新工科背景下開放性創新實驗室的探索與實踐

別玉濤， 王曉光， 朱 卓， 梁 楠， 張 宇

（吉林大學公共計算機教學與研究中心，長春130012）

0 引 言

教育興則國家興，教育強則國家強。高等教育發展水平是一個國家發展水平和發展潛力的重要標志［1］。從2015年中央全面深化改革領導小組對新時期高等教育提出的“雙一流”建設部署，到2017年教育部啟動實施的“新工科”建設，高等教育理念在一步一步深化。“新工科”建設從“復旦共識”誕生起，經歷了“天大行動”“湘浙倡議”，最后形成了“北京指南”，改革的號角不曾停息，實施的路徑越發明晰。

對比傳統的工科教育，新工科建設要培養的是工程科技創新和產業創新人才，更注重培養具有多學科交叉融合背景、工程實踐能力強的應用型和技術技能型人才［2］，這就要求實踐環節要達到相應的質和量，對實驗室的建設需求也提出了新的要求，以開放模式運行的實驗室能夠充分發揮實驗室職能，配合新工科教學的內涵式發展。

1 傳統實驗室管理模式的局限性

創新型人才培養需要在計劃學時外盡可能多地為學生提供實驗場所、儀器設備、實驗耗材等實驗條件，以多種實踐形式激發學生的學習興趣，培養學生的創新能力，提高學生的綜合素質［3］。而以往的傳統實驗室并不能滿足這些需求，主要體現在以下幾個方面：

（1）管理運行制度不適合開放性創新實驗室。傳統的教學、科研實驗室的使用主要集中在計劃內教學和課題組的科研實驗，管理體制也是針對原有的計劃內教學和科研制定的，對于實驗室開放性和創新性的要求，無論從實驗室開放時間、儀器設備、實驗耗材管理，還是實驗室環境、實驗室安全的管理［4］，都缺少相應的規范制度，影響了實驗室開放運行。

（2）硬件環境設施不滿足開放性創新實驗室?，F有實驗室的硬件環境都只是滿足計劃內教學要求設計，但開展創新性實驗對實驗室的設備環境提出了新的要求，在實驗室場地、新型實驗設備方面均凸顯出明顯不足［5］，限制了學生自主實踐、開拓創新實驗。

（3）實驗課程體系不支持開放性創新實驗課程開展。當前的實驗課程是根據理論教材的基礎內容為指導，按照固定的內容和形式開展實驗，從深度和廣度上限制了學生自主創新的實踐研究。開放性創新實驗的開展，由教師教學為主體的模式，變為學生主動學習探索為主體的模式，以多信息交叉學科知識作為基礎，符合時代趨勢，關注科技前沿，對現階段專業領域中的成果進行分析與驗證［6］。

（4）實驗教師隊伍的素養不適應開放性創新實驗課程的指導需求。對于開放性創新實驗室內新購置的大批實驗器材，實驗教師需要熟悉掌握各種設備的使用方法和日常維護，及時掌握各個實驗設備的運行情況并做好相應的運行記錄。另外，由于實驗教師長期習慣于固定的教學模式和教學規劃，知識體系受限于本學科專業，缺少對交叉學科知識和技能的掌握，難以以創新的理念對進行創新實驗的學生進行有效指導［6］，阻礙了實驗室創新改革的進程。

2 開放性創新實驗室的建設目標

以校機器人夢工場實驗室為建設目標，構建以學生為中心，以激發學生內在的自主學習動力，培養學生勇于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力為基本原則［7］。具體建設目標：①構建面向創新開放的實驗室管理制度，以適應實驗室改革管理進程。②構建適用于開放創新的信息化平臺設施，來配合實驗室開放的管理模式。③ 構建滿足于開放創新的實驗軟環境，全面提升創新創業教育知識體系和指導理念。

3 開放性創新實驗室的建設

3.1 構建面向創新開放的實驗室管理制度

創新性開放實驗環節是新工科教育理念下的重要實踐活動，將理論知識運用于實際工業生產的大膽嘗試，這種全新的教學模式尚處在探索階段，并沒有成熟的模式可以借鑒，因此建立一系列科學規范的創新性開放實驗室的管理制度是實驗室運行的根本保障。

區別于傳統實驗室的固定人員在固定時間使用，創新性開放實驗室具有實驗時間不確定、實驗項目多樣化、實驗內容多變性、實驗人員多層次和多專業等特點［8］，因此必須以先進的管理理念建立健全管理制度，采用信息化管理手段，以及必要的資金，從實驗室的硬件環境建設到軟環境提升，適合實驗室的開放運行要求。學校制訂相應的管理辦法和實施細則，科學規范實驗室開放、組織方式、效益評價、教師、學生的激勵政策等。建立支持實驗室開放共享的專項經費，用于實驗教學和實驗設備的維修、耗材的購買等，保障實驗室持續運轉［7］。構建功能完備的管理運行平臺，采取預約審核使用、實時監控及電子簽到，科學地實現資源開放共享。

3.2 構建適用于開放的信息化平臺設施

物聯網時代的發展為開放型創新實驗室的管理提供新的思路，通過計算機信息管理、電子和網絡技術對實驗室所有實驗設備進行信息化、智能化管理［9］，提高實驗室建設與管理效率，方便學校教務和設備等管理部門準確統計課程和設備運轉情況（見圖1）。

圖1 硬件系統架構框圖

（1）門禁＋電源開關模塊。該模塊的搭建是基于校園一卡通所采用的RFID無線射頻技術。系統基本部件組成包括讀卡器、管理機、程控繼電器和遠程服務器。利用校園一卡通，對使用人員進行數據采集，通過校園網絡進行數據交互與共享，實現校園卡身份識別和數據記錄等功能，配以程控繼電器完成門禁、設備電源開關等操作。信息中心匯總所有采集的數據，結合實驗室管理系統、實踐教學管理平臺等平臺數據，借助大數據的分析手段進行集中管理和簡單分析，并輔之以一定的數據挖掘模型進行決策分析，完成教務處和實驗室設備管理處所需要的統計分析數據。

（2）監控＋報警模塊。建立完善的視頻監控系統是實驗室安全的有效保障。在實驗室內必要位置安裝高清晰攝像頭，實施全天候不間斷監控，配以大容量存儲器存儲視頻內容便于后期需要時查看。智能監控系統通過門口安裝的攝像頭采集進入實驗室的人員影像，結合人臉識別算法，準確分析進出實驗室的人員情況，智能提醒實驗室管理員有非法進入實驗室的人員。按照安全防火要求的密集度安裝煙感探測器，在必要點位安裝紅外探測報警器，并將警報系統與校園警務連接。這些措施能夠在一定程度上對實驗室的防火防盜起到保障作用。

（3）預約＋審核模塊。合理統籌計劃內實驗和學生自主開放性創新實驗的關系，最大限度地開放實驗室所有資源，在管理平臺中構建預約審核模塊，公開實驗室內的空閑時間和資源，按照可用實驗設備分時段公布可用時間。學生可通過實驗室管理平臺的微信小程序進入預約模塊［10］，根據自己的課余時間在預約平臺上申請實驗設備的使用時間，管理員審核通過后可進入實驗室自主實踐學習，不僅提高了設備的利用率，而且能夠使學生合理安排自己的學習時間。

3.3 構建滿足于開放創新的實驗軟環境

（1）建立有梯度的實踐教學平臺。針對多學科創新人才的培養目標，需要重新定位課程目標，改變傳統授課模式，以項目為驅動全面提升課程內容［11］。以培養科學基礎雄厚、工程實踐能力強的高素質綜合型人才，以實物驅動興趣，以問題激發思考，針對不同層次的學生設計不同難度的實驗內容［12］，使每個參與其中的學生都能找到適合自己的實踐項目進行提升，教師在實踐平臺內容的設計上體現出層次感，實驗教學時以成熟的實例展示給學生，并針對實驗點提出問題，讓學生進行分組討論交流。

關注前沿科技產品的最新發展趨勢，由相關學科教師和企業導師在教學平臺中創建可擴充的創新設計項目庫，教師在教學中產生的創新設計點，企業導師在工程實踐中發現可應用到實踐教學中的創新設計點，包括學生在實踐中萌發的創新點都可以補充到項目庫中［13］，作為以后創新實驗課程的設計雛形。

目前創新實踐云平臺已投入使用2年，采用B／S模式開發，為創新實驗課程提供了詳細的實踐教程及軟件操作平臺，學生使用效果良好。

（2）組建跨學科的教師團隊。教師隊伍的多元化是培養交叉學科人才的關鍵，不同學科的教師帶給學生相關領域里的專業知識，吸引具有各個學科背景的教師組成教學團隊，分別針對相關領域的應用實例展開實踐教學，使學生能夠從每一個領域都獲得最專業的指導［14］。為了提高教師的創新創業指導能力，在深入本學科的前提下，不斷拓寬相關知識領域，探索前沿科技，挖掘交叉領域中適合作為實踐內容的應用項目，定期組織教學研討活動，進入企業進行調研學習。

目前參與夢工場組建的有通信、計算機、機械、儀電、電子、食品、生物、汽車、材料、數學等10余個學院的80余位教師，其中教授人數達到64人。另外，夢工場聘請了機器人產品相關產業公司的工程師作為企業實踐導師，定期進入實驗課堂進行前沿技術推廣和相關實踐指導。

（3）聯合校外的教育資源。企業在產品研發到測試投產過程中積累了大量的經驗，邀請相關領域的企業專家進行培訓講座［15-16］，不僅使學生了解市場上流行的創新科技產品，而且幫助學生了解技術實際應用中遇到的問題及解決思路。積極聯系創新科技生產和應用企業，在不影響其生產的前提下，組織學生參觀創新科技產品的生產或應用，不斷開拓學生的視野，將單一的課堂理論學習豐富為多元化的實踐教學方式。

在學校和職能部門的大力支持下，夢工場已購置了多種供學生進行創新實驗的儀器設備，如ROS機器人6套，機器魚4臺，無人機6臺，直升機1臺，語音識別機器人1臺，基于人臉識別的服務機器人1臺，3D打印機2臺，Arduino智能小車和ARM智能小車20余套，木工墻為學生提供了木工制作需要的各類大大小小的工具。夢工場與多家企業建立了產學合作關系，并進行了10余場的前沿技術培訓講座。

4 階段性實踐成效

自機器人夢工場創立以來，不斷發展建設，充分發揮了開放性創新實驗室的功效，從校級創新實驗到國家級機器人比賽，各類成果數量顯著。據不完全統計，約有496名學生通過創新實驗項目使用實驗室資源，涉及學院數量達到29個。每學期，開展創新性實驗項目，學生使用實驗室上課達16學時／人，除計劃學時外，其余時間每天對學生開放到21：00，實驗室開放率達到約70學時／周。通過大創項目使用實驗室人數達到118人。絕大多數的學生通過在實驗室的學習參加了各級競賽，其中校級創新競賽獲獎326人，省級競賽獲獎238人，國家級競賽獲獎84人。根據實驗室創新項目完成的優秀畢業論文（設計）16篇。實驗室邀請專家進行水下仿生機器人等專題科技培訓10余次，參與的學生教師人數達到1 600人。

5 結 語

為適應新技術、新產業、新經濟的發展，響應國家戰略需求，樹立創新型、綜合化、全周期工程教育的新理念，建設階梯式、多元化的實踐教學體系和教學資源，培養具有較強行業背景知識和工程實踐能力的創新型人才，開放性創新實驗室建設取得了較好成績但需繼續推進產學研融合、校企聯合，開發更多滿足行業發展需要的創新實踐教學資源，打造滿足新時期工科人才培養要求的高水平教師團隊，優化開放性實驗室的管理體系，為建設工程教育強國助力。