基于創新實驗室的學生實踐能力培養探討＊

弓偉，曹東，門韶洋，羅曉牧

?

基于創新實驗室的學生實踐能力培養探討＊

弓偉，曹東，門韶洋，羅曉牧

（廣州中醫藥大學，廣東 廣州 510006）

實踐教學環節是培養具有實踐能力與創新人才的重要基礎，大學生實踐動手能力的提高已經成為當前我國高等教育亟待加強的重要任務之一。高校實驗室作為開展實踐教學和科學研究的重要平臺，其傳統的建設和管理模式弊端愈發突顯，亟待改進。提出一種基于物聯網技術的應用于高等院校的創新實驗室架構，探討該架構下各功能模塊的設計。基于此創新實驗室，開展多層次的學生創新實踐能力培養活動，真正做到以學生為中心，有效促進學生實踐能力的提升。

物聯網；創新實驗室；實踐能力；創新能力

1 概述

2017-09，教育部長陳寶生曾在《人民日報》撰文，提出傳統的授課模式根本無法培養學生的創新能力與實踐能力，課堂教學改革是教育改革的核心，吹響了“課堂革命”的號角。前教育部長周濟也曾指出：“知識來源于實踐，能力來源于實踐，素質更要在實踐中不斷提高。”根據麥可思研究院的一項調查顯示，近70%的本科生和近60%的高職高專畢業生認為，母校教學最需要改進的地方為實習和實踐環節不夠。顯然，高等學校實習實踐環節成為了教學改進的重點。大學生實踐動手能力的培養已經成為當前我國高等教育亟待加強的重要任務之一，而高校實驗室是提高大學生實踐動手能力的重要平臺[1-2]。大學生在國家“大眾創業、萬眾創新”改革思路的引領下對于高校實驗室的建設要求越來越高，高校自身對于實驗室管理工作的要求不斷精細化和科學化，面對規模日益龐大、日趨繁雜的實驗室管理工作，傳統的實驗室建設和管理模式弊端愈來愈明顯[3-4]，已經不能充分滿足提高學生實踐能力的需求，新型的高校實驗室呼之欲出。

2 基于物聯網的創新實驗室

物聯網的概念最初是由美國麻省理工學院（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設施。2009-08，溫家寶總理在“感知中國”的講話中把我國物聯網領域的研究和應用開發推向了高潮，物聯網成為國家新興產略性產業之一。

基于物聯網的創新實驗室可以視為“智慧地球”概念的具體場景應用——“智慧實驗室”[5]。傳統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，導致管理效率低；大部分實驗室只在上課期間供學生實驗教學使用，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，但由于國外高校的實驗室管理模式與國內差異較大[6]，在借鑒國外經驗時必須要結合國內的實際情況。

基于物聯網技術，充分考慮高等院校實驗室的應用場景和管理模式，提出基于物聯網創新實驗室的架構模型，采用三層體系結構[7-9]，如圖1所示。

圖1 創新實驗室架構體系

在典型物聯網結構的基礎上，充分考慮控制反饋的功能，實現對設備感知層相關設備進行控制的同時，同步獲取實時數據，形成雙向數據交互，并通過網絡平臺層將海量數據集中存儲在網絡平臺層的服務器中。主控臺計算機對數據加以分析利用，實現對相關事務的智能管理。

設備感知層包含了創新實驗室用到的各種信息傳感設備，負責獲取實驗室相關的設備、環境等狀態信息，并按照約定的通訊協議，通過網絡平臺層傳遞給主控計算機分析處理。其中，溫度、濕度等傳感器負責實驗室環境狀態的監測，門禁裝置和閘機系統負責實驗室出入的權限管理，防盜系統保障實驗室的財產安全，視頻監控系統便于遠程監控實驗室的使用狀態。

主控計算機根據從設備感知層獲取的信息以及數據的分析結果，將有關控制指令通過網絡平臺層傳遞給設備感知層的各種設備，從而實現閉環的控制。最上層的業務系統層可以靈活搭配豐富多樣的拓展應用模塊，最大程度滿足學校、學院、實驗室等使用者和管理者的需求，實現實驗室相關工作的全過程智能化管理，使管理工作從粗放式向精細化轉變，達到提高管理水平的目的。

3 創新實驗室架構體系各層介紹

設備感知層是實現創新實驗室的物理基礎。物聯網創新實驗室要求所有的儀器設備狀態、實驗室環境狀態、電路工作狀態等所有與實驗室運行相關的信息和參數都可以通過網絡平臺層按照約定的通訊協議傳輸給主控計算機。

根據溫濕度傳感器對環境溫度的實時監測[10]，控制空調系統的適時工作，節能環保；所有的儀器設備與智能中控裝置連接，具備斷電續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；當學生在網上預約使用實驗室并獲得批準后，便可以在預約規定的時間內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的控制權；所有的用電儀器設備受智能電源分配單元的控制，當學生在網上預約使用儀器設備時，在預約規定的時間內智能電源分配單元便可控制相應的儀器設備通電工作，并實時監測電流、電壓和電功率，防止過流、過壓和過載；防盜系統采用聲磁防盜門，避免射頻防盜門易受金屬等物品而產生誤報的問題，實現幾乎零誤報。實驗室內所有的儀器設備都會貼上ID值唯一的聲磁標簽，做到物品與標簽一一對應，當有人試圖將實驗室內的物品拿出時，防盜系統可以對應到相應的標簽，即相應的物品。

網絡平臺層是實驗室的電氣、實驗設備等與遠程主控計算機進行數據交互的通道，根據實際需要決定服務器的容量等配置信息，是否將此校園局域網接入公網等。

業務應用層實現的功能包括課程實驗管理、開放/創新實驗管理、實驗室數據統計分析、大型儀器共享等模塊[11]。針對教學任務內的課內實驗，實現教學實驗自動化，即自動簽到、自主預習及實驗、實驗結果一鍵上傳、在線作業、線上批改等實驗全過程自動化；針對全國大學生數學建模競賽、電子設計競賽以及“挑戰杯”等全國大學生系列科技學術競賽，實現實驗室的全天候預約開放使用，即在線預約、信息提醒、實時掌控儀器使用狀態，權責明晰，實現儀器管理使用全過程信息化；創建智慧型學習平臺，根據不同課程上傳教育資源，提供針對性的使用指導，實現學生自主實驗，減少教師的重復性勞動，減少實驗室管理人員的負擔；為學生提供儀器性能、位置、狀態等信息，為學生提供全天候智慧教學體驗；根據系統在使用過程中產生的大量數據，可進行大數據的分析[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據支持，精準定量評價實驗室的各項指標。

4 創新實驗室對提高學生實踐能力的促進作用

高校實驗室作為提高大學生實踐動手能力的重要平臺，在當今時代背景下存在以下矛盾：教學實驗創新性需求與傳統教學管理模式之間的矛盾，教學實驗自動化管理與教師繁重的教學實驗任務之間的矛盾，學生自主實驗能力發展與教學實驗室開放程度不夠之間的矛盾，校園信息化建設與實驗室信息孤島之間的矛盾。

根據上述分析，基于物聯網的創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變為以學生為中心，提高學生提升實踐動手能力的主觀能動性。基于物聯網的創新實驗室，創新的基礎在于物聯網技術，創新的核心在于實驗室的管理方式，創新的著力點在于激發學生的實踐興趣，創新的目的在于提高學生的實踐能力[13]。

基于物聯網的創新實驗室集基礎實驗室、專業實驗室、創新實驗室、科研實驗室為一體，對學生實行全面開放，滿足了不同層次學生的個性化需求，提高了學生的創新實踐能力，為培養具有創新實踐能力的人才奠定了堅實基礎。

［1］楊曉慧.我國高校創業教育與創新型人才培養研究［J］.中國高教研究，2015（1）：39-44.

［2］林健.新工科建設：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.物聯網技術支持下的高校智慧實驗室構建探析［J］.中國教育信息化，2016（7）：54-56.

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

［5］曲娜，盛桂珍，楊海波.基于物聯網技術的智慧開放實驗室管理系統設計［J］.實驗技術與管理，2015，32（12）：140-142.

［6］鄧曉梅.基于國外先進經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境感知系統設計［J］.儀器儀表與分析監測，2016（3）：38-41.

［8］賴程鵬.基于物聯網技術的智慧實驗室的研究與設計［D］.北京：華北電力大學，2015．

［9］周春月，閏子淇.基于物聯網技術的智慧實驗室架構研究［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測系統［D］.哈爾濱：黑龍江大學，2011.

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

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

［13］陸錦沖.大學生科技創新能力培養體系的構建與實現［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，主要研究方向為醫療電子儀器、物聯網技術。

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

〔編輯：嚴麗琴〕