的人員、體制等要素。從完整的實驗室建設體系考慮，本文認為高校智慧實驗室建設體系應當包含四大要素：

2.1 智慧實驗教學平臺建設

智慧實驗教學平臺是集教學資源采集、智能化實驗、設備和安全管理、智能化實驗過程記錄等為一體的實現(xiàn)校內、外開放共享機制的實驗教學平臺。它是高校實驗室建設的核心內容，它以學生發(fā)展為中心，圍繞“智能化、數據化、共享化”主題進行建設，以解決傳統(tǒng)實驗室在資源共享、資源整合、師資隊伍管理、實驗室管理等方面的問題。

2.2 師資隊伍建設

師資隊伍建設應包含學科帶頭人、專業(yè)教師、管理人員、校外學者等。校外人員的參與加大了實驗室開放共享力度，增加實驗室的社會服務數;同時可以整合更多的教學資源，促進實驗教學內容不斷更新。學校應重視實驗教師隊伍的地位，給予普通教師同等外出培訓的機會;加強職稱、學歷等方面的結構調整;豐富績效考核制度。

2.3 文化環(huán)境建設

文化環(huán)境建設應充分結合實驗室學科發(fā)展的特點，在教學桌椅的色彩和布局、墻面設計、采光照明等方面協(xié)調一致。良好的文化環(huán)境有利于激發(fā)學生學習興趣、創(chuàng)新意識，給學生提供沉浸式的學習體驗，提升實驗教學效果。

2.4 機制體系建設

方堃等[6]認為實驗室建設與管理體制通過機構設置明確高校內部各管理系統(tǒng)的管理范圍、權限職責、利益及其相互關系。王斌男等[7]認為在實驗室建設中重視機制創(chuàng)新，制定支持實驗室建設的長期規(guī)劃，出臺相關政策和規(guī)章制度推進實驗室建設工作。因此，在實驗室建設和管理過程中，為保證實驗室建設的時效性、開放性、可持續(xù)發(fā)展等，必須加強實驗室建設和管理的頂層設計，建立統(tǒng)一領導、多級部門聯(lián)動的分層管理模式。

3 智慧實驗教學平臺建設架構體系

作為智慧實驗室的建設的核心部分，本文對智慧實驗室教學平臺進行架構分析。

3.1 智能硬件層

智能硬件是實現(xiàn)實驗室智能化的基礎支撐。智能硬件由兩個層次組成：傳感器設備和設備控制層?；A的智能設備有：門、多媒體設備、實驗設備、照明系統(tǒng)、電源開關、空調、計算機設備等。這些設備支持通過相應的控制器，實現(xiàn)指令操控，進而接入資源管控系統(tǒng)，實現(xiàn)信息系統(tǒng)自動化控制。

3.2 資源管控系統(tǒng)

在部署完畢大量的智能硬件設備后，必須讓設備可管理、可運維、可監(jiān)控。資源管控系統(tǒng)基于智能設備提供的感知能力，將所有智能設備管理起來，對設備進行統(tǒng)一的監(jiān)控。資源管控系統(tǒng)是上層應用系統(tǒng)訪問智能硬件的唯一入口，所有智能硬件的指令都有資源管控系統(tǒng)授權通過后，發(fā)送到指定設備執(zhí)行。

3.3 私有云存儲

整個智慧實驗室體系會產生大量的業(yè)務數據和監(jiān)控數據。因此該體系能必須有一套可靠的云存儲服務，實現(xiàn)上層各種不斷增加的實驗數據、用戶數據以及其他數據。統(tǒng)一的存儲管理對于上層應用的不斷優(yōu)化擴展，起到支撐作用：上層業(yè)務系統(tǒng)可以輕松共享數據，而避免數據孤島。

3.4 共享資源

共享資源是對可對外部用戶開放的資源的抽象。共享資源可以是硬件資源也可以是實驗相關的信息服務。只要該資源可以按照資源共享協(xié)議，實現(xiàn)對外部用戶進行授權獲取、使用或訪問，皆可注冊到系統(tǒng)中，定義為共享資源。可見，共享資源是靈活可配置的，其核心是滿足可共享性，即實現(xiàn)共享協(xié)議。

3.5 實驗管理系統(tǒng)

實驗管理系統(tǒng)是智慧實驗室的核心業(yè)務管理系統(tǒng)，內部參與者包括系統(tǒng)管理員、資源管理員、教師、學生以及統(tǒng)一資源注冊中心。實驗管理系統(tǒng)直接管理了所有的共享資源和內部人員，實現(xiàn)課程、教學、數據、人員、成績、實驗報告管理等一系列實驗相關的業(yè)務功能。為了與外部機構進行實驗資源共享，實驗管理系統(tǒng)還必須實現(xiàn)資源共享相關的協(xié)議，接入到統(tǒng)一資源注冊中心。因此，統(tǒng)一資源注冊中心也是實驗管理系統(tǒng)的重要參與者。

3.6 統(tǒng)一資源注冊中心

統(tǒng)一資源注冊中心是多機構之間能夠進行資源共享的橋梁，是實現(xiàn)共享資源注冊協(xié)議、統(tǒng)一賬戶、統(tǒng)一認證以及資源的治理協(xié)議。只要共享資源機構遵循這些協(xié)議，即可加入資源共享的聯(lián)盟中，為其他機構提供豐富的共享實驗資源，也可以獲取其他機構提供的共享實驗資源。資源共享的實現(xiàn)方式是通過資源共享協(xié)議完成。共享資源機構在注冊中心完成注冊之后，必須提供資源狀態(tài)檢測接口給注冊中心監(jiān)控;若注冊中心檢測到資源不可用了，則通知最終用戶并停止申請通道。注冊中心提供資源的查詢和申請功能給最終用戶，允許查看所有可訪問的共享資源。

3.7 環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)

安全監(jiān)測是建設智慧共享實驗室的重大前提。在無人值守的環(huán)境下，大量的智能硬件的狀態(tài)、實驗室的安全等問題必須在可監(jiān)控的范圍內運行。同時共享資源開放對外部訪問，網絡安全和數據安全也將面臨重大挑戰(zhàn)。因此，必須建設環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)對環(huán)境、網絡和數據進行監(jiān)控和預警。

4 結束語

在智慧實驗室的建設管理思路中，不僅要考慮智慧實驗教學平臺的建設，更要考慮與之配套的軟文化環(huán)境和機制體系的建設。智慧實驗室建設是一項長期復雜的工程，學校一定要建立詳細的建設規(guī)劃和管理制度，明確責任分工，使得實驗室的資源真正能為實驗教學服務，提高實驗室的成果產出率，確保實驗室價值的最大化。

參考文獻：

[1] 教技[2018]6號文件.教育部關于印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》的通知[Z].

[2] 王文成，侯崇升，吳小進，等.實驗室開放管理的新工科人才培養(yǎng)探索[J].實驗室研究與探索，2019，38（6）：231-234.

[3] 張凱，宋慧寧，楊再明.高校智慧實驗室的構建路徑研究[J].數字教育，2019，5（6）：30-35.

[4] 賈維丁.物聯(lián)網技術在高校智慧實驗室構建中的應用[J].電子技術與軟件工程，2017（5）：32-33.

[5] 鐘麗強，楊芷，蘇淑賢.護理專業(yè)智慧實驗室建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2020，39（9）：286-289.

[6] 方堃，雷敬炎，朱娟蓉，等.高校實驗室建設與管理體制、機制的研究與思考[J].實驗室研究與探索，2019，38（12）：270-273，287.

[7] 王斌楠，黃曉瑞，杜鑾燕，等.面向學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力需求的高校實驗室建設研究[J].教育評論，2019（2）：77-82.

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