智慧云實驗室建設(shè)探索

劉海珊 李洪芹 劉 瑾 張振華

（上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院 上海 201600）

0 引言

隨著高校應(yīng)用型本科建設(shè)的推進，實驗室更是培養(yǎng)應(yīng)用型本科生的重要基地，也是教師科學(xué)研究的關(guān)鍵場所。當(dāng)前高校實驗教學(xué)工作中常會遇到一些難題，如各年級教學(xué)時間不固定導(dǎo)致排課困難，實驗教學(xué)流程繁瑣使得教師工作量變得繁重，有限的實驗室資源，實驗室設(shè)備的陳舊，另外還有資料存檔、調(diào)閱困難等等，眾多問題亟待解決，智慧云電子實驗室構(gòu)建應(yīng)運而生。智慧云實驗室將集合傳感技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能硬件技術(shù)與云計算技術(shù)等的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與成熟，用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入傳統(tǒng)實驗室將形成集智慧教學(xué)、實驗管理、設(shè)備管理、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控及遠程控制于一體的新型現(xiàn)代化智慧實驗室，并將給實驗教學(xué)與管理帶來模式創(chuàng)新與變革。

1 建設(shè)方案探索

構(gòu)建的智慧實驗室包含兩大模塊，一是智慧型實驗室管理系統(tǒng)，二是基于PROTEUS的虛擬仿真創(chuàng)新型電工電子實驗平臺。其中智慧型實驗室管理系統(tǒng)由智能門禁及管理系統(tǒng)、智能刷卡取電系統(tǒng)、智能環(huán)境感知系統(tǒng)等模塊組成；創(chuàng)新型電工電子實驗平臺則根據(jù)課程的教學(xué)需求，采用PROTEUS軟件平臺，用仿真驗證實驗，并在實際的硬件平臺上驗證仿真結(jié)果。而虛實結(jié)合的實驗平臺也為培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新本科人才提供了學(xué)習(xí)的場地。智慧實驗室管理系統(tǒng)框如圖1所示。

圖1：智慧實驗室效果示意圖

智慧云實驗室建設(shè)以追求實現(xiàn)智慧管理及培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型本科人才為最終目標(biāo)，實現(xiàn)全面感知，為更深入的數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用提供基礎(chǔ)。實驗室構(gòu)建采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)功能易于擴展。本系統(tǒng)將構(gòu)建實驗室即可通過移動終端或PC機對實驗室實施管理及服務(wù)獲取。同時，通過移動互聯(lián)網(wǎng)，打通師生間的線上溝通渠道，實現(xiàn)實驗教學(xué)的全面開放，實驗教學(xué)環(huán)境通過智慧互動教學(xué)設(shè)備，尤其是基于PROTEUS的電工電子實驗平臺的虛實結(jié)合，可進一步提升實驗教學(xué)質(zhì)量。

本系統(tǒng)更有利于推進實驗教學(xué)管理的信息化、規(guī)范實驗室管理、擴大實驗室的對外知名度、降低學(xué)生進入實驗室的門檻、啟迪學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力、改進實驗教學(xué)設(shè)計、積累實驗教學(xué)成果。

2 智慧云實驗室可解決的主要問題

智慧云實驗室為教師提供了一個開放式的教學(xué)管理平臺，同時又創(chuàng)建了一個共創(chuàng)式的實驗教學(xué)項目環(huán)境。

2.1 提高課堂的教學(xué)效率

對于傳統(tǒng)的電工電子教學(xué)課程來講，授課模式帶來很大變革。傳統(tǒng)的電工電子課程教學(xué)主要是以教師為主，學(xué)生更多是被動地接受，學(xué)生的積極性和主動性都無法被充分調(diào)動起來，為了能夠彌補在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中的缺點，智慧云實驗室將為學(xué)生提供理論轉(zhuǎn)化為實際技能的場所，能夠從各方面提供激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，同時對于學(xué)生掌握電工電子的相關(guān)知識也是非常有必要的。

2.2 增強學(xué)校培養(yǎng)人才實力的需要

應(yīng)用型本科建設(shè)，關(guān)鍵是提升學(xué)校的就業(yè)率。學(xué)生在就業(yè)過程中，如果因為缺乏動手能力，使得某些專業(yè)學(xué)生在就業(yè)過程中舉步維艱。為了增強學(xué)校培養(yǎng)人才的實力，必須要建造開放性實驗室，這樣不僅可以讓學(xué)生加深對理論知識的掌握程度，還可以利用實驗室的教學(xué)，能夠?qū)⒗碚撆c實踐相結(jié)合，學(xué)生的動手能力也得到了一定的提高，才能讓學(xué)生在激烈的人才競爭中脫穎而出，成為讓企業(yè)和社會都滿意的人才，提高學(xué)校的相應(yīng)就業(yè)率。增強學(xué)校培養(yǎng)人才的實力，對于提高學(xué)校的知名度也有幫助。

2.3 智慧校園的先導(dǎo)

智慧云實驗室 (Smart Laboratory)作為智慧校園的重要組成部分，是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，利用新一代信息技術(shù)為廣大師生提供一個全面的智能感知實驗環(huán)境和綜合信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯(lián)、人員的互動協(xié)作以及開放實驗室設(shè)備資源、教學(xué)資源、科研資源的高度信息共享。

3 建設(shè)將帶來的成果

智慧云實驗室更適用于平臺課程的教學(xué)及實驗，如“數(shù)字電子技術(shù)及實驗”、“模擬電子技術(shù)及實驗”、“電路及實驗”，還可以面向創(chuàng)新實驗課程“PROTEUS創(chuàng)新實驗”。智慧云實驗室將帶來以下優(yōu)勢：

（1）實驗室環(huán)境與條件改善：面積、環(huán)境、設(shè)施、設(shè)備、完好率及使用率提高。通過智慧管理，構(gòu)建在線教學(xué)資源庫，豐富教學(xué)資源。將改善學(xué)生上課的規(guī)模、素質(zhì)、實驗操作水平，形成無紙化的實驗數(shù)據(jù)采集以及實驗報告編寫。

（2）實驗課程改革建設(shè)：擴大實驗項目及開出率、結(jié)合本項目開展實驗項目創(chuàng)新、實驗教材建設(shè)、實驗方法改革等，通過智慧互動教學(xué)設(shè)備，提升實驗教學(xué)質(zhì)量。

（3）以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)理念：從學(xué)生需求出發(fā)，注重學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的提升和培養(yǎng)。學(xué)生受益面廣，學(xué)習(xí)方法改革由固定時間改為全面開放實驗，打造7×24的無人值守的全面開放實驗教學(xué)環(huán)境，更突出培養(yǎng)學(xué)生能夠利用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的能力，突出教師科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

（4）實驗室合作交流：通過智慧實驗室建設(shè)增進高校和企業(yè)之間合作交流，實現(xiàn)課程在線資源共享，通過移動互聯(lián)網(wǎng)，打通師生間的線上溝通渠道，全面感知，為更深入的數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

（5）線上線下混合教學(xué)的推進：順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時代教學(xué)主體、教學(xué)資源與教學(xué)媒介等要素的變革與發(fā)展，創(chuàng)新信息化條件下的人才培養(yǎng)模式。智慧云實驗室在教育教學(xué)改革的過程中，將高度重視以信息化為手段，探索建立“線上”虛擬仿真教學(xué)與“線下”傳統(tǒng)面授教學(xué)相結(jié)合，通過構(gòu)建情境、交互、體驗、反思為一體的深度學(xué)習(xí)場域，來增強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高實踐能力，獲得了事半功倍的效果。

虛擬仿真實驗教學(xué)項目以完整的實驗教學(xué)項目為基礎(chǔ)，推動高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)新模式，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學(xué)項目示范新體系，支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量全面提高。線上借助智慧云中的虛擬仿真實驗平臺，可以提供以下豐富內(nèi)容：

（1）多樣的創(chuàng)新教學(xué)模式。網(wǎng)絡(luò)課堂支持普通的Web課程，動畫課程，視頻課程，實時網(wǎng)絡(luò)課堂，教學(xué)做一體化課程，教師空間等教學(xué)模式，并引入?yún)f(xié)作學(xué)習(xí)，智能導(dǎo)學(xué)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件。

（2）全方位支持電子信息課程群的虛擬仿真實驗。支持基礎(chǔ)實驗項目，還支持綜合實驗和設(shè)計性實驗，并可結(jié)合3D技術(shù)進行虛擬實訓(xùn)和虛擬實習(xí)。系統(tǒng)還具有豐富的虛擬仿真實驗輔助功能，包括：多媒體知識點，示范視頻，微課，實驗報告生成，結(jié)果預(yù)覽與智能評價等。

（3）不斷積累的豐富多樣的教學(xué)資源庫。融合多媒體技術(shù)，3D建模，AR技術(shù)，仿真技術(shù)于一體的教學(xué)資源庫支持多種教學(xué)類型，如視頻，微課，知識點動畫，3D外設(shè)模型，PPT課件，實驗例程，實驗指導(dǎo)書，題庫，隨堂練習(xí)等。隨著教學(xué)的深入，教師可不斷將自己的教學(xué)成果添加到系統(tǒng)中。

（4）人性化的用戶體驗與激勵反饋，使學(xué)生寓學(xué)于樂，教師精益求精。以學(xué)生為主體，利用開放式的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，實驗指導(dǎo)教師精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)和“互動自主式教學(xué)”方法，實現(xiàn)從“以教為主”到“以學(xué)為主”再到“學(xué)教互動”理念的轉(zhuǎn)變。虛擬仿真實驗教學(xué)不受時間和空間限制，學(xué)生可以隨時獲取教學(xué)資源，系統(tǒng)對學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，學(xué)習(xí)效果與成績進行動態(tài)展示與激勵，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。其關(guān)系見圖2。2020年的這場抗疫戰(zhàn)斗對全國教育教學(xué)工作提出了一個極大的挑戰(zhàn)。而線上線下混合式教學(xué)方式的推進，更為教學(xué)工作的推進提供了助力。尤其是實驗教學(xué)工作，處于智慧云實驗室核心的虛擬仿真實驗平臺，真正做到了以學(xué)生為主體，實現(xiàn)了“停課不停學(xué)”。

圖2：虛擬仿真教學(xué)項目的完成構(gòu)架

4 結(jié)論

智慧云實驗室是建立一個基于校園網(wǎng)的適用于全校師生的實驗室系統(tǒng)。行“理”“虛”“實”一體化教學(xué)理念。通過網(wǎng)絡(luò)化的理論學(xué)習(xí)，身臨其境虛擬仿真實驗實訓(xùn)和實際硬件的實操與競賽，體驗從軟件到硬件，從產(chǎn)品概念到設(shè)計完成，從虛擬到現(xiàn)實的整個電子技術(shù)探究過程。智慧云實驗室建設(shè)的推進，將主動學(xué)習(xí)和主動獲取知識能力的交互式虛擬仿真實驗教學(xué)平臺引入教學(xué)系統(tǒng)，通過云管理開放式實驗及網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)，實現(xiàn)與學(xué)生的“課前”，“課中”，“課后”有機結(jié)合的，逐步實現(xiàn)課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，可以打破傳統(tǒng)校園時空限制，實現(xiàn)學(xué)生的遠程教學(xué)和自主學(xué)習(xí)。