肖曉強，周麗濤，龍 軍

（國防科技大學(xué) 計算機學(xué)院，湖南 長沙 410073）

1 背 景

實踐教學(xué)是提高大學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑在各高校中已經(jīng)形成廣泛共識，實驗室在創(chuàng)新教育體系中的重要作用日益凸顯，國家一直高度重視實踐育人的作用。2012年，教育部等七部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》[1]中指出，要“加強實驗室、實習(xí)實訓(xùn)基地、實踐教學(xué)共享平臺建設(shè)，依托現(xiàn)有資源，重點建設(shè)一批國家級實驗教學(xué)示范中心”，各高校要“努力建設(shè)教學(xué)與科研緊密結(jié)合、學(xué)校與社會密切合作的實踐教學(xué)基地”，有條件的高校要“強化現(xiàn)場教學(xué)環(huán)節(jié)”?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》[2]也把加強實驗室等基本建設(shè)作為高等教育提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要建設(shè)內(nèi)容，把建設(shè)虛擬實驗室作為加強優(yōu)質(zhì)教育資源開發(fā)與應(yīng)用的重要舉措。

為推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革和實驗教學(xué)中心建設(shè)與發(fā)展，促進優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源整合與共享，深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，實現(xiàn)高等教育人才培養(yǎng)水平的不斷提升，教育部從2005年開始啟動國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)。直至2015年，全國共建設(shè)901個國家級示范中心，涵蓋33個學(xué)科，在提升實驗教學(xué)水平、搭建交流平臺、完善實踐教學(xué)體系、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式等方面建設(shè)成果顯著，極大地推動了我國高校實驗教學(xué)改革和實驗條件改善，進一步完善了高校實驗教學(xué)管理體系，促進了高校優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的整合與共享，提升了學(xué)校辦學(xué)水平和教育質(zhì)量，有力地推動了學(xué)生動手能力、實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，對大學(xué)生創(chuàng)業(yè)、國家科技創(chuàng)新、社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等起到重要的促進作用[3-4]。

2 建設(shè)理念與思路

信息化條件下的實驗室拓展建設(shè)必須考慮到學(xué)習(xí)者本身的特點，特別是近年來信息技術(shù)對學(xué)習(xí)方式變革產(chǎn)生的影響以及對國家級實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)需求。

2.1 以學(xué)生為中心，創(chuàng)新實踐教學(xué)環(huán)境

實驗室面對的學(xué)生是在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字環(huán)境下成長起來的新一代新型學(xué)習(xí)者——網(wǎng)絡(luò)一代（net generation），他們的生活方式、工作方式和學(xué)習(xí)方式都發(fā)生了較大變化。通過對新型學(xué)習(xí)者的研究可以發(fā)現(xiàn)，他們具有傾向于分組活動（group activity）、目標和成就導(dǎo)向（goal and achievement orientation）、可以一心多用（multitasking）、喜歡動手實驗（experimental，trial and error）、嚴重依賴網(wǎng)絡(luò)（heavy reliance on network access）、實用主義和善于歸納（pragmatic and inductive）、喜歡視覺表達（visual）、喜歡交互（interactive）等特征[5]，因此，實踐教學(xué)環(huán)境必須有針對性地考慮到這些特征。在硬件環(huán)境資源布局中，要設(shè)計個性化、易于調(diào)整的分組合作空間，提供寬敞的機位便于擺放各種工具，方便快捷的網(wǎng)絡(luò)接入，融合各種新型IT技術(shù)和便于使用的各種實驗室軟硬件資源，以及共享顯示環(huán)境和打印系統(tǒng)等；在軟環(huán)境配置時，需要提供實驗過程監(jiān)控和實驗效果分析的相關(guān)應(yīng)用，使學(xué)生可以及時得到教師的指導(dǎo)與幫助。

2.2 支持各種學(xué)習(xí)方式，突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)

實驗是教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)，實驗室是信息技術(shù)在教學(xué)中的重要應(yīng)用領(lǐng)域，美國新媒體聯(lián)盟地平線項目系列報告已經(jīng)成為國際教育信息化的風(fēng)向標[6]。2017年，北京師范大學(xué)智慧學(xué)習(xí)研究院與美國新媒體聯(lián)盟聯(lián)合發(fā)布了第一個針對中國高等教育新興技術(shù)應(yīng)用狀況的地平線報告，即中國高教版《地平線報告》[7]，報告指出翻轉(zhuǎn)課堂、移動學(xué)習(xí)、創(chuàng)客空間和大規(guī)模開放在線課程MOOC被認為將在未來一年之內(nèi)取得重要進展。

翻轉(zhuǎn)課堂是混合式學(xué)習(xí)的重要呈現(xiàn)方式。對實驗室而言，就是要利用信息技術(shù)豐富傳統(tǒng)實驗方式，實現(xiàn)遠程虛擬實驗和現(xiàn)場實驗的優(yōu)勢互補，為實驗教學(xué)提供更高的靈活性，使學(xué)生能夠時時學(xué)、處處學(xué)。

移動學(xué)習(xí)不僅僅是簡單地利用移動設(shè)備學(xué)習(xí)知識、支持學(xué)習(xí)過程的改進和拓展，還強調(diào)在生活環(huán)境和實際情境中進行學(xué)習(xí)[8]。這就要求實驗室盡可能提供與學(xué)生未來研究或工作相同的實驗場景。

創(chuàng)客空間是一種物理化的制造空間、人際化的共享空間和社會化的服務(wù)空間，實驗室模式是創(chuàng)客空間的主要組織模式之一[9]。實驗室建設(shè)必然需要依托于學(xué)校的高水平科技創(chuàng)新平臺，鼓勵體驗式學(xué)習(xí)、學(xué)科交叉、團隊協(xié)作和開放共享，實現(xiàn)創(chuàng)意、創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)的一體化。

MOOC的誕生與發(fā)展使開放教育從單純的資源共享轉(zhuǎn)變?yōu)檎n程與教學(xué)模式革新，作為實驗室也要積極應(yīng)對這種變革提出的新需求。作為MOOC的拓展，國防科技大學(xué)提出的大規(guī)模在線開放研究MOORE（massive online open research）[10]對于激發(fā)創(chuàng)新技能和完善創(chuàng)新機制具有重要意義。

2.3 促進IT新技術(shù)在實驗室中的拓展應(yīng)用，發(fā)揮示范作用

隨著新技術(shù)對實踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的影響日益加深，各高校已經(jīng)認識到實驗室再也不僅僅是儀器設(shè)備和場地的簡單累加，形成了以計算機國家級實驗教學(xué)示范中心（清華大學(xué)）提出的“五個轉(zhuǎn)變”為代表的一些共識[11]。人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算是新興IT技術(shù)的典型代表，這些技術(shù)在實驗室中的廣泛、深度應(yīng)用是國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的必然要求。

實驗室中的人工智能涵蓋課程知識學(xué)習(xí)、實驗過程監(jiān)控與分析、實驗資源管理與運維等諸多方面，目前主要包括智能門禁系統(tǒng)、智能傳感網(wǎng)絡(luò)、智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。中國高教版和全球高教版《地平線報告》不約而同地把人工智能作為未來4～5年內(nèi)可能被應(yīng)用到教育中的技術(shù)，這當(dāng)然也包括在實驗室中的應(yīng)用。

實驗室中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括資源的運行情況、各種學(xué)習(xí)的歷史數(shù)據(jù)等。根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實驗室管理者可以做出合理的決策和應(yīng)對各種教學(xué)統(tǒng)計分析，教師可以有效制訂教學(xué)策略，學(xué)生可以開展個性化學(xué)習(xí)。如何對大數(shù)據(jù)進行有效管理，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，成為目前該技術(shù)應(yīng)用的挑戰(zhàn)性問題。

云計算在實驗室信息化中具有許多優(yōu)勢，包括降低硬件成本、避免重復(fù)采購，簡化資源配置過程、提高實驗室運維效率，通過虛擬化技術(shù)優(yōu)化資源、提升資源利用率等。目前，許多高校都建設(shè)了服務(wù)器集群和數(shù)據(jù)中心，利用虛擬桌面開展實驗教學(xué)，研發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的開放云實驗平臺。

教育部要求“十二五”建設(shè)的國家級實驗教學(xué)示范中心應(yīng)具有先進的實驗教學(xué)信息化水平[12]，因此，實驗室要推進信息技術(shù)與實驗教學(xué)深度融合，不斷豐富信息化實驗教學(xué)資源，通過統(tǒng)一的信息化管理平臺實現(xiàn)各種實驗設(shè)備資源的高效利用和開放共享，推動實驗教學(xué)過程管理的信息化，并通過國家級實驗教學(xué)示范中心這個平臺積極發(fā)揮輻射和引領(lǐng)作用。

3 實驗室拓展建設(shè)實踐與成效

國防科技大學(xué)計算機教學(xué)實驗中心（下文簡稱中心）依托國防科技大學(xué)計算機學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程一級學(xué)科進行建設(shè)，主要服務(wù)學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程等6個專業(yè)的本科人才培養(yǎng)以及相關(guān)專業(yè)的研究生培養(yǎng)，并支撐全校計算機公共基礎(chǔ)教學(xué)和信息大類計算機專業(yè)的相關(guān)教學(xué)實踐任務(wù)；同時，通過接待參觀、舉辦教學(xué)研討會等方式，加強實驗體系、實驗案例、實驗教材、實驗平臺等的對外輻射，不斷發(fā)揮示范效益。經(jīng)過多年實踐，中心在高水平實踐教學(xué)體系、教學(xué)與科研相結(jié)合的實驗教學(xué)環(huán)境、與用人單位聯(lián)合育人機制等方面形成了自己的特色。中心在2009年獲評湖南省實踐教學(xué)示范中心，2013年入選計算機國家級實驗教學(xué)示范中心。“十二五”期間，依托學(xué)校重點建設(shè)，中心在實驗場地和經(jīng)費上獲得重大支持，如何在信息化條件下進行實驗室拓展建設(shè)，中心開展了一些規(guī)劃思考和有效實踐。

3.1 支持完整實踐教學(xué)體系的實踐環(huán)境

在充分調(diào)研國內(nèi)外實驗中心建設(shè)經(jīng)驗和授課教師實際需求的基礎(chǔ)上，中心對實驗用房進行了合理規(guī)劃。除了傳統(tǒng)的實驗機房外，大部分房間被設(shè)計成支持研討的活動空間，配備了可移動、可折疊的桌椅和可滑動的白板，能夠根據(jù)完整的實踐教學(xué)體系中各種不同的實踐需求進行靈活布置。每個機位設(shè)置多層空間便于擺放實驗儀器和學(xué)習(xí)用品，設(shè)置多個插頭便于學(xué)生使用各種電子產(chǎn)品。整個實驗室內(nèi)部全部由玻璃隔斷并配以可升降窗簾，這種通透的設(shè)計允許教師、管理人員甚至是學(xué)生觀察實踐過程，方便實驗教學(xué)與管理，并可以鼓勵學(xué)生間的相互學(xué)習(xí)與合作。中心機房整合了所有的授課視頻、音頻和網(wǎng)絡(luò)信號線，可以方便地將多個小教室組合成一個大教室。公共空間也被整合成實驗場地，提供可移動的休閑座椅，成為報告廳、機器人/無人機實驗場地以及成果展示場所。

室內(nèi)線路布局時重點考慮有效利用空間、方便檢修、降低安全隱患等問題，另外還特別考慮將實驗室走線作為網(wǎng)絡(luò)工程見習(xí)的教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)計。采用工業(yè)式裸裝風(fēng)格，所有跨房間的網(wǎng)絡(luò)走線全部采用開放式橋架上走線，房間內(nèi)走線采用玻璃防靜電地板開放式橋架下走線，從交換機到機房的網(wǎng)絡(luò)走線全部暴露在外面。學(xué)生可以仔細看清網(wǎng)絡(luò)是如何在實際應(yīng)用場景中架設(shè)的，了解從中心機房到各個房間的網(wǎng)絡(luò)是如何走線的。這種做法能夠?qū)W(xué)生消化吸收網(wǎng)絡(luò)工程相關(guān)內(nèi)容起到很好的幫助作用，開放式橋架中整齊規(guī)范的走線鋪設(shè)可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)工程素養(yǎng)。

3.2 基于教學(xué)網(wǎng)的遠程實驗和虛擬實驗環(huán)境

實驗教學(xué)資源的拓展一直是中心建設(shè)的主要任務(wù)之一。近年來，中心依托學(xué)院高水平科研，自主研發(fā)實驗平臺或者將科研成果直接轉(zhuǎn)化為實踐教學(xué)平臺或?qū)嵺`教學(xué)案例，按照專業(yè)方向組建遠程實驗和虛擬實驗，建立“學(xué)習(xí)社區(qū)”實現(xiàn)實驗案例資源的共享，并通過學(xué)院自主研制的教學(xué)網(wǎng)（可以連入Internet）進行推廣。這些平臺資源的建設(shè)可以有力地促進各種實驗方式的優(yōu)勢互補以及各種實踐學(xué)習(xí)方式的革新。

硬件相關(guān)專業(yè)依托“天河陽光”平臺建設(shè)案例資源，并基于云技術(shù)實現(xiàn)了硬件實驗平臺的遠程共享，包括“天河陽光”硬件綜合實驗平臺、示波器、萬用表、邏輯分析儀等的遠程訪問。目前該平臺在教育科研網(wǎng)格上設(shè)有10套開發(fā)板部署，在教學(xué)網(wǎng)上完成了20套開發(fā)板部署，并給出了硬件系列課程實驗案例（http://202.197.9.243:8081）。

軟件相關(guān)專業(yè)依托Trustie平臺（http://course.trustie.net）建設(shè)案例資源，該平臺來自國家863計劃“可信的國家軟件資源共享與協(xié)同環(huán)境”的成果，匯聚了豐富的實驗教學(xué)資源并支持大規(guī)模在線開放研究MOORE學(xué)習(xí)模式，目前已覆蓋全國100余所高校，并于2016年獲得全國首屆計算機實驗教學(xué)示范中心優(yōu)秀實驗教學(xué)案例一等獎。

網(wǎng)絡(luò)相關(guān)專業(yè)依托Netmagic（http://bbs.netmagic.org）和FAST（http://www.fastswitch.org）平臺建設(shè)案例資源，其中Netmagic平臺來自國家973項目“大規(guī)模流媒體高效傳輸控制”的成果。這些平臺在關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)機制創(chuàng)新研究、開源社區(qū)代碼維護、專業(yè)公司提供服務(wù)等方面表現(xiàn)優(yōu)異，已推廣至包括清華大學(xué)、香港理工大學(xué)、瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)等多所高校使用。

3.3 面向開放運行的管理與服務(wù)信息系統(tǒng)

結(jié)合實驗室拓展建設(shè)，中心在廣泛調(diào)研和對比的基礎(chǔ)上，整合優(yōu)化了媒體教學(xué)資源和虛擬實驗資源，搭建了基于云計算的公共虛擬實驗云平臺。該平臺實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)、軟硬件設(shè)備等大規(guī)模資源的統(tǒng)一調(diào)度管理，可以根據(jù)實踐任務(wù)需求靈活部署各種實驗環(huán)境，使用戶平等地從云服務(wù)器獲取實驗需要的運行環(huán)境、實驗數(shù)據(jù)、計算存儲資源及應(yīng)用軟件，另外用戶之間的數(shù)據(jù)相互隔離也確保了數(shù)據(jù)的私有性和安全性。平臺還實現(xiàn)了性能體驗良好的設(shè)備利舊、可視化實驗訓(xùn)練過程跟蹤、全生命周期型實驗檔案管理、輕量級系統(tǒng)日常運維管理、快速實景再現(xiàn)式運維安全管理等功能。此外，平臺還具備良好的可擴展性，能根據(jù)要求升級拓展。

中心結(jié)合自動識別技術(shù)，完善了無人值守機房管理系統(tǒng)，利用校園一卡通對實驗室開放運行進行智能化管理與服務(wù)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了24小時全天候刷卡使用各開放機房，方便師生根據(jù)需要自主使用實驗室資源；同時，結(jié)合視頻監(jiān)控，系統(tǒng)實現(xiàn)了用戶行為分析、實驗室進出人數(shù)統(tǒng)計、人臉檢測等智能化功能，提升了實驗室資源管理、安全管理、用戶信息管理、運行過程管理的信息化水平。

4 結(jié) 語

實驗室拓展建設(shè)必須考慮到網(wǎng)絡(luò)一代學(xué)習(xí)者的生活方式、工作方式和學(xué)習(xí)方式都發(fā)生了較大變化；實驗教學(xué)方式的革新必須結(jié)合即將取得重要進展的翻轉(zhuǎn)課堂、移動學(xué)習(xí)、創(chuàng)客空間、大規(guī)模開放在線課程MOOC等學(xué)習(xí)方式進行；人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新興IT技術(shù)在實驗室中的廣泛、深度應(yīng)用是國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的必然要求。中心本著“以學(xué)生為中心，創(chuàng)新實踐教學(xué)環(huán)境；支持各種學(xué)習(xí)方式，突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)；促進IT新技術(shù)在實驗室中的拓展應(yīng)用，發(fā)揮示范作用”的思路，在物理環(huán)境、遠程虛擬實驗、管理模式等方面進行了探索和實踐，未來將繼續(xù)跟蹤信息技術(shù)中長期發(fā)展趨勢并依據(jù)實踐教學(xué)需求的變化不斷進行拓展建設(shè)。

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