教育信息化2.0背景下高校智慧實驗室建設思路探析

張建華 肖中正

摘要：高校實驗室建設對實驗教學的開展、人才培養有著重要意義。《教育信息化2.0行動計劃》提出了實驗教學資源的開放共享，強調學生個性化發展，這對高校實驗室提出了更高的建設要求。通過分析高校實驗室在建設和管理方面的現狀，提出了智慧實驗室建設的思路。并對核心要素智慧實驗教學平臺進行了架構分析，為高校實驗室建設提供決策。

關鍵詞：教育信息化2.0;開放共享;智慧實驗室;智慧實驗教學平臺

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）15-0160-02

高校實驗室是進行實驗教學、人才培養的重要平臺，對學生的價值塑造、能力培養、知識傳授具有重要意義。隨著大數據、人工智能和5G技術的快速發展，教育大數據已逐漸形成，實驗教學方式和手段也發生了深刻變革：未來實驗教學更注重學生個性化發展、實驗資源共享和資源整合。教育部制定的《教育信息化2.0行動計劃》[1]明確提出：整合各類教學、科研資源，實施教學資源共享計劃;建設智能實驗室，加快高校智能學習體系建設，形成智能化的學習體系。

為推動高校優質實驗教學資源開放共享，擴大實驗資源受眾面，迫切需要加快新形勢下的高校智慧實驗室建設。本文通過分析目前高校實驗室建設中存在的基本問題，探析教育信息化2.0背景下高校智慧實驗室建設的基本思路。

1 高校實驗室建設與管理現狀

高校實驗室建設發展迅速，數量大幅度上漲。然而，高校實驗室在建設和管理過程中仍存在很多問題，很難滿足新形勢下實驗教學變革的需要。

1.1 資源開放共享不足

實驗室開放共享是發揮對教學科研支撐作用、提高其資源使用效益的重要手段。目前很多實驗室在資源開放共享方面還存在一些問題：實驗課程課時有限，學生難以在有限的課時內提高實踐能力[2];教學資源分散，不同院系間資源分配不協調，存在“信息孤島”的現象[3];受時間、地點的限制，師生無法隨時隨地利用實驗室資源進行學習;基于實驗室開展的各類實驗項目、獲得的科研成果以及服務社會的數目遠遠不足。

1.2 實驗室管理模式落后

很多高校對實驗室的管理還停留在半人工管理階段，出現的主要問題有：安全監測不到位，對實驗室的水電管理、設備運行維護等依賴于手工監測，安全隱患多;實驗設備閑置浪費嚴重，管理人員對設備狀態不清楚;各類報表上報不及時，教師每年需要向學校提交實驗項目表、實驗室基本狀況表等，目前這些都需要教師手工采集數據，延誤了上報時間。

1.3 師資隊伍建設不足

在實驗室建設管理中，存在實驗教學脫節的現象，專業教學人員未參與實驗室的規劃建設中，導致實驗室建設與學科內容相關性小。管理人員職稱、學歷等結構單一，信息技術能力不足，不能對先進的實驗設備進行管理和使用指導。

1.4 機制創新不足

實驗室的機制建設主要問題有：缺乏明確的中長期建設規劃，實驗室的人才培養定位、社會效用定位不明確;缺乏深層次需求分析和調研，建設內容依舊以采購傳統計算機和教學軟件為主;缺乏相關規章制度，實驗室責任分工不明確、設備管理混亂;缺乏有效的效果評價機制，以實驗室建設數量和經費使用情況作為部門績效考核目標，建設效果評價單一，導致建設部門重采購、重數量、重任務、輕內容、輕使用。

2 智慧實驗室建設體系分析

智慧化實驗室是實現教育信息化2.0的重要路徑，它通過構建智慧化的教學和管理環境，引領和促進實驗教學的智能化發展。賈維丁[4]認為智慧實驗室以信息技術應用為主線，借助物聯網、云計算等技術，通過感知、物聯等方式，將實驗室中的基礎設施連接起來，達到智能化管理和監控。鐘麗強[5]認為智慧實驗室是利用大數據、智能化控制等技術，將實驗室管理和教學過程有機融合。這些研究工作忽略了與智能化模塊配套運行的人員、體制等要素。從完整的實驗室建設體系考慮，本文認為高校智慧實驗室建設體系應當包含四大要素：

2.1 智慧實驗教學平臺建設

智慧實驗教學平臺是集教學資源采集、智能化實驗、設備和安全管理、智能化實驗過程記錄等為一體的實現校內、外開放共享機制的實驗教學平臺。它是高校實驗室建設的核心內容，它以學生發展為中心，圍繞“智能化、數據化、共享化”主題進行建設，以解決傳統實驗室在資源共享、資源整合、師資隊伍管理、實驗室管理等方面的問題。

2.2 師資隊伍建設

師資隊伍建設應包含學科帶頭人、專業教師、管理人員、校外學者等。校外人員的參與加大了實驗室開放共享力度，增加實驗室的社會服務數;同時可以整合更多的教學資源，促進實驗教學內容不斷更新。學校應重視實驗教師隊伍的地位，給予普通教師同等外出培訓的機會;加強職稱、學歷等方面的結構調整;豐富績效考核制度。

2.3 文化環境建設

文化環境建設應充分結合實驗室學科發展的特點，在教學桌椅的色彩和布局、墻面設計、采光照明等方面協調一致。良好的文化環境有利于激發學生學習興趣、創新意識，給學生提供沉浸式的學習體驗，提升實驗教學效果。

2.4 機制體系建設

方堃等[6]認為實驗室建設與管理體制通過機構設置明確高校內部各管理系統的管理范圍、權限職責、利益及其相互關系。王斌男等[7]認為在實驗室建設中重視機制創新，制定支持實驗室建設的長期規劃，出臺相關政策和規章制度推進實驗室建設工作。因此，在實驗室建設和管理過程中，為保證實驗室建設的時效性、開放性、可持續發展等，必須加強實驗室建設和管理的頂層設計，建立統一領導、多級部門聯動的分層管理模式。

3 智慧實驗教學平臺建設架構體系

作為智慧實驗室的建設的核心部分，本文對智慧實驗室教學平臺進行架構分析。

3.1 智能硬件層

智能硬件是實現實驗室智能化的基礎支撐。智能硬件由兩個層次組成：傳感器設備和設備控制層。基礎的智能設備有：門、多媒體設備、實驗設備、照明系統、電源開關、空調、計算機設備等。這些設備支持通過相應的控制器，實現指令操控，進而接入資源管控系統，實現信息系統自動化控制。

3.2 資源管控系統

在部署完畢大量的智能硬件設備后，必須讓設備可管理、可運維、可監控。資源管控系統基于智能設備提供的感知能力，將所有智能設備管理起來，對設備進行統一的監控。資源管控系統是上層應用系統訪問智能硬件的唯一入口，所有智能硬件的指令都有資源管控系統授權通過后，發送到指定設備執行。

3.3 私有云存儲

整個智慧實驗室體系會產生大量的業務數據和監控數據。因此該體系能必須有一套可靠的云存儲服務，實現上層各種不斷增加的實驗數據、用戶數據以及其他數據。統一的存儲管理對于上層應用的不斷優化擴展，起到支撐作用：上層業務系統可以輕松共享數據，而避免數據孤島。

3.4 共享資源

共享資源是對可對外部用戶開放的資源的抽象。共享資源可以是硬件資源也可以是實驗相關的信息服務。只要該資源可以按照資源共享協議，實現對外部用戶進行授權獲取、使用或訪問，皆可注冊到系統中，定義為共享資源。可見，共享資源是靈活可配置的，其核心是滿足可共享性，即實現共享協議。

3.5 實驗管理系統

實驗管理系統是智慧實驗室的核心業務管理系統，內部參與者包括系統管理員、資源管理員、教師、學生以及統一資源注冊中心。實驗管理系統直接管理了所有的共享資源和內部人員，實現課程、教學、數據、人員、成績、實驗報告管理等一系列實驗相關的業務功能。為了與外部機構進行實驗資源共享，實驗管理系統還必須實現資源共享相關的協議，接入到統一資源注冊中心。因此，統一資源注冊中心也是實驗管理系統的重要參與者。

3.6 統一資源注冊中心

統一資源注冊中心是多機構之間能夠進行資源共享的橋梁，是實現共享資源注冊協議、統一賬戶、統一認證以及資源的治理協議。只要共享資源機構遵循這些協議，即可加入資源共享的聯盟中，為其他機構提供豐富的共享實驗資源，也可以獲取其他機構提供的共享實驗資源。資源共享的實現方式是通過資源共享協議完成。共享資源機構在注冊中心完成注冊之后，必須提供資源狀態檢測接口給注冊中心監控;若注冊中心檢測到資源不可用了，則通知最終用戶并停止申請通道。注冊中心提供資源的查詢和申請功能給最終用戶，允許查看所有可訪問的共享資源。

3.7 環境安全監測系統

安全監測是建設智慧共享實驗室的重大前提。在無人值守的環境下，大量的智能硬件的狀態、實驗室的安全等問題必須在可監控的范圍內運行。同時共享資源開放對外部訪問，網絡安全和數據安全也將面臨重大挑戰。因此，必須建設環境安全監測系統對環境、網絡和數據進行監控和預警。

4 結束語

在智慧實驗室的建設管理思路中，不僅要考慮智慧實驗教學平臺的建設，更要考慮與之配套的軟文化環境和機制體系的建設。智慧實驗室建設是一項長期復雜的工程，學校一定要建立詳細的建設規劃和管理制度，明確責任分工，使得實驗室的資源真正能為實驗教學服務，提高實驗室的成果產出率，確保實驗室價值的最大化。

參考文獻：

[1] 教技[2018]6號文件.教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知[Z].

[2] 王文成，侯崇升，吳小進，等.實驗室開放管理的新工科人才培養探索[J].實驗室研究與探索，2019，38（6）：231-234.

[3] 張凱，宋慧寧，楊再明.高校智慧實驗室的構建路徑研究[J].數字教育，2019，5（6）：30-35.

[4] 賈維丁.物聯網技術在高校智慧實驗室構建中的應用[J].電子技術與軟件工程，2017（5）：32-33.

[5] 鐘麗強，楊芷，蘇淑賢.護理專業智慧實驗室建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2020，39（9）：286-289.

[6] 方堃，雷敬炎，朱娟蓉，等.高校實驗室建設與管理體制、機制的研究與思考[J].實驗室研究與探索，2019，38（12）：270-273，287.

[7] 王斌楠，黃曉瑞，杜鑾燕，等.面向學生創新創業能力需求的高校實驗室建設研究[J].教育評論，2019（2）：77-82.

【通聯編輯：代影】