基于创新实验室的学生实践能力培养探讨＊

2019-01-04弓伟曹东门韶洋罗晓牧

科技与创新 2018年24期

弓伟，曹东，门韶洋，罗晓牧

基于创新实验室的学生实践能力培养探讨＊

弓伟，曹东，门韶洋，罗晓牧

（广州中医药大学，广东广州 510006）

实践教学环节是培养具有实践能力与创新人才的重要基础，大学生实践动手能力的提高已经成为当前我国高等教育亟待加强的重要任务之一。高校实验室作为开展实践教学和科学研究的重要平台，其传统的建设和管理模式弊端愈发突显，亟待改进。提出一种基于物联网技术的应用于高等院校的创新实验室架构，探讨该架构下各功能模块的设计。基于此创新实验室，开展多层次的学生创新实践能力培养活动，真正做到以学生为中心，有效促进学生实践能力的提升。

物联网；创新实验室；实践能力；创新能力

1 概述

2017-09，教育部长陈宝生曾在《人民日报》撰文，提出传统的授课模式根本无法培养学生的创新能力与实践能力，课堂教学改革是教育改革的核心，吹响了“课堂革命”的号角。前教育部长周济也曾指出：“知识来源于实践，能力来源于实践，素质更要在实践中不断提高。”根据麦可思研究院的一项调查显示，近70%的本科生和近60%的高职高专毕业生认为，母校教学最需要改进的地方为实习和实践环节不够。显然，高等学校实习实践环节成为了教学改进的重点。大学生实践动手能力的培养已经成为当前我国高等教育亟待加强的重要任务之一，而高校实验室是提高大学生实践动手能力的重要平台[1-2]。大学生在国家“大众创业、万众创新”改革思路的引领下对于高校实验室的建设要求越来越高，高校自身对于实验室管理工作的要求不断精细化和科学化，面对规模日益庞大、日趋繁杂的实验室管理工作，传统的实验室建设和管理模式弊端愈来愈明显[3-4]，已经不能充分满足提高学生实践能力的需求，新型的高校实验室呼之欲出。

2 基于物联网的创新实验室

物联网的概念最初是由美国麻省理工学院（MIT）的Kevin Ash-ton教授在1999年首次提出的。2009年IBM公司首次提出“智慧地球”的概念，建议美国政府投资新一代的智慧型基础设施。2009-08，温家宝总理在“感知中国”的讲话中把我国物联网领域的研究和应用开发推向了高潮，物联网成为国家新兴产略性产业之一。

基于物联网的创新实验室可以视为“智慧地球”概念的具体场景应用——“智慧实验室”[5]。传统的高校实验室由于各项资料和信息主要靠人工收集和整理，导致管理效率低；大部分实验室只在上课期间供学生实验教学使用，而在周末等非上课期间闲置，造成实验室资源的极大浪费，使用效率低；各实验室一般划归给各院系管理，各实验室之间信息沟通不畅通，成为信息孤岛。国外高校的实验室管理较为先进，但由于国外高校的实验室管理模式与国内差异较大[6]，在借鉴国外经验时必须要结合国内的实际情况。

基于物联网技术，充分考虑高等院校实验室的应用场景和管理模式，提出基于物联网创新实验室的架构模型，采用三层体系结构[7-9]，如图1所示。

图1 创新实验室架构体系

在典型物联网结构的基础上，充分考虑控制反馈的功能，实现对设备感知层相关设备进行控制的同时，同步获取实时数据，形成双向数据交互，并通过网络平台层将海量数据集中存储在网络平台层的服务器中。主控台计算机对数据加以分析利用，实现对相关事务的智能管理。

设备感知层包含了创新实验室用到的各种信息传感设备，负责获取实验室相关的设备、环境等状态信息，并按照约定的通讯协议，通过网络平台层传递给主控计算机分析处理。其中，温度、湿度等传感器负责实验室环境状态的监测，门禁装置和闸机系统负责实验室出入的权限管理，防盗系统保障实验室的财产安全，视频监控系统便于远程监控实验室的使用状态。

主控计算机根据从设备感知层获取的信息以及数据的分析结果，将有关控制指令通过网络平台层传递给设备感知层的各种设备，从而实现闭环的控制。最上层的业务系统层可以灵活搭配丰富多样的拓展应用模块，最大程度满足学校、学院、实验室等使用者和管理者的需求，实现实验室相关工作的全过程智能化管理，使管理工作从粗放式向精细化转变，达到提高管理水平的目的。

3 创新实验室架构体系各层介绍

设备感知层是实现创新实验室的物理基础。物联网创新实验室要求所有的仪器设备状态、实验室环境状态、电路工作状态等所有与实验室运行相关的信息和参数都可以通过网络平台层按照约定的通讯协议传输给主控计算机。

根据温湿度传感器对环境温度的实时监测[10]，控制空调系统的适时工作，节能环保；所有的仪器设备与智能中控装置连接，具备断电续航和离线运行管理功能，保证在各种情况下实验室的正常工作；当学生在网上预约使用实验室并获得批准后，便可以在预约规定的时间内通过刷卡或人脸识别等方式自由出入实验室，即获得对门禁和闸机系统的控制权；所有的用电仪器设备受智能电源分配单元的控制，当学生在网上预约使用仪器设备时，在预约规定的时间内智能电源分配单元便可控制相应的仪器设备通电工作，并实时监测电流、电压和电功率，防止过流、过压和过载；防盗系统采用声磁防盗门，避免射频防盗门易受金属等物品而产生误报的问题，实现几乎零误报。实验室内所有的仪器设备都会贴上ID值唯一的声磁标签，做到物品与标签一一对应，当有人试图将实验室内的物品拿出时，防盗系统可以对应到相应的标签，即相应的物品。

网络平台层是实验室的电气、实验设备等与远程主控计算机进行数据交互的通道，根据实际需要决定服务器的容量等配置信息，是否将此校园局域网接入公网等。

业务应用层实现的功能包括课程实验管理、开放/创新实验管理、实验室数据统计分析、大型仪器共享等模块[11]。针对教学任务内的课内实验，实现教学实验自动化，即自动签到、自主预习及实验、实验结果一键上传、在线作业、线上批改等实验全过程自动化；针对全国大学生数学建模竞赛、电子设计竞赛以及“挑战杯”等全国大学生系列科技学术竞赛，实现实验室的全天候预约开放使用，即在线预约、信息提醒、实时掌控仪器使用状态，权责明晰，实现仪器管理使用全过程信息化；创建智慧型学习平台，根据不同课程上传教育资源，提供针对性的使用指导，实现学生自主实验，减少教师的重复性劳动，减少实验室管理人员的负担；为学生提供仪器性能、位置、状态等信息，为学生提供全天候智慧教学体验；根据系统在使用过程中产生的大量数据，可进行大数据的分析[12]，自动生成丰富的报表，为管理部门的决策提供强有力的数据支持，精准定量评价实验室的各项指标。

4 创新实验室对提高学生实践能力的促进作用

高校实验室作为提高大学生实践动手能力的重要平台，在当今时代背景下存在以下矛盾：教学实验创新性需求与传统教学管理模式之间的矛盾，教学实验自动化管理与教师繁重的教学实验任务之间的矛盾，学生自主实验能力发展与教学实验室开放程度不够之间的矛盾，校园信息化建设与实验室信息孤岛之间的矛盾。

根据上述分析，基于物联网的创新实验室为有效解决这些矛盾提供了思路和参考。打破信息孤岛，统筹全部资源，智慧化开放管理，实验室管理从以教师为中心转变为以学生为中心，提高学生提升实践动手能力的主观能动性。基于物联网的创新实验室，创新的基础在于物联网技术，创新的核心在于实验室的管理方式，创新的着力点在于激发学生的实践兴趣，创新的目的在于提高学生的实践能力[13]。

基于物联网的创新实验室集基础实验室、专业实验室、创新实验室、科研实验室为一体，对学生实行全面开放，满足了不同层次学生的个性化需求，提高了学生的创新实践能力，为培养具有创新实践能力的人才奠定了坚实基础。

［1］杨晓慧.我国高校创业教育与创新型人才培养研究［J］.中国高教研究，2015（1）：39-44.

［2］林健.新工科建设：强势打造“卓越计划”升级版［J］.高等工程教育研究，2017（3）：7-14.

［3］刘昌鑫，陈慧娟，欧阳春娟，等.物联网技术支持下的高校智慧实验室构建探析［J］.中国教育信息化，2016（7）：54-56.

［4］刘风华，潘江如.加拿大高校工程实践能力培养模式及启示［J］.实验技术与管理，2017，34（4）：272-274.

［5］曲娜，盛桂珍，杨海波.基于物联网技术的智慧开放实验室管理系统设计［J］.实验技术与管理，2015，32（12）：140-142.

［6］邓晓梅.基于国外先进经验的高校实验室管理策略［J］.课程教育研究，2016（22）：14.

［7］韩会龙.基于ZigBee的高校智慧实验室环境感知系统设计［J］.仪器仪表与分析监测，2016（3）：38-41.

［8］赖程鹏.基于物联网技术的智慧实验室的研究与设计［D］.北京：华北电力大学，2015．

［9］周春月，闰子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究［J］.实验室研究与探索，2014，33（5）：239-243.

［10］张晓翟.基于ZigBee的实验室温湿度集中监测系统［D］.哈尔滨：黑龙江大学，2011.

［11］彭一明，范雪松，龙新征.构建物联、互联、智能化的智慧计算机实验室［J］.实验技术与管理，2016，33（2）：216-219.