教育信息化背景下高校智慧實驗室的構建研究

王寶祥 潘超

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.045

摘? 要：實驗室是鍛煉學生動手能力，增強實踐能力和科研能力的重要場所。智慧實驗室是未來實驗室發展的必然趨勢，近年來引起各大高校的廣泛關注。文章分析了傳統高校實驗室管理和使用過程中存在的問題，深入研究了智慧實驗室的體系框架及構建的關鍵技術，基于新一代信息技術設計了一套智慧實驗室的構建技術方案，以期為高校智慧實驗室的建設和研究提供借鑒。

關鍵詞：教育信息化;高校;智慧實驗室;實驗室建設

中圖分類號：TP39;G434? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）09-0175-05

Research on the Construction of Intelligent Laboratory in College under the Background of Educational Informatization

WANG Baoxiang，PAN Chao

（Technology and Media University of Henan Kaifeng，Kaifeng? 475004，China）

Abstract：Laboratory is an important place to exercise studentshands-on ability and enhance practical ability，scientific research ability. The intelligent laboratory is the inevitable trend of the future development of laboratory，it has attracted great attention in recent years. This paper analyzes the problems existing in the management and use of traditional college laboratory，deeply studies the system framework and key technologies of intelligent laboratory，designs the construction technology scheme of intelligent laboratory based on the new generation of information technology，in order to provide reference for the construction and research of college intelligent laboratory.

Keywords：educational informatization;college;intelligent laboratory;laboratory construction

0? 引? 言

《中國教育現代化2035》提出更加注重培養應用型、復合型、技術技能型人才，充分發揮實驗室的作用，將實驗教學信息化作為高等教育系統性變革的內生變量，以高質量的實驗教學，助推教育現代化。實驗室是高校開展實踐課程、進行科學研究、培養創新型人才的重要場所^[1]。隨著新的信息化技術的不斷發展，高校信息化建設進入了深水區^[2]。2020年突發的新冠疫情給各高校信息化提出了新的挑戰，教學活動尤其是實驗教學遇到的困難最大，泛在學習將成為新常態，教育的融合創新是必然選擇，也是推動教育信息化引領教育現代化的內在要求。

隨著5G技術的持續商用，物聯網、大數據、云計算、人工智能等信息技術進入一個新的發展機遇期，如何利用這些新技術，實現與高校實驗教育教學的深度融合，促進實驗教學的高質量快速發展，培養具有高素質的創新型人才，成為當前高校信息化建設的重要發展方向。

1? 智慧實驗室概述

1.1? 實驗室現狀

隨著高校信息化建設的不斷發展，作為實踐能力和人才培養的重要場所，高校實驗室的信息化程度也在不斷提升，有效提高了實驗教學質量和管理服務水平。由于在實驗室建設初期缺乏統一規劃，以及相關人員信息素養的欠缺，致使在后期的管理和使用過程中逐漸暴露出以下問題：（1）管理自動化程度不夠，設備難以跟蹤、定位，出現問題難以得到及時解決。（2）實驗室安全隱患大，未實現對實驗室內部環境的全面實時監測和預警。（3）智能化程度不足，易造成資源的浪費。（4）實驗資源難共享，存在“信息孤島”。（5）缺少共享共建，造成儀器設備的低水平重復建設和實驗室的利用率低下。（6）師生之間缺乏互動，學生參與感不強，體驗差。（7）缺少實驗資源平臺和實驗教學資源的收集、分析和存儲，造成實驗教學資源浪費。

隨著大數據、人工智能、云計算、物聯網及移動互聯網等新技術的飛速發展，為高校智慧實驗室建設帶來了新的機遇，如何融合新技術服務于高校的實驗教育教學和管理工作，從而推進高校實驗教學改革和信息化建設，是大多數高校當前面臨的重要課題。

1.2? 智慧實驗室

國內外關于智慧實驗室的研究有很多。中國工程院朱蓓薇院士在2017年中德智慧實驗室建設與發展高峰論壇上，指出智慧實驗室是對傳統實驗室的改造升級，是融合新一代信息技術，讓實驗室為師生提供更加高效、安全、便捷的服務^[3]。李楠利用了物聯網技術，基于PHP+Apache+MySQL框架，按照由數據采集層、數據傳輸層和應用程序層組成的系統總體架構，設計并開發了一款高校智慧實驗室設備管理系統，實現了實驗室環境管控、設備智能化管理等功能，有效地提高了實驗室的管理效率和水平^[4]。

目前，關于智慧實驗室尚未有一個明確的定義^[5]，但普遍認為智慧實驗室是運用先進的互聯網、物聯網，云計算、大數據、人工智能、移動應用等技術，為師生創造一個安全、節能、智能的實驗教學環境，提供智慧化的管理、多樣化的教學模式和個性化的服務。智慧實驗室將改變傳統高校實驗室重復建設、利用率低、管理不便等現狀，實現實驗環境安全可控、實驗管理智能管控、實驗資源共享共建、實驗教學多樣化、實驗學習泛在化。智慧實驗室是智慧校園的重要組成部分，是各類型實驗室發展的重要方向。

2? 智慧實驗室設計

2.1? 智慧實驗室設計思路

智慧實驗室的設計，以服務師生為主旨，以“統籌規劃、統一標準、共建共享、融合創新、規范管理”為原則，以“支撐實驗業務為驅動、進行技術應用和創新”為要求，以提升學生的動手實踐能力和科研創新能力為目標，按照數據采集、數據傳輸、數據分析、數據應用的全生命周期的管理思路進行設計，將新一代的物聯網、互聯網、云計算和智能設備與實驗室建設進行融合創新，建設服務于實驗教學全過程的智慧實驗教學云平臺，最終達到實驗環境智慧化、實驗管理智能化、實驗教學多樣化，讓老師更輕松地教學，讓學生更高效地學習，讓管理人員更方便地管理。

實驗教學云平臺采用模塊化架構進行設計，云平臺應具有易用性、可靠性、可維護性、可擴展性等特征，充分利用5G、IPv6、人工智能等新技術全面支撐實驗教學的信息環境，實現場景化、個性化、沉浸式、互動式的創新教學方式，實現基于大數據分析的服務能力，實現實驗室的業務規范化、管理智慧化、教學多樣化、服務個性化，提供實驗學習線上線下融合、物理虛擬融合的泛在化服務能力，實現“面向管理”到“面向服務”的管理服務模式轉變，提升師生實驗教學體驗感和滿意度。

2.2? 智慧實驗室體系框架

在教育信息化背景下，各高校應重視智慧實驗室建設對實驗教學改革的支撐與服務作用，融合信息技術，逐步解決實驗教學過程中遇到的重點、難點問題，不斷創新實驗教學理念，不斷改革實驗教學方式，不斷優化實驗教學模式，加強培養學生的動手實踐和創新能力，以及解決實際問題的能力。

通過對智慧實驗室內涵分析研究，按照智慧實驗室的設計思路，基于云計算架構和模塊化的設計理念，搭建高校智慧實驗室的總體架構模型，如圖1所示。

2.2.1? 基礎設施層

基礎設施層是智慧實驗室的基礎設施保障，實現對實驗室環境的全面感知及信息采集，為大數據平臺的數據分析提供數據支撐，為基于智慧實驗室的各種應用提供基礎支撐。

實驗室基礎設施提供實驗教學物理層面的支撐，主要由實驗室的物理空間、環境傳感器、智能終端、RFID裝置和控制系統等構成?；A設施設計時應注意，實驗室的物理空間要求規劃科學、簡明整潔、設計合理、方便使用;環境傳感器、M2M終端要求采用穩定性強、易安裝維護、靈敏度高、響應速度快且支持開放協議的工業級產品，支持主流RFID讀卡功能;水、電、空調、新風系統要求符合實驗室相應國家標準且使用方便、安全可靠;照明系統要求能根據實驗室的具體環境進行自動調節，健康、節能、環保。

網絡基礎設施主要由網絡通信設備、互聯網關等設備組成，提供實驗室基礎設施和實驗教學設施之間的通信功能。

實驗教學設施是進行實驗教學的輔助工具，正確有效地利用這些教學設施，可以實現多樣化教學，提升學生參與感的基礎。主要包括多屏顯示設備、智能控制設備、音響設備、錄播設備、儀器設備、觸控設備、監控設備、可穿戴設備等。

2.2.2? 網絡傳輸層

網絡傳輸層的主要功能是提供網絡的接入和數據的傳輸。通過有線網絡、無線網絡、物聯網絡、4G/5G等網絡連接方式，實現實驗室中物與物、人與物、人與人之間的全面互聯、互通與互動，實現物理空間和信息空間的無縫對接，為智慧實驗室各類應用或服務提供泛在、便捷的網絡支撐，為智慧實驗室提供信息獲取、傳輸和實時服務能力。

通過環境傳感器和M2M終端等物聯網設備，借助物聯網接入到互聯網，實現對實驗室環境的實時監測、監控，出現異常情況時，可通過實驗室綜合管理云平臺將告警信息直接推送給相關負責人，從而保證實驗室環境安全。智慧實驗室通過ZigBee網絡和紅外，遠程控制實驗室內的水電、溫濕度、新風系統、窗簾等智能設備。通過網絡層提供的不同類型的網絡方式實現互聯互通，用戶使用手機、筆記本電腦等移動終端，可以實時查看實驗室的監測數據，可以對監測設備或傳感器進行遠程控制，可以隨時隨地訪問實驗室的開放資源，為學校廣大師生創造一個安全、節能、舒適、智慧的實驗學習環境。

2.2.3? 支撐平臺層

支撐平臺層是體現智慧實驗室及其服務能力的核心層，為智慧實驗室的各類應用服務提供渠道和數據支撐，包括云桌面、統一身份認證、大數據分析、直播錄播、數據庫存儲等服務。

基于大數據和云計算的大數據平臺，按照行業信息化數據標準，對實驗教學信息資源進行整合、挖掘、分析，實現實驗數據的互聯、互通、開放、共享，為實驗室的精準管理、科學決策、個性化服務提供數據支撐。通過智慧錄播系統，將優質的實驗教學課程制成高清視頻上傳到實驗室管理云平臺上，學生可以不受時間空間的限制，隨時查看、回放教師的操作過程，更好的、獨立的完成實驗，提高動手實踐能力。

2.2.4? 應用平臺層

應用平臺層是智慧實驗室應用與服務的內容體現，在支撐平臺層的基礎上，實現的智慧實驗室在環境、設備、教學資源和教學等方面的管理功能，為師生提供泛在的服務。應用平臺層通過系統接口、協議集成不同業務的應用子系統，構建一個綜合的實驗室綜合管理平臺，實現對智慧實驗室的高效管理和智慧運營。

2.2.5? 智慧實驗室運營機制

標準規范和保障體系是智慧實驗室建設的重要支撐和基礎條件，標準規范主要包括基礎設施標準規范、網絡傳輸標準規范、信息標準規范、應用標準化體系等，保障體系主要由實驗室人員隊伍、實驗室規則制度、實驗室經費保障機制、運營維護服務和評價體系等組成。智慧實驗室安全體系主要包括實驗室物理安全、基礎設施安全、實驗室系統安全、網絡安全、數據安全、應用安全和安全管理等，為智慧實驗室提供安全保障。

3? 智慧實驗室主要技術方案

3.1? RFID技術

射頻識別（RFID）技術是一種能夠準確、高效地進行信息采集與處理的通信技術，通過射頻信號實現對實體對象進行唯一有效的識別，通過無線局域網傳輸數據，具有實時采集更新信息、存儲信息量大、使用壽命長、工作效率高等特點，被廣泛用于物流、身份識別、資產管理、安全控制等領域^[6]。

基于RFID技術的設備智能管理系統，可以對帶有RFID標簽的儀器設備信息實時進行監控、跟蹤，通過集成RFID讀寫器的AP定時上傳儀器設備的位置信息、狀態信息、電流大小等，實現對設備的智能管控，為設備的采購、評估、管理提供數據支撐。RFID系統與人臉識別系統對接，實現對多種身份的識別，提升實驗室管理、服務和教學以及實驗室設備的智能化水平。

3.2? 智能動環系統

實驗室是高校進行實驗教學、科研實踐的重要場所，必須對實驗室的運行環境、安全因素進行全面的監控和管理，才能保證實驗過程的安全、穩定，以及實驗結果的準確。融合互聯網+與物聯網技術的實驗室動環系統，實現對實驗室內的人員、基礎設施、儀器設備、實驗室環境、水電情況等進行有效的感知識別和自動控制。

智能動環系統由物聯網、互聯網、互聯網關、智能終端、服務器等組成。智能動環系統中的環境傳感器、智能終端，通過物聯網將采集到的實驗環境、設備運行狀態等信息通過互聯網關傳輸到服務器，管理人員使用終端通過互聯網、移動互聯網登錄服務器管理端，對實驗室的環境和設備進行查看、控制。管理人員可以在后臺管理頁面中設置異常情況，當實驗室環境或設備情況出現異常時，系統自動將預警信息以短信、電話通知、微信、郵件等多種形式發送或通知給指定人員，讓實驗室安全得到實時的保障。

3.3? 智慧錄播系統

高校的實驗課程通常都是在實驗室現場操作或演示的方式進行，受現場條件的限制，存在學生看不清、看不懂的情況。智慧錄播系統通過應用廣播級音視頻處理技術與電視語言AI導播技術，配合廣播級攝像機與4K超高清攝像機，將教師的現場操作以及與學生的互動過程全方位、多角度、完整地記錄下來，并將錄制的視頻自動同步到云平臺，形成優質的實驗教學資源。

智慧錄播系統支持多角度全景記錄，教師移動自動跟拍，學生討論自動巡視，可以適應不同的教學模式。通過人臉識別、體態識別等，自動篩選優質鏡頭、自動調整畫面構圖與人像比例。系統支持網絡直播，可與主流視頻平臺對接，支持遠程同步授課，實現跨校區授課。學生不僅可以通過網絡同步觀看現場直播，遠程參與互動，還可以在課后查看、回放教師的操作視頻，獨立的完成課程實驗。

3.4? 智慧實驗教學平臺

基于云計算技術建設以視頻為手段、以分析為方法、以數據為核心，開放、互動、智慧的實驗教學云平臺，服務智慧實驗室的管理與建設。智慧實驗教學平臺部署在云端服務器，采用B/S架構，基于SpringBoot和Vue框架，采用MySQL數據庫，Redis緩存，前后端分離等技術實現。實驗教學云平臺由基礎信息平臺、實驗教學管理平臺、智分析平臺、智能互動平臺、資源管理平臺、智慧錄播等系統組成，如圖2所示。

其中，實驗教學云平臺的智分析平臺，是基于Hadoop等技術的大數據分析平臺，對師生實驗教學互動和學生實驗過程的大數據開展多維度、實時全面、智能化的分析挖掘，指導學校不斷改進實驗教學方法、變革人才培養模式、提升管理水平、提高教學質量。

3.5? 沉浸式學習空間

實驗學習空間是開展實驗學習活動的區域，設計實驗室學習空間是幫助學生在實驗環境中產生學習的意愿，通過相應的學習行為，提高實驗教學質量。

沉浸式實驗學習空間是利用沉浸式技術，為學生構建一個將現實環境與虛擬環境融為一體的沉浸式學習環境，提供深度互動和智能化實驗教學服務，為實驗教學形式多樣化、學習方式個性化提供環境支持^[7]。沉浸式實驗學習空間涉及的技術主要包括人工智能、5G、大數據、擴展現實（XR）、數字孿生（DT）、情感計算、觸覺反饋、擬像搭建、手勢識別技術、全息、360度視頻等，這些信息技術的有效融合和利用，可以為師生創建一個實驗體驗感強、交互程度高的沉浸式實驗環境;為學生提供一個身臨其境的實驗觀察環境，以及提供智能提醒、智能推薦的多樣化服務，增強了實驗教學的課堂互動和情景式體驗。

3.6? 云桌面系統

云桌面技術是一種利用虛擬技術，將服務器的硬件資源進行虛擬化處理，提升資源利用率，節約建設成本。云桌面技術的出現為高校實驗室教學的快速發展帶來了更多機遇，基于云桌面技術的實驗室管理平臺，降低了維護和部署成本，提高了實驗教學投資回報率。當前主流的云桌面技術有RDS、VDI、IDV、VOI四種解決方案，四種方案各具優缺點。其中，VDI部署方案具有桌面移動性好、集中管理控制易操作等優點，成為當前智慧實驗室云桌面使用較多的部署方案。各高校在選擇部署方案時，應根據實驗室對運算性能、圖像處理、運維管控等多方面的要求，選擇合適的云桌面部署方案。

隨著實驗場景的復雜多變，單一桌面虛擬化技術無法滿足復雜應用場景業務需要，提供對多種云桌面技術兼容是云桌面發展的一個方向。如銳捷網絡三擎桌面云解決方案，通過超融合平臺，搭載全新終端云化（TCE）、桌面云化（DCE）、應用云化（ACE）三大引擎，構建桌面云平臺，提供對VDI、IDV、VOI技術能力的支撐，為不同業務應用場景提供相匹配的解決方案，實現一致的運維、管理和使用體驗，降低了投入成本，系統界面如圖3所示。

4? 結? 論

教育信息化背景下，融合5G、物聯網、大數據、云計算、區塊鏈、人工智能、虛擬現實等信息技術，以提高學生的實踐能力和創新能力為核心，以實驗教學項目為基礎，建設智慧實驗室是高校實驗室發展的必然方向。本文提出的智慧實驗室體系框架，將實驗教學相關的各要素聯系起來，為師生打造一個綠色安全、節能環保、智能舒適、共享開放、泛在智能的實驗環境。隨著信息技術的迅猛發展，智慧實驗室體系框架將持續得到完善，不斷創新實驗室管理模式和實驗教學方式，逐步發展演進并形成實驗環境智慧、實驗教學效果良好、實驗教學資源共享開放的高校實驗教學體系，推動實驗教學高質量發展。

參考文獻：

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作者簡介：王寶祥（1975—），男，漢族，河南開封人，講師，碩士，研究方向：計算機應用技術、高校信息化;潘超（1985—），男，漢族，河南開封人，軟件設計師，碩士，研究方向：大數據、高校信息化。

收稿日期：2021-04-03

基金項目：河南開封科技傳媒學院教育教學改革研究與實踐項目（KCJG-2021C-017）