5G+“MetaLab”智慧實驗室建設探索研究

劉芳敏　蘇文斌　李茂奎

關鍵詞：5G 網絡；智慧實驗室；教育大數據；數字孿生系統；虛擬仿真教學；沉浸式網絡直播實驗教學

5G 網絡擁有完全不同于傳統網絡的特點，以超高速、低時延、大連接、高可靠性等特性為契機，探索建設MetaLab 智慧實驗室。MetaLab 是指利用混合現實、人工智能等先進數字技術，依托5G 網絡技術以獲取和管理教育大數據為目的，探索建立面向智慧教育的實驗室教學數字孿生系統。MetaLab 智慧實驗室概念首次被提出，其中混合現實（MR）、教育大數據（EducationBig Data）、實驗室教學數字孿生系統（Twin System）、人工智能（AI）等是關鍵內容。

一、“MetaLab”智慧實驗室建設背景與意義

（一）物聯網、安全問題、疫情背景下智慧實驗室建設

實驗室作為國家創新體系的核心與關鍵平臺，代表著國家參與世界科技競爭的重要力量。在5G 時代和人工智能快速發展的大背景下，構建安全、創新、智慧、共享的實驗室，是實驗室設計、建設和管理方都非常關注的熱點問題。

為此，借助人的智慧和科技創新，深化體制機制改革，打造信息化程度較高的智慧實驗室，提高安全管理與科教服務能力，是我們面臨的嚴峻課題。特別是在新冠疫情這種高傳染性疾病在全球暴發的情況下，各領域實驗室向著智慧化發展更加迫切。智慧實驗室將在保障人類健康、環境安全以及促進經濟社會發展方面做出更大的貢獻。

（二）5G 網絡技術構建智慧實驗室全新生態

5G 作為新一輪科技革命的代表和引領技術，將開啟“萬物互聯”的時代。它使人類的連接技術達到了前所未有的高度。我國在5G 的發展已取得了積極的成果，并加速進入5G 應用規模發展的新階段。教育作為國之大計，是民生重點關注領域，加強5G 與教育的融合和創新應用對推動教育模式變革、提高教育質量、促進教育發展具有重要意義。

深度應用5G 等新一代信息技術可以推動高校實驗室的數字轉型、智能升級和融合創新[1]。同時，開展5G+ 智慧實驗室應用試點可以形成技術先進、效果顯著的5G 與教育教學融合的典型應用，探索可復制、可推廣和可規模化的發展模式，開啟智慧實驗室建設的全新生態，為教育的高質量發展提供新的發展路徑。

（三）依托5G 網絡建設實驗室智慧平臺，探索智慧實驗室建設的新途徑、新模式，為雙一流實驗室建設規范樹立標桿

黨中央、國務院實行的“雙一流”建設戰略為高校建設注入了新的內涵，提供了新的發展機遇。高校“雙一流”建設的主要目標是推動創新，而實驗室則是創新的源頭，是競爭的主戰場和橋頭堡；在國際交流中，實驗室也扮演著平臺和紐帶的角色，作用越來越明顯。高校“雙一流”建設的根本目的是培養人才，而要培養一流人才離不開一流實驗室的支撐。實驗室是培養學生知識應用能力、解決問題能力、實踐動手能力以及培育創新和創業精神的重要平臺，是人才培養的重要基地。

建設5G+ 智慧實驗室是實現高校一流實驗室高質量內涵式發展的重要途徑。這種實驗室可以有效地解決目前高校實驗室建設發展過程中存在的問題，如缺乏統籌規劃、資源使用效益有待提升、實驗室安全隱患等問題。它可以推動我國高校實驗室建設水平的整體提升，為高等教育發展乃至經濟社會的發展提供更加有力的支撐。智慧實驗室建設的新途徑、新模式是實驗室建設發展的核心與關鍵[2]，它為雙一流實驗室建設規范樹立標桿。

二、“MetaLab”智慧實驗室建設內容

（一）建立獲取實驗室教育大數據的高效物聯網技術解決方案

5G 就像一把鑰匙，開啟了一個萬物智能互聯時代，標志著智能互聯的到來。在接下來的十年中，5G 的部署與發展將與大數據的傳輸、分析和運用結合，其核心應用將是人工智能。MetaLab 智慧實驗室將聯合人工智能行業先鋒企業合作，共同研發機器人助教。這些機器人將實現自然語言互動模式，能夠解答實驗過程中的問題，提供必要的專業知識和行業專家或教師積累的寶貴經驗，用人工智能助力實驗教學。

人工智能的發展離不開數據庫，在MetaLab 智慧實驗室中，實驗室教育大數據不僅包括專業的實驗知識庫，還包括學生在實驗室內的學習行為、語言交互等“立體數據”，而非傳統的基本成績、考勤、實驗報告等“平面數據”。通過機器視覺分析及深度學習等技術，可以分析學生的學習行為、實驗過程、實驗數據、學時數、查閱資料數據、實驗報告等學習數據，積累大量的學生學習數據后，建設學生能力培養智慧引導系統和綜合能力數字畫像系統。這些系統可以為學生能力的培養與測評提供個性化、精確化解決方案。

MetaLab 智慧實驗室運用5G 融合技術、即時音視頻通訊、AI 識別、AR 交互、邊緣計算等先進技術，為師生提供一套基于5G+AI+AR 智能眼鏡的遠程端到端示教解決方案。這種解決方案覆蓋了設備儀器的操作、安全教育培訓等場景。教師等專家與佩戴者具有同一視角，借助語音、AR 標注、截屏標記、圖片、文件、文字等信息，指導其完成每一項學習及操作步驟，大幅提升實驗教育的效率和質量。

（二）搭建智慧實驗室數字孿生系統

MetaLab 智慧實驗室采用數字化方式，實現實驗室和儀器設備的拷貝和虛擬仿真。為此，他們需要先進行實驗室及儀器設備同步，即以真實的實驗室及儀器設備為基礎，在虛擬實驗室系統中構建一套對應的模型。這需要對真實實驗室中的每臺儀器設備進行3D 建模，并將其放入虛擬場景中。由此實現真實實驗室和虛擬實驗室的一一對應，并進行數據同步。通過5G 通信連接技術，實現真實設備與虛擬設備的實時聯動[3]，從而實時監控實驗室。這是該項目中促進實驗室系統數字化、網絡化、智能化轉型的重要驅動器。

在疫情后時代，由于實驗教學涉及儀器操作、實驗過程及實驗現象的觀察，因此直播課堂的建設有別于理論教學。為此，MetaLab 智慧實驗室將采用5G 全息技術和網絡視頻交互，構建實驗直播課堂系統，全方位展示實驗過程與實驗結果。同時，他們還可以將抽象的理論進行動態演示，使學生能夠獲得沉浸的實驗教學體驗。這將是一種全新的實驗教學方式，具有非常大的潛力，可以極大地提高學生的實驗技能和實驗理解能力。

為積極響應國家教育發展戰略，MetaLab 智慧實驗室將以5G+AR 技術為核心驅動力，打造虛擬仿真實驗教學平臺。這個平臺將允許學生從認知、實踐與應用多個角度體驗和學習，讓他們在虛擬環境下體驗真實的實驗場景[4]。這種平臺一方面可以完成傳統實驗室無法完成的實驗，另一方面可以增加對理論和儀器設備的理解，將理論與實踐相結合，有效提高學生的學習興趣和效率。這是一項非常有前途的教育技術，在未來的教育領域可能有著廣泛的應用。

三、“MetaLab”智慧實驗室建設使用場景

通過改革教學路徑、形態和方式，拓展教學空間，提升教學質量，可以將人工智能技術植入教學之中。將人工智能機器人作為教學助手，這些機器人助教是經過系列功能定制開發的。它們可以自行充電移動，為學生提供實驗室導航，為學生學習答疑，同時收集反饋意見等多項功能。借助人工智能輔助教學的新形勢和新角度，機器人助教可以在實踐課程中加強對學生價值導向的引導。有趣的形象和不拘的形式，更容易吸引學生的注意力，使學生樂于尋求問題并為機器人助教下命令或者聊天，形成良好的互動教學，給課堂增添活力。這種教學方法將是未來實驗教學的一大特色。

以學生為中心，設計一種無感采集學生的信息數據的方法，包括學生的學習過程、成績、課堂表現、社團、社交、創新、消費、交流、科研、培訓、實習、社會服務等，然后開展大數據聚類分析[5]，特別是對學生的學習能力、學習習慣、知識體系缺陷、科研探究、創新能力、組織能力、心理及身體健康等關鍵內容進行標簽化、可視化的數據化處理。這些實驗教育大數據與智慧實驗室相配合，進一步指導和規范學生的日常學習過程，實現學習潛移默化。

大型儀器設備公共服務平臺面向全校師生乃至社會人員開放，人員流動性很高。平臺使用者可以通過電腦、平板、手機、AR 眼鏡等設備實時顯示設備使用者的操作全過程。設備管理人員可以以第一視角獲知現場情況并通過AR 標注和凍屏標注等操作，實時確認設備使用者的操作準確性。設備使用者通過佩戴AR 智能眼鏡，實時獲取設備管理人員的信息指導，從而實現互動式設備操作，更加高效地服務于教研活動。

通過虛擬實驗室的3D 可視化效果，可以更清晰地了解實驗室的真實狀況[6]。比如人員管理方面，可以直觀地看到哪些人在什么時候進入了哪間實驗室并進行了什么實驗操作，并通過既定動作識別分析人員是否遵守安全操作規程。例如，在開啟激光器前是否佩戴護目鏡，在進行設備操作時是否在安全區域內，實驗完成后是否整理設備、斷電關閉門窗等行為，這些行為都可以通過虛擬實驗室進行監控和管理，以達到安全管理的目的。

在設備管理方面，整個實驗室儀器設備運行狀況一目了然。例如，哪臺設備運行時間過長，哪臺設備經常處于閑置狀態，哪臺設備的溫度或電流超出了設定的安全范圍，這些數據都能進行實時分析，準確預判設備的運行狀態。系統會將有問題的儀器設備或部位通過3D 可視化手段直觀地表現出來，非常方便排查隱患；比如運行管理，系統可以整合出整個實驗室的實驗資源消耗，如線材、氣體、酒精等耗材消耗，使管理者更方便高效地實現實驗資源的管理。

四、“MetaLab”智慧實驗室建設效益

MetaLab智慧實驗室旨在推動將實驗室打造成安全、高效、節能、和諧的綜合科教場所，最大程度節約實驗成本，降低實驗損耗，加強我國實驗室行業與國際同行的交流，提升我國實驗室的國際影響力，助力實驗室規劃設計、建設、操作、管理的綠色生態優化升級。

MetaLab 智慧實驗室以5G 網絡技術、物聯網、人工智能、大數據等現代教育技術應用為主線，將硬件基礎設施、軟件信息資源、實驗人員、實驗過程等各要素連接起來，創造了智能、安全、高效、開放和舒適的新型實驗環境。這種實驗環境實現了教育教學智能化、環境監測實時化、設備管理自動化、資源獲取信息化以及實驗管理高效化。可以預見，MetaLab 智慧實驗室的價值將逐漸從實驗環境的創新和 管理方法的變革，對實驗的教學模式和教育理念產生影響。

高校實驗室涉及的是學科與領域，強調創新與安全。MetaLab 智慧實驗室建設的實際需求、建設模式、建設實施、管理運行等方面為全國智慧實驗室的建設鋪好路；將構建和完善MetaLab 智慧實驗室標準體系，為當前智慧實驗室建設和發展提供基礎和必要條件。“MetaLab”智慧實驗室建設以“實驗室安全和規范化管理、智慧化建設與可持續發展”為主題，響應國家對實驗室能力建設的號召，將有效推動實驗室先進設計、建設與運營管理經驗的共享，逐步提高我國實驗室的建設質量、建設水平與高效運行。

五、結束語

通過MetaLab 智慧實驗室建設，建立高效的物聯網技術解決方案，以獲取實驗室教育大數據。實驗室教育大數據已經不局限于傳統的“平面數據”（如成績、考勤、實驗報告等），而是更加側重于學生在實驗室內的學習行為、語言交互等“立體數據”。依托實驗室教育大數據，建立互動式實驗室知識庫，定制實驗室現場機器助教和遠程示教。通過挖掘、管理及分析實驗室教育大數據，建設學生能力培養智慧引導系統和綜合能力數字畫像系統，為學生能力的培養與測評提供個性化、精確化解決方案。

項目組將搭建實驗室教學數字孿生系統，依托5G網絡技術，運用物聯網、云計算等信息技術，將實驗室場景、設備、教師教學行為、學生學習行為等內容建模映射成為虛擬空間中的實驗室教學數字孿生系統。結合實驗室教育大數據，將現實實驗室場景中的學生能力培養過程反饋到數字孿生系統中，從多角度仿真和模擬學生整個能力培養周期，并為學生現實場景中的學習進程提供更加精準的培養方案。此外，借助MetaLab 的數字孿生系統還可以深入虛擬仿真教學，開展多場景沉浸式網絡直播實驗教學。

“Meta”在英文中有“元、創始”的含義。通過5G+“MetaLab”智慧實驗室建設，標志著向新一代實驗室數字應用生態的轉變邁出了第一步，這些轉變包括傳統實驗室教學內容、場景和教學過程等要素。這為未來的教學和學習提供了新的模式，并為學生培養提供了精準方案，同時為師生提供了全新的實驗室體驗。

作者單位：劉芳敏 蘇文斌 李茂奎 山東大學物理學院物理實驗教學中心