高校實驗室建設的 “新基建” 改革實踐研究

基金項目：2022年度江蘇省高校實驗室研究會立項資助研究課題“面向PLM的飛行人因工程實驗教學改革研究”（課題編號：GS2022YB23）；2022年度南京航空航天大學發展戰略與政策研究基金項目“大學多校區辦學布局與管理模式創新研究”（項目編號：ZY2022G006）；2021年度南京航空航天大學教改研究項目“多學科交叉研究生拔尖創新人才培養模式研究——以結構風工程為例”（項目編號：2021YJXGG20）。

作者簡介：楊杰（1976—），男，博士，南京航空航天大學基建處處長，副教授，研究方向為實驗室安全與建設；任賀賀（1990—），男，博士，南京航空航天大學土木與機場工程系副教授，研究方向為風工程與結構抗風；龐悅（1992—），男，博士，南京航空航天大學基建處工程師，研究方向為實驗室安全與建設。

摘" 要：為探討“新基建”背景下高校智慧實驗室建設改革的可行性與前瞻性，文章系統剖析了高校實驗室建設工作面臨的問題，討論了傳統基建弊端與“新基建”實驗室建設趨勢。在此基礎上，依托南京航空航天大學將軍路校區新建工程，其創新建設了實驗室開放預約和安全管理系統、信息一體化實驗室數據平臺和虛擬仿真實驗教學共享平臺一體化嵌套的高校智慧實驗室，提出了“新舊基建結合”的實驗室建設改革方案，為高校實驗室建設提供了案例參考。

關鍵詞：新基建；高校實驗室建設；智慧實驗室

中圖分類號：G482" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）13-0010-04

實驗室承載著廣大師生的科研夢想，是科研報國的良好平臺，是高校科技資源的堅實支撐，也是高校教學的基本要求。目前大多數高校的實驗室建設均以標準化、程序化為目標，教學內容統一，時間安排緊湊，實驗教學方式呈“流水線”型發展。隨著中國教育進入新發展階段，數字化、自動化、信息化成為實驗室建設的新標準，科學性、系統性、合理性、可持續性成為高校實驗室建設的重要發展方向。依據教育部等六部門《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》要求（以下簡稱《意見》），“新基建”已成為高校實驗室高質量建設的必要手段。

不同于以鋼筋混凝土為主的傳統基建，“新基建”主要包括5G基站建設、大數據中心、人工智能等領域。［1］侯振華等對“新基建”背景下做好高校創新創業人才培養的路徑進行了探討，提出了做好高校創新創業人才培養的具體方法。［2］張海峰探討了“雙一流”背景下一流實驗室建設的重要作用，從管理體制機制、條件建設和隊伍建設三個方面重點闡述了一流實驗室的建設要點。［3］徐彬依托當前高?！靶禄ā睂嶒炇翼椖刻攸c，提出科學化管理模式，確保高校實驗室基建工作按章、按時、按需進行，并實現效益最大化。［4］綜上，實驗室建設應面向“新基建”這一趨勢轉型，加快推進教育現代化，積極響應國家教育強國戰略。

基于此，依托南京航空航天大學基建特點，分析傳統實驗室存在的隱患，探究“新基建”背景下實驗室建設的發展趨勢，結合南京航空航天大學虛擬仿真實驗教學共享平臺，協同互聯網教育大平臺，提出“新基建”背景下實驗室建設方案，為高校實驗室建設工作的發展提供重要的理論研究基礎。

一、高校實驗室 “新基建” 改革必要性

有機化學實驗室最近一次實驗室改造與建設距今已經超過10年，大部分實驗設備已經超過正常使用年限，通風設備和實驗家具也經過多次維修，［5］實驗室改革亟須進行。

（一）信息基礎建設改革

信息網絡新基建以提供暢通、高速、便捷、綠色、安全的教育網絡服務為目標，強調教育專網建設、校園網絡升級。高校是人群密集區域，在這個數字信息化發展的時代，信息化數據能保證師生實際的實驗互動需求、預防實驗室內公共安全事件的發生，這就要求對教育信息化做出重大改革。

傳統實驗室的建設和翻新往往依賴若干個有明顯優勢的學科與專業，伴隨學科建設與專業建設，實驗室配備科研設備和教學平臺，其建設又支撐學科與專業的發展。［6］但如今，在實驗室安全管理方面，傳統實驗室存在實驗室人員不確定、實驗室工作時間不規律等問題。［7］監管難度大，缺乏科學化的流動人員管理機制。需要兼顧效率與安全時，有的實驗人員會優先選擇實驗效率。圖1為2019年清華大學統計的實驗室安全管治發展路線的核心問題。［4］2019年全國高等學校實驗室安全工作會議公布的數據顯示，近十年，全國高校共發生各類實驗室安全事故14543起，死亡29人。［8］在新冠肺炎疫情期間，實驗室管理和教學的壓力劇增，在此期間只有極少實驗室正常運轉。

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圖1" 教育部對高校實驗室安全檢查情況

6個主要問題大類統計圖

依托于以“新基建”為建設方針的新型實驗室采用線上線下混合式教學實驗模式，可以突破時空限制，提高實驗教學的質量和效率。這項模式已經在當下得到了充分的運用，它可避免所有的非必要接觸，學生通過智慧實驗室可以有針對性地開展化學實驗預習、模擬、復習，且這些環節不受時空的限制。因此，新型智慧實驗室建設迫在眉睫。

（二）融合基礎建設改革

信息技術賦能下的“融合基礎設施”建設，既為“新基建”的發展提供巨大應用市場，又為傳統基建高質量高效發展提供了強大技術支撐?；趥鹘y基礎設施與新一代信息技術深度融合形成的“融基建”是“新基建”的重要部分，也是基礎設施建設領域的發展方向。交叉融合已成為學科與學科之間提及最多的詞匯，高校的學科設置往往也傾向這一原則。在知識越來越互通的背景下，綜合利用多學科的理論和方法，是有效解決科研中問題的新方法。

我國高校的學科門類越來越齊全，高校實驗室研究課題覆蓋面廣、數量多，傳統實驗室建設習慣于過度依賴上級制度，照搬照抄建設實施方案所提出的實驗室安全管理需求，提前布局不足。［9］高校信息基礎環境或多或少存在云網分離、設備陳舊、安全薄弱等信息化問題，致使學校的日常維護和治理整合壓力巨大；我國產教融合正處于蓬勃發展的新階段，但也受到諸多外界因素的限制。

二、高等實驗室 “新基建” 建設趨勢

新基建是基于新科技的，例如基于5G網絡、人工智能、工業互聯網、新能源等智慧基建。實驗室“新基建”強調的是夯實高質量教育體系的“數字底座”，為實驗室建設創新變革和其高質量發展提供強大的物質技術基礎和應用環境。［10］新型智慧實驗室，將擁有更智能化的新型實驗室生態、更優化的新型實驗室資源供給模式，以及更加開放靈活的實驗室教育體系。在“新基建”背景下，現有的實驗室建設主要體現在以下三個方面。

（一）更智能化的新型生態

“新基建”正推動學習資源朝著信息化、一體化、虛實融合的方向發展，智慧實驗室成功構建與運用，能夠簡化煩瑣的申請流程、細化實驗信息管理、及時采集和保存學生的實驗成果，能為學生構建更具真實性、更強體驗性、更深交互性的學習資源環境，能為教師的工作帶來更多經驗支撐，同時留出更多時間針對每個學生提供個性化教學，更好地教授理論知識和實踐能力。

（二）更優化的新型資源供給模式

以南京航空航天大學虛擬仿真共享平臺為例，隨著高校實驗室“新基建”的推進，學?；I劃了以智慧實驗室建設為導向，涵蓋信息發布、實驗教學、實驗室管理、數據統計、設備管理以及安全管理等功能，以“互聯網＋實驗教學”“互聯網＋實驗室管理”為突出特色的校、院、系三級實驗室綜合管理體系。［11］以南京航空航天大學鹽城某研究生聯合培養基地為例，因場地和交通限制，學生難以全部同時到場參觀學習，產教融合教學遇到困難。智慧實驗室將能夠在知識環境下以真實或虛擬的形象為學生提供授課，通過線上虛擬化實驗，滿足學生的實踐要求，有效緩解教師的授課壓力、降低實驗成本、提高實驗安全性。完成實驗后，學生還能瀏覽自己的實驗過程，從中汲取經驗，全社會共同承擔創新型人才培養的新型高校實驗室資源供給模式正在形成。

（三）更個性化和持續的學習服務

智慧實驗室的使用能突破時間空間限制，這意味著實驗課不用局限于狹小的空間、少量的設備和輪班的實驗時間，學生能夠隨時隨地獲得真實學習環境、參與實驗。導學系統能夠根據學生特征提供適應性的學習資源與服務。這一實驗室的構建，能將實驗課堂的重心完全放在學生身上，學生可以根據自己的興趣與特長，主動設計實驗、參與教學工作、及時交流實驗中遇到的問題，共享解決方案，而教師僅需提供幫助。這一流程完美落實將理論融入實踐，再從實踐作用理論的正向反饋機制，學生不僅能學得分析問題、解決問題的辦法，同時也培養了發現問題的能力。

三、高校實驗室“新基建”實踐方案

（一）“新舊基建結合”的實驗室教學模式

在落實“新舊基建結合”教學模式時，需要克服的難點是如何高質量實現信息科技與傳統設備的有效結合，如何將傳統知識應用于新型線上實驗教學中。以此確保在教師和學生的實際操作中，師生都能充分體驗到“新基建”帶來的益處。

（二）實驗室開放預約

“互聯網＋實驗室管理”模式下的實驗室可實現開放預約流程。管理員可以通過管理平臺或手機APP對實驗室進行開放設置，發布場地預約、課程預約、免預約等多種預約方式。當學生在網上申請預約實驗室后，管理員會通過管理平臺對學生信用進行評估：“智慧實驗室”會為用戶建立信用積分體系，設立相應的扣分規則（如爽約、違規操作、破壞設備、造成安全事故等），超出設定的安全積分后，用戶將失去預約的權限。新型實驗室開放預約制度的實行可有效避免實驗室人員不確定性、實驗室工作時間不規律等問題，將人員流動帶來的威脅降到最低。

（三）建設物理空間和網絡空間相融合的實驗數據平臺

受條件限制，大部分理論性強、概念抽象、實驗成本高的實驗很少在高校教學中實際開展。以土木工程專業的結構類實驗為例，在實際教學中往往以有限元數值模擬或縮尺實驗代替原實驗，實驗對象往往是高度簡化的結構模型和試件，與實際結構相去甚遠，也缺少對實驗環境、步驟的模擬。

以南京航空航天大學結構風工程“線上資源—虛擬仿真”實驗教學平臺為例（圖2），教師能利用線上虛擬仿真試驗，打造軟硬相融、虛實結合的創新實訓教學模式，全面打通課堂研討、工程項目、學科競賽、工程實踐這四個實踐教學環節。實驗開始時，學生會根據操作提示，操作控制臺按鈕，啟動實驗，有些步驟在實際物理風洞試驗中存在一定的危險性，極易造成初期參與風洞試驗的學生受傷，應用虛擬化的仿真實驗教學平臺能有效地避免這一情況。在“測壓實驗”項目中，學生需按實驗環節順序完成實驗說明、模型制作、測點布置、工況布置、參數設置、風洞測量、結果分析等七個步驟，實驗結果需包含建筑結構風壓分布云圖，設計風荷載取值和結構測點風壓系數，對各結果進行分析，并在實驗報告中給出結論，這與實際現場操作無異。

“新機建”下的智慧實驗室用現代信息化技術構建高真實感的虛擬實驗設備以及真實物理風洞的教學環境，建立一個全方位、多層次的大型建筑結構風洞仿真實驗教學項目，將真實的風洞實驗場景展示在學生面前，使學生能更為直觀地深入觀察風洞試驗流程、理解結構抗風設計理念、熟悉大型建筑風洞試驗基本測量儀器及對應的實驗原理，最大程度還原現場實踐的體驗感和操作感。同時幫助學生建立流體力學基礎知識體系，啟發創新性思維，對風洞試驗中最重要的理論基礎“流動相似準則”形成立體認知。此外，更好地節約物理風洞資源，充分發揮虛擬實驗教學的作用，方便南京航空航天大學土木工程和力學等國家重點學科資源的整合和調配，擴大資源共享和促進虛擬仿真實驗的發展，這一教學模式恰好與教育信息化的建設目標相契合。

四、結語

當前，我國已進入高質量發展階段，“新基建”為高質量發展注入新動能，構筑了數字時代的新結構性力量。在國家積極推動教育新型基礎設施建設、構建高質量教育支撐體系的背景下，本研究從實驗室建設視角探討了“新基建”的優勢和必要性。通過分析高?；üぷ髅媾R的各種問題，對傳統基建弊端進行了討論分析，提出了“新基建”背景下的信息基礎設施改革和融合基礎設施實驗室改革要求。在此要求的基礎上，提出建立“新舊基建結合”的實驗室教學模式，設計實驗室開放預約和安全管理系統，建設信息一體化實驗室數據平臺等建設方案，為高校實驗室良性、長久、可持續健康發展建設提供實踐參考。

參考文獻：

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（責任編輯：楊毅恒）