教育信息化背景下高校智慧实验室的构建研究

王宝祥 潘超

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.045

摘  要：实验室是锻炼学生动手能力，增强实践能力和科研能力的重要场所。智慧实验室是未来实验室发展的必然趋势，近年来引起各大高校的广泛关注。文章分析了传统高校实验室管理和使用过程中存在的问题，深入研究了智慧实验室的体系框架及构建的关键技術，基于新一代信息技术设计了一套智慧实验室的构建技术方案，以期为高校智慧实验室的建设和研究提供借鉴。

关键词：教育信息化;高校;智慧实验室;实验室建设

中图分类号：TP39;G434  文献标识码：A 文章编号：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

《中国教育现代化2035》提出更加注重培养应用型、复合型、技术技能型人才，充分发挥实验室的作用，将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量，以高质量的实验教学，助推教育现代化。实验室是高校开展实践课程、进行科学研究、培养创新型人才的重要场所^[1]。随着新的信息化技术的不断发展，高校信息化建设进入了深水区^[2]。2020年突发的新冠疫情给各高校信息化提出了新的挑战，教学活动尤其是实验教学遇到的困难最大，泛在学习将成为新常态，教育的融合创新是必然选择，也是推动教育信息化引领教育现代化的内在要求。

随着5G技术的持续商用，物联网、大数据、云计算、人工智能等信息技术进入一个新的发展机遇期，如何利用这些新技术，实现与高校实验教育教学的深度融合，促进实验教学的高质量快速发展，培养具有高素质的创新型人才，成为当前高校信息化建设的重要发展方向。

1  智慧实验室概述

1.1  实验室现状

随着高校信息化建设的不断发展，作为实践能力和人才培养的重要场所，高校实验室的信息化程度也在不断提升，有效提高了实验教学质量和管理服务水平。由于在实验室建设初期缺乏统一规划，以及相关人员信息素养的欠缺，致使在后期的管理和使用过程中逐渐暴露出以下问题：（1）管理自动化程度不够，设备难以跟踪、定位，出现问题难以得到及时解决。（2）实验室安全隐患大，未实现对实验室内部环境的全面实时监测和预警。（3）智能化程度不足，易造成资源的浪费。（4）实验资源难共享，存在“信息孤岛”。（5）缺少共享共建，造成仪器设备的低水平重复建设和实验室的利用率低下。（6）师生之间缺乏互动，学生参与感不强，体验差。（7）缺少实验资源平台和实验教学资源的收集、分析和存储，造成实验教学资源浪费。

随着大数据、人工智能、云计算、物联网及移动互联网等新技术的飞速发展，为高校智慧实验室建设带来了新的机遇，如何融合新技术服务于高校的实验教育教学和管理工作，从而推进高校实验教学改革和信息化建设，是大多数高校当前面临的重要课题。

1.2  智慧实验室

国内外关于智慧实验室的研究有很多。中国工程院朱蓓薇院士在2017年中德智慧实验室建设与发展高峰论坛上，指出智慧实验室是对传统实验室的改造升级，是融合新一代信息技术，让实验室为师生提供更加高效、安全、便捷的服务^[3]。李楠利用了物联网技术，基于PHP+Apache+MySQL框架，按照由数据采集层、数据传输层和应用程序层组成的系统总体架构，设计并开发了一款高校智慧实验室设备管理系统，实现了实验室环境管控、设备智能化管理等功能，有效地提高了实验室的管理效率和水平^[4]。

目前，关于智慧实验室尚未有一个明确的定义^[5]，但普遍认为智慧实验室是运用先进的互联网、物联网，云计算、大数据、人工智能、移动应用等技术，为师生创造一个安全、节能、智能的实验教学环境，提供智慧化的管理、多样化的教学模式和个性化的服务。智慧实验室将改变传统高校实验室重复建设、利用率低、管理不便等现状，实现实验环境安全可控、实验管理智能管控、实验资源共享共建、实验教学多样化、实验学习泛在化。智慧实验室是智慧校园的重要组成部分，是各类型实验室发展的重要方向。

2  智慧实验室设计

2.1  智慧实验室设计思路

智慧实验室的设计，以服务师生为主旨，以“统筹规划、统一标准、共建共享、融合创新、规范管理”为原则，以“支撑实验业务为驱动、进行技术应用和创新”为要求，以提升学生的动手实践能力和科研创新能力为目标，按照数据采集、数据传输、数据分析、数据应用的全生命周期的管理思路进行设计，将新一代的物联网、互联网、云计算和智能设备与实验室建设进行融合创新，建设服务于实验教学全过程的智慧实验教学云平台，最终达到实验环境智慧化、实验管理智能化、实验教学多样化，让老师更轻松地教学，让学生更高效地学习，让管理人员更方便地管理。

实验教学云平台采用模块化架构进行设计，云平台应具有易用性、可靠性、可维护性、可扩展性等特征，充分利用5G、IPv6、人工智能等新技术全面支撑实验教学的信息环境，实现场景化、个性化、沉浸式、互动式的创新教学方式，实现基于大数据分析的服务能力，实现实验室的业务规范化、管理智慧化、教学多样化、服务个性化，提供实验学习线上线下融合、物理虚拟融合的泛在化服务能力，实现“面向管理”到“面向服务”的管理服务模式转变，提升师生实验教学体验感和满意度。

2.2  智慧实验室体系框架

在教育信息化背景下，各高校应重视智慧实验室建设对实验教学改革的支撑与服务作用，融合信息技术，逐步解决实验教学过程中遇到的重点、难点问题，不断创新实验教学理念，不断改革实验教学方式，不断优化实验教学模式，加强培养学生的动手实践和创新能力，以及解决实际问题的能力。

通过对智慧实验室内涵分析研究，按照智慧实验室的设计思路，基于云计算架构和模块化的设计理念，搭建高校智慧实验室的总体架构模型，如图1所示。

2.2.1  基础设施层

基础设施层是智慧实验室的基础设施保障，实现对实验室环境的全面感知及信息采集，为大数据平台的数据分析提供数据支撑，为基于智慧实验室的各种应用提供基础支撑。

实验室基础设施提供实验教学物理层面的支撑，主要由实验室的物理空间、环境传感器、智能终端、RFID装置和控制系统等构成。基础设施设计时应注意，实验室的物理空间要求规划科学、简明整洁、设计合理、方便使用;环境传感器、M2M终端要求采用稳定性强、易安装维护、灵敏度高、响应速度快且支持开放协议的工业级产品，支持主流RFID读卡功能;水、电、空调、新风系统要求符合实验室相应国家标准且使用方便、安全可靠;照明系统要求能根据实验室的具体环境进行自动调节，健康、节能、环保。

网络基础设施主要由网络通信设备、互联网关等设备组成，提供实验室基础设施和实验教学设施之间的通信功能。

实验教学设施是进行实验教学的辅助工具，正确有效地利用这些教学设施，可以实现多样化教学，提升学生参与感的基础。主要包括多屏显示设备、智能控制设备、音响设备、录播设备、仪器设备、触控设备、监控设备、可穿戴设备等。

2.2.2  网络传输层

网络传输层的主要功能是提供网络的接入和数据的传输。通过有线网络、无线网络、物联网络、4G/5G等网络连接方式，实现实验室中物与物、人与物、人与人之间的全面互联、互通与互动，实现物理空间和信息空间的无缝对接，为智慧实验室各类应用或服务提供泛在、便捷的网络支撑，为智慧实验室提供信息获取、传输和实时服务能力。

通过环境传感器和M2M终端等物联网设备，借助物联网接入到互联网，实现对实验室环境的实时监测、监控，出现异常情况时，可通过实验室综合管理云平台将告警信息直接推送给相关负责人，从而保证实验室环境安全。智慧实验室通过ZigBee网络和红外，远程控制实验室内的水电、温湿度、新风系统、窗帘等智能设备。通过网络层提供的不同类型的网络方式实现互联互通，用户使用手机、笔记本电脑等移动终端，可以实时查看实验室的监测数据，可以对监测设备或传感器进行远程控制，可以随时随地访问实验室的开放资源，为学校广大师生创造一个安全、节能、舒适、智慧的实验学习环境。

2.2.3  支撑平台层

支撑平台层是体现智慧实验室及其服务能力的核心层，为智慧实验室的各类应用服务提供渠道和数据支撑，包括云桌面、统一身份认证、大数据分析、直播录播、数据库存储等服务。

基于大数据和云计算的大数据平台，按照行业信息化数据标准，对实验教学信息资源进行整合、挖掘、分析，实现实验数据的互联、互通、开放、共享，为实验室的精准管理、科学决策、个性化服务提供数据支撑。通过智慧录播系统，将优质的实验教学课程制成高清视频上传到实验室管理云平台上，学生可以不受时间空间的限制，随时查看、回放教师的操作过程，更好的、独立的完成实验，提高动手实践能力。

2.2.4  应用平台层

应用平台层是智慧实验室应用与服务的内容体现，在支撑平台层的基础上，实现的智慧实验室在环境、设备、教学资源和教学等方面的管理功能，为师生提供泛在的服務。应用平台层通过系统接口、协议集成不同业务的应用子系统，构建一个综合的实验室综合管理平台，实现对智慧实验室的高效管理和智慧运营。

2.2.5  智慧实验室运营机制

标准规范和保障体系是智慧实验室建设的重要支撑和基础条件，标准规范主要包括基础设施标准规范、网络传输标准规范、信息标准规范、应用标准化体系等，保障体系主要由实验室人员队伍、实验室规则制度、实验室经费保障机制、运营维护服务和评价体系等组成。智慧实验室安全体系主要包括实验室物理安全、基础设施安全、实验室系统安全、网络安全、数据安全、应用安全和安全管理等，为智慧实验室提供安全保障。

3  智慧实验室主要技术方案

3.1  RFID技术

射频识别（RFID）技术是一种能够准确、高效地进行信息采集与处理的通信技术，通过射频信号实现对实体对象进行唯一有效的识别，通过无线局域网传输数據，具有实时采集更新信息、存储信息量大、使用寿命长、工作效率高等特点，被广泛用于物流、身份识别、资产管理、安全控制等领域^[6]。

基于RFID技术的设备智能管理系统，可以对带有RFID标签的仪器设备信息实时进行监控、跟踪，通过集成RFID读写器的AP定时上传仪器设备的位置信息、状态信息、电流大小等，实现对设备的智能管控，为设备的采购、评估、管理提供数据支撑。RFID系统与人脸识别系统对接，实现对多种身份的识别，提升实验室管理、服务和教学以及实验室设备的智能化水平。

3.2  智能动环系统

实验室是高校进行实验教学、科研实践的重要场所，必须对实验室的运行环境、安全因素进行全面的监控和管理，才能保证实验过程的安全、稳定，以及实验结果的准确。融合互联网+与物联网技术的实验室动环系统，实现对实验室内的人员、基础设施、仪器设备、实验室环境、水电情况等进行有效的感知识别和自动控制。

智能动环系统由物联网、互联网、互联网关、智能终端、服务器等组成。智能动环系统中的环境传感器、智能终端，通过物联网将采集到的实验环境、设备运行状态等信息通过互联网关传输到服务器，管理人员使用终端通过互联网、移动互联网登录服务器管理端，对实验室的环境和设备进行查看、控制。管理人员可以在后台管理页面中设置异常情况，当实验室环境或设备情况出现异常时，系统自动将预警信息以短信、电话通知、微信、邮件等多种形式发送或通知给指定人员，让实验室安全得到实时的保障。

3.3  智慧录播系统

高校的实验课程通常都是在实验室现场操作或演示的方式进行，受现场条件的限制，存在学生看不清、看不懂的情况。智慧录播系统通过应用广播级音视频处理技术与电视语言AI导播技术，配合广播级摄像机与4K超高清摄像机，将教师的现场操作以及与学生的互动过程全方位、多角度、完整地记录下来，并将录制的视频自动同步到云平台，形成优质的实验教学资源。

智慧录播系统支持多角度全景记录，教师移动自动跟拍，学生讨论自动巡视，可以适应不同的教学模式。通过人脸识别、体态识别等，自动筛选优质镜头、自动调整画面构图与人像比例。系统支持网络直播，可与主流视频平台对接，支持远程同步授课，实现跨校区授课。学生不仅可以通过网络同步观看现场直播，远程参与互动，还可以在课后查看、回放教师的操作视频，独立的完成课程实验。

3.4  智慧实验教学平台

基于云计算技术建设以视频为手段、以分析为方法、以数据为核心，开放、互动、智慧的实验教学云平台，服务智慧实验室的管理与建设。智慧实验教学平台部署在云端服务器，采用B/S架构，基于SpringBoot和Vue框架，采用MySQL数据库，Redis缓存，前后端分离等技术实现。实验教学云平台由基础信息平台、实验教学管理平台、智分析平台、智能互动平台、资源管理平台、智慧录播等系统组成，如图2所示。

其中，实验教学云平台的智分析平台，是基于Hadoop等技术的大数据分析平台，对师生实验教学互动和学生实验过程的大数据开展多维度、实时全面、智能化的分析挖掘，指导学校不断改进实验教学方法、变革人才培养模式、提升管理水平、提高教学质量。

3.5  沉浸式学习空间

实验学习空间是开展实验学习活动的区域，设计实验室学习空间是帮助学生在实验环境中产生学习的意愿，通过相应的学习行为，提高实验教学质量。

沉浸式实验学习空间是利用沉浸式技术，为学生构建一个将现实环境与虚拟环境融为一体的沉浸式学习环境，提供深度互动和智能化实验教学服务，为实验教学形式多样化、学习方式个性化提供环境支持^[7]。沉浸式实验学习空间涉及的技术主要包括人工智能、5G、大数据、扩展现实（XR）、数字孪生（DT）、情感计算、触觉反馈、拟像搭建、手势识别技术、全息、360度视频等，这些信息技术的有效融合和利用，可以为师生创建一个实验体验感强、交互程度高的沉浸式实验环境;为学生提供一个身临其境的实验观察环境，以及提供智能提醒、智能推荐的多样化服务，增强了实验教学的课堂互动和情景式体验。

3.6  云桌面系统

云桌面技术是一种利用虚拟技术，将服务器的硬件资源进行虚拟化处理，提升资源利用率，节约建设成本。云桌面技术的出现为高校实验室教学的快速发展带来了更多机遇，基于云桌面技术的实验室管理平台，降低了维护和部署成本，提高了实验教学投资回报率。当前主流的云桌面技术有RDS、VDI、IDV、VOI四种解决方案，四种方案各具优缺点。其中，VDI部署方案具有桌面移动性好、集中管理控制易操作等优点，成为当前智慧实验室云桌面使用较多的部署方案。各高校在选择部署方案时，应根据实验室对运算性能、图像处理、运维管控等多方面的要求，选择合适的云桌面部署方案。

随着实验场景的复杂多变，单一桌面虚拟化技术无法满足复杂应用场景业务需要，提供对多种云桌面技术兼容是云桌面发展的一个方向。如锐捷网络三擎桌面云解决方案，通过超融合平台，搭载全新终端云化（TCE）、桌面云化（DCE）、应用云化（ACE）三大引擎，构建桌面云平台，提供对VDI、IDV、VOI技术能力的支撑，为不同业务应用场景提供相匹配的解决方案，实现一致的运维、管理和使用体验，降低了投入成本，系统界面如图3所示。

4  结  论

教育信息化背景下，融合5G、物联网、大数据、云计算、区块链、人工智能、虚拟现实等信息技术，以提高学生的实践能力和创新能力为核心，以实验教学项目为基础，建设智慧实验室是高校实验室发展的必然方向。本文提出的智慧实验室体系框架，将实验教学相关的各要素联系起来，为师生打造一个绿色安全、节能环保、智能舒适、共享开放、泛在智能的实验环境。随着信息技术的迅猛发展，智慧实验室体系框架将持续得到完善，不断创新实验室管理模式和实验教学方式，逐步发展演进并形成实验环境智慧、实验教学效果良好、实验教学资源共享开放的高校实验教学体系，推动实验教学高质量发展。

参考文献：

[1] 张丽华.大数据背景下高校智慧实验室的建构 [J].华北水利水电大学学报：社会科学版，2021（2）：44-49.

[2] 王世新.高校信息化建设进入深水区 [EB/OL].[2021-4-13].https：//www.edu.cn/info/xy/xytp/202104/t2021041 3_2095778.shtml.

[3] 仪器信息网.2017中德智慧实验室建设与发展高峰论坛于盘锦召开 [EB/OL].（2017-8-24）.https：//www.instrument.com. cn/news/20170824/227478.shtml.

[4] 李楠.基于物联网技术的高校智慧实验室设备管理系统的设计与实现 [J].信息技术与信息化，2021（3）：202-205.

[5] 吴庆州，王涛，徐春燕，等.信息化时代构建智慧型物理实验室的研究 [J].实验技术与管理，2020，37（4）：261-264.

[6] 赵越，耿艳栋.一种基于RFID的机房装备智能化管理技术 [J].计算机仿真，2021，38（7）：331-335.

[7] 杨彦军，张佳慧.沉浸式虚实融合环境中具身学习活动设计框架 [J].现代远程教育研究，2021，33（4）：63-73.

作者简介：王宝祥（1975—），男，汉族，河南开封人，讲师，硕士，研究方向：计算机应用技术、高校信息化;潘超（1985—），男，汉族，河南开封人，软件设计师，硕士，研究方向：大数据、高校信息化。

收稿日期：2021-04-03

基金項目：河南开封科技传媒学院教育教学改革研究与实践项目（KCJG-2021C-017）