智慧云實驗室建設探索

劉海珊 李洪芹 劉 瑾 張振華

（上海工程技術大學電子電氣工程學院 上海 201600）

0 引言

隨著高校應用型本科建設的推進，實驗室更是培養應用型本科生的重要基地，也是教師科學研究的關鍵場所。當前高校實驗教學工作中常會遇到一些難題，如各年級教學時間不固定導致排課困難，實驗教學流程繁瑣使得教師工作量變得繁重，有限的實驗室資源，實驗室設備的陳舊，另外還有資料存檔、調閱困難等等，眾多問題亟待解決，智慧云電子實驗室構建應運而生。智慧云實驗室將集合傳感技術、軟件技術、網絡技術、智能硬件技術與云計算技術等的物聯網技術發展與成熟，用先進的物聯網技術引入傳統實驗室將形成集智慧教學、實驗管理、設備管理、環境智慧調節、視頻監控及遠程控制于一體的新型現代化智慧實驗室，并將給實驗教學與管理帶來模式創新與變革。

1 建設方案探索

構建的智慧實驗室包含兩大模塊，一是智慧型實驗室管理系統，二是基于PROTEUS的虛擬仿真創新型電工電子實驗平臺。其中智慧型實驗室管理系統由智能門禁及管理系統、智能刷卡取電系統、智能環境感知系統等模塊組成；創新型電工電子實驗平臺則根據課程的教學需求，采用PROTEUS軟件平臺，用仿真驗證實驗，并在實際的硬件平臺上驗證仿真結果。而虛實結合的實驗平臺也為培養應用型、創新本科人才提供了學習的場地。智慧實驗室管理系統框如圖1所示。

圖1：智慧實驗室效果示意圖

智慧云實驗室建設以追求實現智慧管理及培養創新應用型本科人才為最終目標，實現全面感知，為更深入的數據挖掘應用提供基礎。實驗室構建采用模塊化設計，系統功能易于擴展。本系統將構建實驗室即可通過移動終端或PC機對實驗室實施管理及服務獲取。同時，通過移動互聯網，打通師生間的線上溝通渠道，實現實驗教學的全面開放，實驗教學環境通過智慧互動教學設備，尤其是基于PROTEUS的電工電子實驗平臺的虛實結合，可進一步提升實驗教學質量。

本系統更有利于推進實驗教學管理的信息化、規范實驗室管理、擴大實驗室的對外知名度、降低學生進入實驗室的門檻、啟迪學生的設計能力和創新能力、改進實驗教學設計、積累實驗教學成果。

2 智慧云實驗室可解決的主要問題

智慧云實驗室為教師提供了一個開放式的教學管理平臺，同時又創建了一個共創式的實驗教學項目環境。

2.1 提高課堂的教學效率

對于傳統的電工電子教學課程來講，授課模式帶來很大變革。傳統的電工電子課程教學主要是以教師為主，學生更多是被動地接受，學生的積極性和主動性都無法被充分調動起來，為了能夠彌補在傳統課堂教學中的缺點，智慧云實驗室將為學生提供理論轉化為實際技能的場所，能夠從各方面提供激發學生的積極性和創造性，同時對于學生掌握電工電子的相關知識也是非常有必要的。

2.2 增強學校培養人才實力的需要

應用型本科建設，關鍵是提升學校的就業率。學生在就業過程中，如果因為缺乏動手能力，使得某些專業學生在就業過程中舉步維艱。為了增強學校培養人才的實力，必須要建造開放性實驗室，這樣不僅可以讓學生加深對理論知識的掌握程度，還可以利用實驗室的教學，能夠將理論與實踐相結合，學生的動手能力也得到了一定的提高，才能讓學生在激烈的人才競爭中脫穎而出，成為讓企業和社會都滿意的人才，提高學校的相應就業率。增強學校培養人才的實力，對于提高學校的知名度也有幫助。

2.3 智慧校園的先導

智慧云實驗室 (Smart Laboratory)作為智慧校園的重要組成部分，是以物聯網技術為核心，利用新一代信息技術為廣大師生提供一個全面的智能感知實驗環境和綜合信息服務平臺，實現實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯、人員的互動協作以及開放實驗室設備資源、教學資源、科研資源的高度信息共享。

3 建設將帶來的成果

智慧云實驗室更適用于平臺課程的教學及實驗，如“數字電子技術及實驗”、“模擬電子技術及實驗”、“電路及實驗”，還可以面向創新實驗課程“PROTEUS創新實驗”。智慧云實驗室將帶來以下優勢：

（1）實驗室環境與條件改善：面積、環境、設施、設備、完好率及使用率提高。通過智慧管理，構建在線教學資源庫，豐富教學資源。將改善學生上課的規模、素質、實驗操作水平，形成無紙化的實驗數據采集以及實驗報告編寫。

（2）實驗課程改革建設：擴大實驗項目及開出率、結合本項目開展實驗項目創新、實驗教材建設、實驗方法改革等，通過智慧互動教學設備，提升實驗教學質量。

（3）以學生為中心的實驗教學理念：從學生需求出發，注重學生創新創造能力的提升和培養。學生受益面廣，學習方法改革由固定時間改為全面開放實驗，打造7×24的無人值守的全面開放實驗教學環境，更突出培養學生能夠利用所學知識解決復雜工程問題的能力，突出教師科研創新能力培養。

（4）實驗室合作交流：通過智慧實驗室建設增進高校和企業之間合作交流，實現課程在線資源共享，通過移動互聯網，打通師生間的線上溝通渠道，全面感知，為更深入的數據挖掘應用提供基礎。

（5）線上線下混合教學的推進：順應“互聯網+”時代教學主體、教學資源與教學媒介等要素的變革與發展，創新信息化條件下的人才培養模式。智慧云實驗室在教育教學改革的過程中，將高度重視以信息化為手段，探索建立“線上”虛擬仿真教學與“線下”傳統面授教學相結合，通過構建情境、交互、體驗、反思為一體的深度學習場域，來增強學生的自主學習意識，培養創新精神，提高實踐能力，獲得了事半功倍的效果。

虛擬仿真實驗教學項目以完整的實驗教學項目為基礎，推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系，支撐高等教育教學質量全面提高。線上借助智慧云中的虛擬仿真實驗平臺，可以提供以下豐富內容：

（1）多樣的創新教學模式。網絡課堂支持普通的Web課程，動畫課程，視頻課程，實時網絡課堂，教學做一體化課程，教師空間等教學模式，并引入協作學習，智能導學，為學生自主學習創造條件。

（2）全方位支持電子信息課程群的虛擬仿真實驗。支持基礎實驗項目，還支持綜合實驗和設計性實驗，并可結合3D技術進行虛擬實訓和虛擬實習。系統還具有豐富的虛擬仿真實驗輔助功能，包括：多媒體知識點，示范視頻，微課，實驗報告生成，結果預覽與智能評價等。

（3）不斷積累的豐富多樣的教學資源庫。融合多媒體技術，3D建模，AR技術，仿真技術于一體的教學資源庫支持多種教學類型，如視頻，微課，知識點動畫，3D外設模型，PPT課件，實驗例程，實驗指導書，題庫，隨堂練習等。隨著教學的深入，教師可不斷將自己的教學成果添加到系統中。

（4）人性化的用戶體驗與激勵反饋，使學生寓學于樂，教師精益求精。以學生為主體，利用開放式的虛擬仿真實驗教學平臺，實驗指導教師精心設計教學環節和“互動自主式教學”方法，實現從“以教為主”到“以學為主”再到“學教互動”理念的轉變。虛擬仿真實驗教學不受時間和空間限制，學生可以隨時獲取教學資源，系統對學生的學習行為，學習效果與成績進行動態展示與激勵，激發學生的學習熱情。其關系見圖2。2020年的這場抗疫戰斗對全國教育教學工作提出了一個極大的挑戰。而線上線下混合式教學方式的推進，更為教學工作的推進提供了助力。尤其是實驗教學工作，處于智慧云實驗室核心的虛擬仿真實驗平臺，真正做到了以學生為主體，實現了“停課不停學”。

圖2：虛擬仿真教學項目的完成構架

4 結論

智慧云實驗室是建立一個基于校園網的適用于全校師生的實驗室系統。行“理”“虛”“實”一體化教學理念。通過網絡化的理論學習，身臨其境虛擬仿真實驗實訓和實際硬件的實操與競賽，體驗從軟件到硬件，從產品概念到設計完成，從虛擬到現實的整個電子技術探究過程。智慧云實驗室建設的推進，將主動學習和主動獲取知識能力的交互式虛擬仿真實驗教學平臺引入教學系統，通過云管理開放式實驗及網絡在線學習，實現與學生的“課前”，“課中”，“課后”有機結合的，逐步實現課堂教學與網絡教學相結合的混合式教學模式，可以打破傳統校園時空限制，實現學生的遠程教學和自主學習。