信息化條件下高校實驗室拓展建設的思考與實踐

肖曉強，周麗濤，龍 軍

（國防科技大學 計算機學院，湖南 長沙 410073）

1 背 景

實踐教學是提高大學生創新能力的有效途徑在各高校中已經形成廣泛共識，實驗室在創新教育體系中的重要作用日益凸顯，國家一直高度重視實踐育人的作用。2012年，教育部等七部委聯合發布的《關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》[1]中指出，要“加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設，依托現有資源，重點建設一批國家級實驗教學示范中心”，各高校要“努力建設教學與科研緊密結合、學校與社會密切合作的實踐教學基地”，有條件的高校要“強化現場教學環節”。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》[2]也把加強實驗室等基本建設作為高等教育提高人才培養質量的重要建設內容，把建設虛擬實驗室作為加強優質教育資源開發與應用的重要舉措。

為推動高等學校實驗教學改革和實驗教學中心建設與發展，促進優質教學資源整合與共享，深化創新創業教育改革，實現高等教育人才培養水平的不斷提升，教育部從2005年開始啟動國家級實驗教學示范中心建設。直至2015年，全國共建設901個國家級示范中心，涵蓋33個學科，在提升實驗教學水平、搭建交流平臺、完善實踐教學體系、創新人才培養模式等方面建設成果顯著，極大地推動了我國高校實驗教學改革和實驗條件改善，進一步完善了高校實驗教學管理體系，促進了高校優質教學資源的整合與共享，提升了學校辦學水平和教育質量，有力地推動了學生動手能力、實踐能力和創新能力培養，對大學生創業、國家科技創新、社會經濟可持續發展等起到重要的促進作用[3-4]。

2 建設理念與思路

信息化條件下的實驗室拓展建設必須考慮到學習者本身的特點，特別是近年來信息技術對學習方式變革產生的影響以及對國家級實驗教學示范中心的建設需求。

2.1 以學生為中心，創新實踐教學環境

實驗室面對的學生是在網絡和數字環境下成長起來的新一代新型學習者——網絡一代（net generation），他們的生活方式、工作方式和學習方式都發生了較大變化。通過對新型學習者的研究可以發現，他們具有傾向于分組活動（group activity）、目標和成就導向（goal and achievement orientation）、可以一心多用（multitasking）、喜歡動手實驗（experimental，trial and error）、嚴重依賴網絡（heavy reliance on network access）、實用主義和善于歸納（pragmatic and inductive）、喜歡視覺表達（visual）、喜歡交互（interactive）等特征[5]，因此，實踐教學環境必須有針對性地考慮到這些特征。在硬件環境資源布局中，要設計個性化、易于調整的分組合作空間，提供寬敞的機位便于擺放各種工具，方便快捷的網絡接入，融合各種新型IT技術和便于使用的各種實驗室軟硬件資源，以及共享顯示環境和打印系統等；在軟環境配置時，需要提供實驗過程監控和實驗效果分析的相關應用，使學生可以及時得到教師的指導與幫助。

2.2 支持各種學習方式，突出創新能力培養

實驗是教學過程的重要環節，實驗室是信息技術在教學中的重要應用領域，美國新媒體聯盟地平線項目系列報告已經成為國際教育信息化的風向標[6]。2017年，北京師范大學智慧學習研究院與美國新媒體聯盟聯合發布了第一個針對中國高等教育新興技術應用狀況的地平線報告，即中國高教版《地平線報告》[7]，報告指出翻轉課堂、移動學習、創客空間和大規模開放在線課程MOOC被認為將在未來一年之內取得重要進展。

翻轉課堂是混合式學習的重要呈現方式。對實驗室而言，就是要利用信息技術豐富傳統實驗方式，實現遠程虛擬實驗和現場實驗的優勢互補，為實驗教學提供更高的靈活性，使學生能夠時時學、處處學。

移動學習不僅僅是簡單地利用移動設備學習知識、支持學習過程的改進和拓展，還強調在生活環境和實際情境中進行學習[8]。這就要求實驗室盡可能提供與學生未來研究或工作相同的實驗場景。

創客空間是一種物理化的制造空間、人際化的共享空間和社會化的服務空間，實驗室模式是創客空間的主要組織模式之一[9]。實驗室建設必然需要依托于學校的高水平科技創新平臺，鼓勵體驗式學習、學科交叉、團隊協作和開放共享，實現創意、創新與創業的一體化。

MOOC的誕生與發展使開放教育從單純的資源共享轉變為課程與教學模式革新，作為實驗室也要積極應對這種變革提出的新需求。作為MOOC的拓展，國防科技大學提出的大規模在線開放研究MOORE（massive online open research）[10]對于激發創新技能和完善創新機制具有重要意義。

2.3 促進IT新技術在實驗室中的拓展應用，發揮示范作用

隨著新技術對實踐教學內容和教學方式的影響日益加深，各高校已經認識到實驗室再也不僅僅是儀器設備和場地的簡單累加，形成了以計算機國家級實驗教學示范中心（清華大學）提出的“五個轉變”為代表的一些共識[11]。人工智能、大數據、云計算是新興IT技術的典型代表，這些技術在實驗室中的廣泛、深度應用是國家級實驗教學示范中心建設的必然要求。

實驗室中的人工智能涵蓋課程知識學習、實驗過程監控與分析、實驗資源管理與運維等諸多方面，目前主要包括智能門禁系統、智能傳感網絡、智能視頻監控系統等。中國高教版和全球高教版《地平線報告》不約而同地把人工智能作為未來4～5年內可能被應用到教育中的技術，這當然也包括在實驗室中的應用。

實驗室中產生的數據包括資源的運行情況、各種學習的歷史數據等。根據大數據分析結果，實驗室管理者可以做出合理的決策和應對各種教學統計分析，教師可以有效制訂教學策略，學生可以開展個性化學習。如何對大數據進行有效管理，充分發揮大數據的優勢，成為目前該技術應用的挑戰性問題。

云計算在實驗室信息化中具有許多優勢，包括降低硬件成本、避免重復采購，簡化資源配置過程、提高實驗室運維效率，通過虛擬化技術優化資源、提升資源利用率等。目前，許多高校都建設了服務器集群和數據中心，利用虛擬桌面開展實驗教學，研發了基于互聯網的開放云實驗平臺。

教育部要求“十二五”建設的國家級實驗教學示范中心應具有先進的實驗教學信息化水平[12]，因此，實驗室要推進信息技術與實驗教學深度融合，不斷豐富信息化實驗教學資源，通過統一的信息化管理平臺實現各種實驗設備資源的高效利用和開放共享，推動實驗教學過程管理的信息化，并通過國家級實驗教學示范中心這個平臺積極發揮輻射和引領作用。

3 實驗室拓展建設實踐與成效

國防科技大學計算機教學實驗中心（下文簡稱中心）依托國防科技大學計算機學院計算機科學與技術、軟件工程一級學科進行建設，主要服務學院計算機科學與技術、網絡工程等6個專業的本科人才培養以及相關專業的研究生培養，并支撐全校計算機公共基礎教學和信息大類計算機專業的相關教學實踐任務；同時，通過接待參觀、舉辦教學研討會等方式，加強實驗體系、實驗案例、實驗教材、實驗平臺等的對外輻射，不斷發揮示范效益。經過多年實踐，中心在高水平實踐教學體系、教學與科研相結合的實驗教學環境、與用人單位聯合育人機制等方面形成了自己的特色。中心在2009年獲評湖南省實踐教學示范中心，2013年入選計算機國家級實驗教學示范中心。“十二五”期間，依托學校重點建設，中心在實驗場地和經費上獲得重大支持，如何在信息化條件下進行實驗室拓展建設，中心開展了一些規劃思考和有效實踐。

3.1 支持完整實踐教學體系的實踐環境

在充分調研國內外實驗中心建設經驗和授課教師實際需求的基礎上，中心對實驗用房進行了合理規劃。除了傳統的實驗機房外，大部分房間被設計成支持研討的活動空間，配備了可移動、可折疊的桌椅和可滑動的白板，能夠根據完整的實踐教學體系中各種不同的實踐需求進行靈活布置。每個機位設置多層空間便于擺放實驗儀器和學習用品，設置多個插頭便于學生使用各種電子產品。整個實驗室內部全部由玻璃隔斷并配以可升降窗簾，這種通透的設計允許教師、管理人員甚至是學生觀察實踐過程，方便實驗教學與管理，并可以鼓勵學生間的相互學習與合作。中心機房整合了所有的授課視頻、音頻和網絡信號線，可以方便地將多個小教室組合成一個大教室。公共空間也被整合成實驗場地，提供可移動的休閑座椅，成為報告廳、機器人/無人機實驗場地以及成果展示場所。

室內線路布局時重點考慮有效利用空間、方便檢修、降低安全隱患等問題，另外還特別考慮將實驗室走線作為網絡工程見習的教學內容進行設計。采用工業式裸裝風格，所有跨房間的網絡走線全部采用開放式橋架上走線，房間內走線采用玻璃防靜電地板開放式橋架下走線，從交換機到機房的網絡走線全部暴露在外面。學生可以仔細看清網絡是如何在實際應用場景中架設的，了解從中心機房到各個房間的網絡是如何走線的。這種做法能夠對學生消化吸收網絡工程相關內容起到很好的幫助作用，開放式橋架中整齊規范的走線鋪設可以潛移默化地培養學生的網絡工程素養。

3.2 基于教學網的遠程實驗和虛擬實驗環境

實驗教學資源的拓展一直是中心建設的主要任務之一。近年來，中心依托學院高水平科研，自主研發實驗平臺或者將科研成果直接轉化為實踐教學平臺或實踐教學案例，按照專業方向組建遠程實驗和虛擬實驗，建立“學習社區”實現實驗案例資源的共享，并通過學院自主研制的教學網（可以連入Internet）進行推廣。這些平臺資源的建設可以有力地促進各種實驗方式的優勢互補以及各種實踐學習方式的革新。

硬件相關專業依托“天河陽光”平臺建設案例資源，并基于云技術實現了硬件實驗平臺的遠程共享，包括“天河陽光”硬件綜合實驗平臺、示波器、萬用表、邏輯分析儀等的遠程訪問。目前該平臺在教育科研網格上設有10套開發板部署，在教學網上完成了20套開發板部署，并給出了硬件系列課程實驗案例（http://202.197.9.243:8081）。

軟件相關專業依托Trustie平臺（http://course.trustie.net）建設案例資源，該平臺來自國家863計劃“可信的國家軟件資源共享與協同環境”的成果，匯聚了豐富的實驗教學資源并支持大規模在線開放研究MOORE學習模式，目前已覆蓋全國100余所高校，并于2016年獲得全國首屆計算機實驗教學示范中心優秀實驗教學案例一等獎。

網絡相關專業依托Netmagic（http://bbs.netmagic.org）和FAST（http://www.fastswitch.org）平臺建設案例資源，其中Netmagic平臺來自國家973項目“大規模流媒體高效傳輸控制”的成果。這些平臺在關鍵網絡機制創新研究、開源社區代碼維護、專業公司提供服務等方面表現優異，已推廣至包括清華大學、香港理工大學、瑞士聯邦理工大學等多所高校使用。

3.3 面向開放運行的管理與服務信息系統

結合實驗室拓展建設，中心在廣泛調研和對比的基礎上，整合優化了媒體教學資源和虛擬實驗資源，搭建了基于云計算的公共虛擬實驗云平臺。該平臺實現了對數據、軟硬件設備等大規模資源的統一調度管理，可以根據實踐任務需求靈活部署各種實驗環境，使用戶平等地從云服務器獲取實驗需要的運行環境、實驗數據、計算存儲資源及應用軟件，另外用戶之間的數據相互隔離也確保了數據的私有性和安全性。平臺還實現了性能體驗良好的設備利舊、可視化實驗訓練過程跟蹤、全生命周期型實驗檔案管理、輕量級系統日常運維管理、快速實景再現式運維安全管理等功能。此外，平臺還具備良好的可擴展性，能根據要求升級拓展。

中心結合自動識別技術，完善了無人值守機房管理系統，利用校園一卡通對實驗室開放運行進行智能化管理與服務。該系統實現了24小時全天候刷卡使用各開放機房，方便師生根據需要自主使用實驗室資源；同時，結合視頻監控，系統實現了用戶行為分析、實驗室進出人數統計、人臉檢測等智能化功能，提升了實驗室資源管理、安全管理、用戶信息管理、運行過程管理的信息化水平。

4 結 語

實驗室拓展建設必須考慮到網絡一代學習者的生活方式、工作方式和學習方式都發生了較大變化；實驗教學方式的革新必須結合即將取得重要進展的翻轉課堂、移動學習、創客空間、大規模開放在線課程MOOC等學習方式進行；人工智能、大數據、云計算等新興IT技術在實驗室中的廣泛、深度應用是國家級實驗教學示范中心建設的必然要求。中心本著“以學生為中心，創新實踐教學環境；支持各種學習方式，突出創新能力培養；促進IT新技術在實驗室中的拓展應用，發揮示范作用”的思路，在物理環境、遠程虛擬實驗、管理模式等方面進行了探索和實踐，未來將繼續跟蹤信息技術中長期發展趨勢并依據實踐教學需求的變化不斷進行拓展建設。

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