信息化安全科學與工程創新人才培養實驗平臺

陳西江, 章 光, 陳先鋒, 吳 浩, 雷春英

(武漢理工大學 資源與環境工程學院, 武漢 430079)

0 引 言

隨著現代信息技術的不斷發展，為了適應人才培養需求，越來越多的高校實驗平臺也轉為信息化實驗體系，同時隨著“大眾創新，萬眾創業”的不斷開展，高校對人才培養的方向在不斷地向創新型人才培養轉變，而創新人才是指在未來的工作或創業中面向生產、管理等領域的需求[1]，要在學術創新基礎上，不斷進行實踐并服務于社會的優秀人才。我校資環學院的安全科學與工程是新增的一級學科，因此，該學科必須站在時代的前列，培養一批安全學科領域的創新型人才，而安全科學與工程主要包括礦山與巖土安全、工業安全與消防技術、安全監測與信息化及公共安全管理與應急技術，創新實驗教學及實驗平臺的構建是創新人才培養中非常重要的一個部分，是衡量高校教學及科研質量的重要因素[2]。雖然近幾年安全科學與工程的改革取得了顯著的成果，并且已將該學科作為一級學科進行規劃，但是安全科學與工程的創新實驗平臺無法跟上人才培養的發展，實驗設計仍然沿用以前的固化模式，從而無法培養學生的創新實踐意識，實驗平臺也是以前的設備和儀器，并沒有對相關設備進行整合，沒有形成高效的虛擬實驗平臺，從而無法提升創新實踐教學。目前，能夠完全實現創新實踐教學研究與改革資源共享平臺的高校較少[3]；對此，如何在創新實踐教育的基礎上提高學生的創新能力，是安全學科教育必須解決的問題，而建立創新人才培養實驗平臺正是應對這一問題的正確選擇。為此，本文介紹信息化安全科學與工程創新人才培養實驗平臺構建的主要方法和體系、融合及構建主要包括硬件和軟件建設兩部分[4]。硬件部分主要是創新實驗平臺的構建，其主要包括實驗室的大小、儀器設備、實驗平臺及軟件等部分；而軟件部分主要是創新人才培養體系的構建，包括教學方法的創新，實驗教學內容的更新，創新實驗隊伍以及實驗室管理模式[5]改革等。最終在融合硬件和軟件創新實驗平臺基礎上，給出建立信息化安全科學與工程創新人才培養實驗平臺具體形式，以進一步推動我國信息化安全學科實驗教學的發展。

1 安全科學與工程創新人才培養教學需求

由于安全科學與工程涉及的面比較廣且儀器種類比較多，因此，在創新人才培養教學中，既需要考慮創新實踐教學，又需要考慮虛實結合教學。

1.1 創新實踐教學

創新型人才的培養不僅需要對理論研究有深厚的認識和理解，還需要在理論創新的基礎上進行大量的實踐，形成集理論創新和實踐結合的創新型人才[6]。因此，創新人才的培養需要大量創新實踐訓練，創新實踐是實現創新人才培養的重要途徑，也對創新人才培養起到關鍵作用。創新實踐需要利用創新實踐教學來實現，而創新實踐教學不同于傳統的創新教學，也不同于傳統的實踐教學，該教學融合于創新理論及實踐體系。① 要求學生通過基本訓練使學生掌握基本知識、基本方法和基本技能[1]；② 要求學生熟悉理論知識，并對其進行創新創造；③ 要求學生對其理論創新部分進行驗證，判斷其創新的理論體系是否具有普適性；④ 在創新實踐的過程中，要求學生對實驗過程及方案進行自主設計，并自主完成實驗的全過程，啟發學生獨立思考、自主研究探索及自主創新意識，不斷增強學生創新實踐的主觀能動性。學生在創新實踐的過程中，不僅需要調動思維進行發散思考，還需要對其實驗方案、步驟及結果進行想象；⑤ 還要求學生自己動手操作實驗、感官觀測，學會在實驗過程中發現問題、分析問題并及時進行創新實驗更新。經過系統化、循序漸進及不斷理論創新和實踐創新的過程，培養了學生的發散思維、創新意識、實踐能力，直接提高創新實踐人才的培養質量。

1.2 虛實結合教學

由于資環學院安全科學與工程學科的本科生規模不斷擴大，受到設備數量的限制，傳統的實驗教學越來越難以滿足所有學生的教學。而生產實習只能到外單位或企業看一下，更是走馬觀花，流于形式，沒有讓學生動手實踐的機會，因此，無法滿足不同研究興趣及不同能力創新人才的培養需求。對此，在現有創新實踐教學的基礎上，增加虛實結合的教學模式，引入虛擬仿真教學平臺，該平臺依托省部級重點實驗基地， 構建虛實結合的創新實驗仿真系統，為學生提供了動手動腦的創新實驗教學方法。虛擬仿真教學需要對現有的安全學科儀器設備進行仿真， 從而需要利用虛擬現實技術、多媒體、數據庫、人機交互和互聯網技術，通過軟件和硬件的配合，模擬出儀器設備，不僅達到和真實儀器在視覺的類似，如圖1所示。

真實儀器仿真儀器

圖1 仿真儀器與真實儀器的比較

還需要達到和真實儀器功能類似，如圖2所示。

圖2 仿真儀器功能顯示平臺

通過虛實結合的創新教學，一方面有效增強學生實踐能力和創新精神，另一方面有效增強學生自主開發能力，實現可持續教學發展。最終彌補真實實驗教學的不足[7]。

2 信息化安全科學與工程創新實驗平臺的構建

安全科學與工程涉及的方向主要有礦山與巖土安全、工業安全與消防技術、安全監測與信息化及公共安全管理技術，要使學生在該學科具有創新的研究成果，方便學生在不同領域進行學術交叉創新研究，必須搭建多元融合的創新實驗平臺，使學生能夠自如開展學術研究實踐。創新平臺主要包括：信息化礦山巖土安全創新實驗平臺[8]、信息化工業安全監測及預警平臺[9]、智能化公共安全監測平臺。要融合這幾個創新實驗平臺，必須對其平臺的裝備及使用進行詳細剖析，最終實現不同方向創新實驗平臺的連貫和融合。

(1) 信息化巖土及礦山安全創新實驗平臺。構建信息化巖土及礦山安全創新實驗平臺的關鍵是在信息化背景下實現巖土結構及礦山內外的監測，該創新實驗平臺集合了GPS、北斗，三維激光掃描儀，傳感器，無線傳輸設備及三維可視化系統，同時布設了模擬的礦山邊坡和礦山內部巷道及不同巖土結構，而在礦山邊坡搭建了GPS及北斗衛星接收裝置，主要實現對邊坡變化的監測，其GPS和北斗數據處理平臺可實現對衛星信號的實時接收及處理并對其處理結果進行對比分析；傳感器遠程監控數據接收的全天候實驗，提升學生對礦山安全的方案設計能力。三維激光掃描儀主要搭建在邊坡、巷道及不同巖土結構全視角范圍內，可根據需要實現對礦山邊坡、巷道內部的全景三維模型，同時實現對巖土結構三維模型的剖析，增加學生對礦山、巷道及巖土結構的全視角認知能力。無線傳輸設備實時傳輸GPS、北斗及三維激光掃描儀數據，并構建不同數據類型的融合模型，使其能夠在三維可視化系統中實時處理和顯示，加強學生對數據及系統融合的認知能力。同時該平臺是依托安全科學與技術一級學科博士點，以“爆破工程”省精品課程作為支撐點，該創新平臺集成了全球衛星定位集成技術、虛擬現實技術及通信技術，同時在模擬礦山內部設置了室內定位技術，實現對礦山內部人員的實時跟蹤和定位，該創新實驗平臺集成了數據采集、數據傳輸及數據處理設備，內置了Riegl、CAD、3Dmine、SURPAC及cloudcompare軟件進行輔助，該平臺集合了硬件和軟件的集成。

(2) 信息化工業安全監測及預警平臺。在原始的工業安全監測及預警基礎上融合信息化，實現工業安全監測的自動化和智能化，并實現對工業安全監測結果的分析和預警，有利于學生對工業安全生產環節的直觀認識，并能夠在自動化和智能化監測方向進行創新。該創新平臺融合了監測端、傳輸端、分析端及預警端的四位一體的監測網絡，監測端主要采用集成監測終端對模擬的易燃易爆、易腐蝕性及其他危險的工業原料進行不同屬性的監測，如布設CZR-3000、GC210 等監測設備；利用分層無線傳感器網絡，收集不同屬性工業安全監測信息，并將這些信息通過布設的廣域網傳輸到后端分析平臺，由分析端對監測的信息進行過濾處理，并最終將處理結果和預警閾值進行比對，給出預警信息。該創新平臺的構建，幫助學生對不同屬性工業安全信息進行理解，創造性地對四位一體的融合平臺進行創新構建，使學生在信息監測、傳輸、分析及預警領域進行系統創新，給出最佳的融合模型，同時使學生對監測的信息進行系統分析和處理，啟發學生構建不同屬性監測信息的分析模型，并對最終的預警提示給出創新的方案。

(3) 智能化公共安全監測平臺。由于公共安全涉及的領域比較廣且監測指標比較多的原因，因此主要是以信息、智能化、網絡化技術為先導，發展公共安全多功能一體化的監測技術。搭建信息大數據采集及智能化分析系統平臺，并構建基于物聯網技術的感知層、應用層和網絡層的信息系統處理平臺；建立可視化的CCTV閉路電視監控系統，引導學生創造性地開發新一代智能化IP視頻監控技術，結合GIS技術，啟發學生建立具有空間和時間的公共安全監測信息分析平臺，建立一種具有監測終端/GIS融合的公共安全監測系統，確定所發生的安全狀況對周圍環境造成的影響緩沖區間，從而形成集公共安全監測、傳輸及分析的智能化監測平臺，幫助學生創造性地進行公共安全不同屬性信息之間的融合及不同設備之間的連接，同時啟發學生進行公共安全緩沖區間的分析和建模，使得學生在該領域的創新直接對接市場，該平臺的搭建推動學生將自己的創新知識直接應用于公共設施，使其創新實踐得到了廣泛的認可。

3 構建安全科學與工程創新人才培養體系

創新人才的培養主要致力于學生在本學科方向上創新精神、創新能力及研究新方向開創挖掘[10]?？梢妱撔氯瞬诺呐囵B要圍繞本學科方向開展相關研究工作，不僅涉及到學生自主創新意識，也要涉及到學科方向的可塑性，而安全科學與工程學科依托省部級重點實驗室基地，以國家級重點學科為平臺，開展安全生產與防災減災方面的研究，其培養的人才主要致力于在礦山與巖土安全、工業安全與消防技術、安全監測與信息化及公共安全管理技術方面的研究工作。因此，安全科學與工程創新人才培養體系的構建需要緊緊圍繞這四個方向開展相關的創新培養工作。

3.1 創新實踐教育內容體系的構建

以創新創業計劃為契機，推進安全工程創新實踐體系的改革，促進安全工程專業創新人才的培養。為此在大學生創新創業訓練計劃項目的基礎上，構建了安全工程課程設計實驗，創新實驗及綜合訓練實驗在內的創新教育內容體系。通過設計、創新及訓練一體的綜合實驗培養學生思維發散能力，培養學生創新創業實踐能力。目前，該創新系列的實驗實踐項目占據了整個實驗項目的半壁江山。通過創新實驗課設有一體化的創新題目，學生自己選擇設計創新實驗方案，并且該系列創新實驗方案從二年級開始，縱向貫穿二、三、四年級，橫向貫穿整個安全系的學生，學生相互之間不斷討論不斷創新，不斷進行思維碰撞，并引導學生設計實驗思路，培養學生創新意識。將“創新實驗”相關課程列入到大學生教學計劃中，并將歷年立項的國家級、校和院級“大學生創新創業”項目列入到課程管理系統中，同時增加創新創業成功項目的反饋思考。通過二、三、四年級連貫的創新實踐教學的開展和思維模式的創新，強化學生創新意識和創新訓練的實戰能力，提升學生的科研及市場的創新能力。從而建立起知識和創新實踐相結合，三、四年級縱向及學生之間橫向貫通的科學創新創業安全工程專業教育培養體系。

3.2 創新實驗隊伍建設

在現有的安全工程實驗隊伍的基礎上，加強創新隊伍建設，制定創新實驗隊伍建設規劃[11]。加大對現有實驗隊伍的創新培訓力度，合理擴充創新實驗人才數量，優化創新人才的配置。由于21世紀是信息化時代，對創新隊伍的需求也發生了變化[12]，信息化時代下的創新隊伍及創新人才不僅需要創新素質、創新思維及創新精神，還要具備團隊合作意識，同時要懂得與學生進行思維碰撞，善于運用互聯網思維充分調動學生自主創新能力。由于創新實驗隊伍面向大學生，而大學生畢業后直接面對職業人生。因此，對于創新實驗隊伍必須具備培養應用型人才的技能，而應用型創新人才主要是面向單位及企業中的生產、建設和管理等領域中的需求，其不僅要具備學術研究能力，還應該具備職業技能及實踐能力[1]，是介于“學術型、理論型”研究人才和“應用型、技術型”的創新人才[13-14]。該類人才的培養側重于對學術研究及實踐雙重考量，從而要求實驗隊伍具備能夠培養該類人才的能力，不僅要求學歷要高，而且對于年齡需要一定的要求。因此，對于整個創新實驗隊伍的配置，需要優化創新實驗隊伍的學歷結構、職稱結構、年齡結構[15-16]。不同結構的實驗隊伍負責不同方向的創新實驗團隊建設，安全科學與工程創新實驗團隊專職教師是實驗教學的主體，該成員由創新意識強和實踐教學豐富的教師構成，主要負責創新實踐課的規劃與實施，并開展對學生的教學工作，組織有創新經驗的人員對教材進行編寫、優化和更新。創新團隊人員不僅要從事日常的創新管理工作，也要深入到學生中從事創新教學研究工作，并協助專職老師完成學生的創新項目申報，同時進行相關設備的維護等工作。

4 結 語

安全科學與工程學科經過多年的建設與實踐，不斷探索適合于安全學科的創新人才培養教學模式，并向創新教育方向進行轉變。調整傳統的教學實驗模式，樹立以理論創新、思維創新、實踐創新、能力創新為一體的培養思路。以創新理論及創新實踐培養為中心，為學生提供信息化安全科與工程創新實驗平臺，通過在創新實驗平臺上參與的各種創新項目，大大提高了學生自主創新思維、自主實踐能力及科研創新能力，通過虛實結合的教學模式，調動了整個安全學科的實驗設備，開闊了學生眼界并開發了學生自主開發能力，調動了學生創新實踐能力，提高了創新實踐教學質量，降低了創新實踐教學成本。

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