“智能+”時代高校實驗室信息化建設的實踐探索

徐美勇，夏海蘭，何 雨，王栩楠

（北京郵電大學 資產管理處，北京 100876）

黨的十九大報告指出：要“加快一流大學和一流學科建設，實現高等教育內涵式發展”，高校“雙一流”建設，根本的是一流學科建設，無論是產出一流成果，還是培養一流人才，都少不了一流實驗室的支撐[1]。在推進高校實驗室內涵式建設的過程中，提高實驗室管理效率和水平，已成為高校新工科建設領域的共識。我校在“智能+”時代，勇開新路，充分發揮信息技術學科的優勢，堅持走信息化特色發展道路，建設網絡全覆蓋的智慧校園和綠色實驗室，不斷深化對一流學科建設和創新創業人才培養的支撐，形成了以信息技術打造集約化實驗教學平臺和實驗室管理平臺的新模式。

1 利用信息技術打造集約化實驗教學平臺

高校要以提高實驗室綜合效益為原則，科學設置實驗室結構體系，打破實驗室之間的壁壘和條塊分割，優化資源配置，促進實驗室資源整合與共享[2]。我校依托信息技術，克服實驗教學資源共享渠道不通暢的“信息孤島”現象，減少重復建設，集中優勢資源，著力打造受益面廣、輻射作用明顯、利用率高的實驗教學平臺，并推動成果共享[3]。通過互聯網支撐的信息化教學環境引導教師更有效地投入實踐教學，積極探索實踐教學線上與線下融合、虛擬與實際結合、開放與特色并重的多樣化、跨專業實驗教學平臺，為培養和提高學生實踐能力和創新能力提供強有力的支撐。

1.1 虛擬仿真實驗教學平臺建設

虛擬仿真實驗教學是高校本科人才培養工作中不可或缺的重要組成，可集成多媒體、電子、網絡、人機交互、人工智能等諸多高新技術，對各類復雜、不可及或不可逆的現實工程項目進行抽象和簡化，對培養學生的工程實踐能力和工程創新能力具有積極作用[4]。

學校組織力量、加大投入、重點支持建設了2個國家級虛擬仿真實驗教學中心——“電子信息虛擬仿真實驗教學中心”和“通信與網絡虛擬仿真實驗教學中心”。依托這2個國家級虛擬仿真實驗教學中心，學校加強了虛擬仿真實驗項目的培育和孵化，建設了一批高質量、廣覆蓋的虛擬仿真實驗項目，其中“面向新生的工程認知及創新素質培養的虛擬仿真實驗”獲批為教育部 2017年度示范性虛擬仿真實驗教學項目。

通信與網絡虛擬仿真實驗教學中心構建了“虛實結合”的通信與網絡仿真平臺。該實驗平臺基于先進的SDN技術搭建，利用真實的校園網絡環境提供各類虛擬化的通信和網絡實驗，技術水平國內領先。該實驗教學平臺為我校通信工程等9個本科專業提供7大類101項虛擬實驗，支持“現代通信技術”“計算機網絡”等35門理論專業和仿真實驗課程以及課程設計、綜合訓練項目等，直接服務學生 3000人/年，開設實驗288000人時/年。

電子信息虛擬仿真實驗教學中心研發的開放式虛擬實驗教學平臺，滿足了“電子電路基礎”“高頻電子線路”“數字電路”等課程的虛擬實驗教學需求，高度仿真了電子信息學科實驗器材，如示波器、頻譜分析儀、路由器、交換機、Web服務器等，可供學生隨時隨地開展設計性和驗證性虛擬實驗。“電子電路基礎”“信號與系統”課程開設的虛擬仿真實驗，每年服務學生2000余人次，開設實驗10000人時/年。

1.2 互聯網+外語教學平臺建設

語言實驗教學方法的核心思想是改變傳統的外語教學中偏重理論知識的傳授、輕視語言實踐能力培養的情況，借鑒理工科先進的實驗教學理念，在語言實驗教學中選擇典型的實驗案例，詳解實驗的組成要素，解析實驗的具體步驟，指導學生更加高效地完成實驗報告的提交、求證和分析，語言實驗教學方法已在我校運用了多年[5]。

以該方法為基礎，我校語言實驗教學示范中心自主研發了大學英語教學與評估平臺，依托該平臺創建了“教—學—練—創—考—評”為一體的“互聯網+外語教學模式”。該模式創建了兩個新體系，即語言技能均衡發展的語言教學量規化、多維評價體系和學科深度交叉融合的虛擬仿真實驗體系；實施了“情境創設—主題探究—語言輸出”多模態任務型教學，創建了大數據交互式課程主題資源庫，采用“課堂導學—網絡自主—項目驅動—實驗促學”多維交互模式，為學生提供個性化教學內容與服務，激發了學生的外語學習熱情。

該平臺面向全校41個本科專業開設課程，年度訪問量達117萬人次，有28000名學生參與學習，年實驗人時數約89萬h，形成質量、規模、效益統籌協調發展。經過5年實證研究，該平臺在學生的自我發展、教學質量的提升等方面取得了顯著成效。通過對1萬多名學生進行調查，88%的學生認為借助于強大的互聯網+外語教學平臺，他們的學習效率和學習興趣顯著提升。利用信息技術優勢，學校語言實驗教學示范中心與其他國家級及省市級語言實驗教學示范中心建立了校際交流平臺，促進了校際教育教學的改革與合作。

1.3 電路綜合自主實踐教學平臺

實驗室是學生創新能力培養的主戰場，學生通過實驗課程的學習，獲得更多動手和動腦機會，有利于透過現象挖掘本質，拓寬視野，解決實際問題，領悟科學的思維方法[6]。為貫徹因材施教原則，培養和提高大學生創新思維、創新能力、創新素質及工程實踐能力，發揮實驗教學在創新人才培養中的重要作用，學校加大場地及經費投入，打造了電路綜合自主實踐平臺。在完成實驗室基礎條件建設的基礎上，選拔優秀學生、聘任優秀教師參與電路綜合實驗課程改革項目，以全新的教學模式提高學生的基礎知識掌握能力、設計能力、動手能力和創新能力、語言表達能力、報告撰寫能力，以及學生溝通能力與合作精神，借此探索綜合性實驗教學內容的改革之路。

（1）實驗教學模式的改革。學校將原有的封閉式實踐教學的管理模式改變為全開放模式，利用實驗室開放預約系統，課余時間學生可以自行預約實驗。自主實踐教學平臺推廣的校企合作模式，由企業一線的工程師帶領學生完成工程開發實踐，學生也可以在合作企業的技術環境下，進行自主學習及設計活動。基地定期邀請合作企業高級技術人員開展技術講座，邀請更多領域的優秀企業加入電路綜合實驗教學中來，增添更多的先進實驗內容、軟件和仿真設備，為學生鍛煉工程實踐能力所用。

（2）實驗教學內容的改革。在教學內容上，電路綜合自主實踐教學平臺努力打通電子電路、模擬電路、數字電路、信號與系統等課程的理論和實踐教學，將各電子電路類專業課程融為一體，將學生所學內容進行合理的銜接，由原來孤立的基本知識組合成具有一定功能的綜合性實驗內容。積極推進校企合作，依托最先進的前沿技術平臺，從企業引進各類先進的器件。在實驗設計方面，突出“方向明確、模塊互通、器件便攜、功能先進”的要求，使學生能實現“選定方向、由淺入深、隨時實踐、創新提高”的目標，為進一步的創新科技實踐做好準備。

隨著電路綜合自主實踐教學平臺的開放應用，更多的學生參與到電路設計的動手實踐中來。學生由原來被動式學習轉變為以興趣導向為主的自主設計式學習，在實驗中充分發揮學生自身的自主性、想象力和實踐能力，即“實驗內容自主選擇，學習環境自由開放，實驗過程自己安排，實驗結果自行驗證”。

2 信息化保障實驗室安全管理規范化

保障實驗室的安全和師生人身安全，是高校“雙一流”建設的必要條件和堅實基礎，實驗室安全工作是高校建設發展的重要支撐。我校是一所多科性、研究型大學，開設了工、管、文、理等40多個專業，實驗室類別呈現多樣化趨勢，實驗室安全工作涉及危險化學品、易制毒品、易爆品的全過程管理，以及實驗室消防安全、用電安全、安全教育、環保工作等多方面內容。信息化是加強實驗室安全管理的重要手段[7]。運用現代化的信息技術手段，采取多維度、多元化的實驗室安全管理綜合系統進行多方面的常規管理，并通過數據對接、中間庫關聯等方式打通信息孤島，實現實驗室信息的互聯互通，正在成為實驗室安全管理工作的有力保障。

2.1 實驗室安全準入信息化

學校規定實驗室管理及使用主體應建立針對專業特色和學科特點的安全培訓及考試制度，只有通過了安全知識和專業類安全知識考試的人員（含教師、教輔人員和學生），才可以進入實驗室進行實驗操作[8]。移動互聯網技術的發展，為高校實驗室安全教育工作提供了有力的支持。基于“互聯網+”技術，用戶可以隨時隨地上網，不受時間和空間的限制[9]。

我校通過采用實驗室準入考試系統，可以根據實驗室不同危險因素，選取相應的考試題庫組建練習題和準入考試題，培訓及考試內容包含新生安全常識、用電基礎安全、消防安全、化學安全、生物安全、輻射安全、儀器設備使用安全、機電安全等方面，有效地規范了實驗室準入標準。

2.2 實驗室安全檢查信息化

教育部科技司于2015—2017年連續3年開展了高校實驗室安全督查工作，對75所教育部直屬院校開展實驗室安全現場檢查，集中在安全設施、制度與檢查、場所環境、組織體系、水電和個人防護等356條檢查指標[10]。采用原始的紙質檢查方法進行檢查，容易產生疏漏，且記錄不完整，也不便于查詢檔案。

我校采用實驗室巡檢系統，通過移動終端下發檢查任務，可以關聯顯示所檢查實驗室的危險源等級與具體清單，提醒歷史問題記錄，并通過文字、照片的形式實時記錄檢查情況，自動生成檢查報告，有效規范了實驗室安全的檢查標準，使得實驗室安全檢查更有針對性，信息反饋更快捷。

2.3 危化品全生命周期管理信息化

危化品采購、入庫、使用、存儲、盤點、調劑及廢物處置的全過程，均需要對臺賬、底數、狀態、負責人、處置措施等進行實時動態監管，以確保采購源頭可追溯，過程管理規范完備，處置科學安全，避免各個環節的安全問題。

我校通過實現財務對接的危化品管理系統，可以規范采購渠道，確保采購資質健全的廠商提供服務，并對管制類試劑完成相應的審批流程，確保不會超量購買、超量存儲。同時，電子化的管理模式便于實時準確地記錄動態臺賬，簡化重復工作，統計信息直觀可見，實現危化品全生命周期的動態管理。

2.4 實驗室危險源管控信息化

部分高校由于組織機構和辦公場所分散的特點，存在著不同危險源分類管理的情況，如水電安全管理、消防安全管理、危化品安全管理等方面分別由后勤處、保衛處、實驗室與設備處或者資產管理處等不同部門歸口管理，往往導致實驗室的危險源管控不能協調統一，存在疏漏，且不能一一兼顧。

我校采用互聯互通的實驗室管理系統，可以通過提取實驗室房間、責任人、歸屬團隊、學院等基礎信息，建立危險源的基礎臺賬。通過按照危險源的種類、危險程度建立危險源等級清單，實現全校范圍的危險源分級管控，制訂有針對性的應急預案，聯動多部門采取安全措施。

2.5 多維度安全教育信息化

實驗室安全宣傳教育可以借助多維度的信息技術手段開展。我校通過信息門戶、社團網站、微信公眾號等公眾平臺，日常可以開展實驗室安全文化的宣傳和教育，使“安全第一”“以人為本”的安全價值觀深入人心，增強學生的安全意識，形成“人人講安全、事事為安全、時時想安全、處處要安全”的良好環境，維護校園的安全穩定和發展[11]。

此外，利用實驗室安全考試系統，可以分門別類地進行通識類和專業類的安全教育與測試，建立安全競賽機制，形成人人重視安全，人人具備安全技能的良好氛圍。

3 結語

我校利用先進的虛擬技術、智能終端技術打造了受益面廣、集約程度高的實驗教學平臺，有力支撐了對創新人才的培養和學科建設。學校通信與網絡虛擬仿真實驗教學平臺除服務于校內9個專業的本科學生之外，還發揮了很好的示范輻射作用，該平臺已被全國13所其他高校所共享。而服務于校內所有專業學生的“互聯網+外語教學平臺”已被其他高校廣泛應用，該中心自2012年以來已成功舉辦了4次全國語言實驗教學研討會，示范輻射80多所高校。

同時，我校利用信息技術創新管理手段，推動了實驗室安全工作的規范化，提高了實驗室管理效率和管理水平，強化了實驗室安全體系建設，促進了安全意識與安全防范行為相統一，保障了教學科研活動的正常開展，真正形成了在信息化帶動下的實驗室建設與管理新模式。

當然，實驗室信息化建設的探索遠不止于此。未來高等教育的信息化之路是必然的，高校實驗室作為高等教育的重要組成部分，信息化的服務方式、信息化的管理模式、信息化的資源共享、信息化的績效評價方法將成為高校實驗室信息化建設工作中亟待思考和探索的問題[12]。