弓偉，曹東，門韶洋，羅曉牧

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基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)探討＊

弓偉，曹東，門韶洋，羅曉牧

（廣州中醫(yī)藥大學(xué)，廣東 廣州 510006）

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)具有實(shí)踐能力與創(chuàng)新人才的重要基礎(chǔ)，大學(xué)生實(shí)踐動手能力的提高已經(jīng)成為當(dāng)前我國高等教育亟待加強(qiáng)的重要任務(wù)之一。高校實(shí)驗(yàn)室作為開展實(shí)踐教學(xué)和科學(xué)研究的重要平臺，其傳統(tǒng)的建設(shè)和管理模式弊端愈發(fā)突顯，亟待改進(jìn)。提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用于高等院校的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)，探討該架構(gòu)下各功能模塊的設(shè)計。基于此創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，開展多層次的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)活動，真正做到以學(xué)生為中心，有效促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的提升。

物聯(lián)網(wǎng)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室；實(shí)踐能力；創(chuàng)新能力

1 概述

2017-09，教育部長陳寶生曾在《人民日報》撰文，提出傳統(tǒng)的授課模式根本無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力，課堂教學(xué)改革是教育改革的核心，吹響了“課堂革命”的號角。前教育部長周濟(jì)也曾指出：“知識來源于實(shí)踐，能力來源于實(shí)踐，素質(zhì)更要在實(shí)踐中不斷提高?！备鶕?jù)麥可思研究院的一項(xiàng)調(diào)查顯示，近70%的本科生和近60%的高職高專畢業(yè)生認(rèn)為，母校教學(xué)最需要改進(jìn)的地方為實(shí)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)不夠。顯然，高等學(xué)校實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)成為了教學(xué)改進(jìn)的重點(diǎn)。大學(xué)生實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為當(dāng)前我國高等教育亟待加強(qiáng)的重要任務(wù)之一，而高校實(shí)驗(yàn)室是提高大學(xué)生實(shí)踐動手能力的重要平臺[1-2]。大學(xué)生在國家“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”改革思路的引領(lǐng)下對于高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)要求越來越高，高校自身對于實(shí)驗(yàn)室管理工作的要求不斷精細(xì)化和科學(xué)化，面對規(guī)模日益龐大、日趨繁雜的實(shí)驗(yàn)室管理工作，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理模式弊端愈來愈明顯[3-4]，已經(jīng)不能充分滿足提高學(xué)生實(shí)踐能力的需求，新型的高校實(shí)驗(yàn)室呼之欲出。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室

物聯(lián)網(wǎng)的概念最初是由美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Kevin Ash-ton教授在1999年首次提出的。2009年IBM公司首次提出“智慧地球”的概念，建議美國政府投資新一代的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。2009-08，溫家寶總理在“感知中國”的講話中把我國物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用開發(fā)推向了高潮，物聯(lián)網(wǎng)成為國家新興產(chǎn)略性產(chǎn)業(yè)之一。

基于物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室可以視為“智慧地球”概念的具體場景應(yīng)用——“智慧實(shí)驗(yàn)室”[5]。傳統(tǒng)的高校實(shí)驗(yàn)室由于各項(xiàng)資料和信息主要靠人工收集和整理，導(dǎo)致管理效率低；大部分實(shí)驗(yàn)室只在上課期間供學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用，而在周末等非上課期間閑置，造成實(shí)驗(yàn)室資源的極大浪費(fèi)，使用效率低；各實(shí)驗(yàn)室一般劃歸給各院系管理，各實(shí)驗(yàn)室之間信息溝通不暢通，成為信息孤島。國外高校的實(shí)驗(yàn)室管理較為先進(jìn)，但由于國外高校的實(shí)驗(yàn)室管理模式與國內(nèi)差異較大[6]，在借鑒國外經(jīng)驗(yàn)時必須要結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，充分考慮高等院校實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用場景和管理模式，提出基于物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)模型，采用三層體系結(jié)構(gòu)[7-9]，如圖1所示。

圖1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)體系

在典型物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分考慮控制反饋的功能，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備感知層相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制的同時，同步獲取實(shí)時數(shù)據(jù)，形成雙向數(shù)據(jù)交互，并通過網(wǎng)絡(luò)平臺層將海量數(shù)據(jù)集中存儲在網(wǎng)絡(luò)平臺層的服務(wù)器中。主控臺計算機(jī)對數(shù)據(jù)加以分析利用，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)事務(wù)的智能管理。

設(shè)備感知層包含了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室用到的各種信息傳感設(shè)備，負(fù)責(zé)獲取實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的設(shè)備、環(huán)境等狀態(tài)信息，并按照約定的通訊協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)平臺層傳遞給主控計算機(jī)分析處理。其中，溫度、濕度等傳感器負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測，門禁裝置和閘機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室出入的權(quán)限管理，防盜系統(tǒng)保障實(shí)驗(yàn)室的財產(chǎn)安全，視頻監(jiān)控系統(tǒng)便于遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的使用狀態(tài)。

主控計算機(jī)根據(jù)從設(shè)備感知層獲取的信息以及數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，將有關(guān)控制指令通過網(wǎng)絡(luò)平臺層傳遞給設(shè)備感知層的各種設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的控制。最上層的業(yè)務(wù)系統(tǒng)層可以靈活搭配豐富多樣的拓展應(yīng)用模塊，最大程度滿足學(xué)校、學(xué)院、實(shí)驗(yàn)室等使用者和管理者的需求，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)工作的全過程智能化管理，使管理工作從粗放式向精細(xì)化轉(zhuǎn)變，達(dá)到提高管理水平的目的。

3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)體系各層介紹

設(shè)備感知層是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的物理基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室要求所有的儀器設(shè)備狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境狀態(tài)、電路工作狀態(tài)等所有與實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行相關(guān)的信息和參數(shù)都可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺層按照約定的通訊協(xié)議傳輸給主控計算機(jī)。

根據(jù)溫濕度傳感器對環(huán)境溫度的實(shí)時監(jiān)測[10]，控制空調(diào)系統(tǒng)的適時工作，節(jié)能環(huán)保；所有的儀器設(shè)備與智能中控裝置連接，具備斷電續(xù)航和離線運(yùn)行管理功能，保證在各種情況下實(shí)驗(yàn)室的正常工作；當(dāng)學(xué)生在網(wǎng)上預(yù)約使用實(shí)驗(yàn)室并獲得批準(zhǔn)后，便可以在預(yù)約規(guī)定的時間內(nèi)通過刷卡或人臉識別等方式自由出入實(shí)驗(yàn)室，即獲得對門禁和閘機(jī)系統(tǒng)的控制權(quán)；所有的用電儀器設(shè)備受智能電源分配單元的控制，當(dāng)學(xué)生在網(wǎng)上預(yù)約使用儀器設(shè)備時，在預(yù)約規(guī)定的時間內(nèi)智能電源分配單元便可控制相應(yīng)的儀器設(shè)備通電工作，并實(shí)時監(jiān)測電流、電壓和電功率，防止過流、過壓和過載；防盜系統(tǒng)采用聲磁防盜門，避免射頻防盜門易受金屬等物品而產(chǎn)生誤報的問題，實(shí)現(xiàn)幾乎零誤報。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有的儀器設(shè)備都會貼上ID值唯一的聲磁標(biāo)簽，做到物品與標(biāo)簽一一對應(yīng)，當(dāng)有人試圖將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的物品拿出時，防盜系統(tǒng)可以對應(yīng)到相應(yīng)的標(biāo)簽，即相應(yīng)的物品。

網(wǎng)絡(luò)平臺層是實(shí)驗(yàn)室的電氣、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等與遠(yuǎn)程主控計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的通道，根據(jù)實(shí)際需要決定服務(wù)器的容量等配置信息，是否將此校園局域網(wǎng)接入公網(wǎng)等。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的功能包括課程實(shí)驗(yàn)管理、開放/創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)管理、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、大型儀器共享等模塊[11]。針對教學(xué)任務(wù)內(nèi)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)自動化，即自動簽到、自主預(yù)習(xí)及實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果一鍵上傳、在線作業(yè)、線上批改等實(shí)驗(yàn)全過程自動化；針對全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、電子設(shè)計競賽以及“挑戰(zhàn)杯”等全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的全天候預(yù)約開放使用，即在線預(yù)約、信息提醒、實(shí)時掌控儀器使用狀態(tài)，權(quán)責(zé)明晰，實(shí)現(xiàn)儀器管理使用全過程信息化；創(chuàng)建智慧型學(xué)習(xí)平臺，根據(jù)不同課程上傳教育資源，提供針對性的使用指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，減少教師的重復(fù)性勞動，減少實(shí)驗(yàn)室管理人員的負(fù)擔(dān)；為學(xué)生提供儀器性能、位置、狀態(tài)等信息，為學(xué)生提供全天候智慧教學(xué)體驗(yàn)；根據(jù)系統(tǒng)在使用過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，可進(jìn)行大數(shù)據(jù)的分析[12]，自動生成豐富的報表，為管理部門的決策提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，精準(zhǔn)定量評價實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)指標(biāo)。

4 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室對提高學(xué)生實(shí)踐能力的促進(jìn)作用

高校實(shí)驗(yàn)室作為提高大學(xué)生實(shí)踐動手能力的重要平臺，在當(dāng)今時代背景下存在以下矛盾：教學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性需求與傳統(tǒng)教學(xué)管理模式之間的矛盾，教學(xué)實(shí)驗(yàn)自動化管理與教師繁重的教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)之間的矛盾，學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Πl(fā)展與教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放程度不夠之間的矛盾，校園信息化建設(shè)與實(shí)驗(yàn)室信息孤島之間的矛盾。

根據(jù)上述分析，基于物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室為有效解決這些矛盾提供了思路和參考。打破信息孤島，統(tǒng)籌全部資源，智慧化開放管理，實(shí)驗(yàn)室管理從以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，提高學(xué)生提升實(shí)踐動手能力的主觀能動性?；谖锫?lián)網(wǎng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)新的基礎(chǔ)在于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，創(chuàng)新的核心在于實(shí)驗(yàn)室的管理方式，創(chuàng)新的著力點(diǎn)在于激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐興趣，創(chuàng)新的目的在于提高學(xué)生的實(shí)踐能力[13]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室集基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、科研實(shí)驗(yàn)室為一體，對學(xué)生實(shí)行全面開放，滿足了不同層次學(xué)生的個性化需求，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的人才奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

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2095－6835（2018）24－0068－02

C829.2

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.068

弓偉（1983—），男，山西長治人，碩士，講師，工程師，主要研究方向?yàn)獒t(yī)療電子儀器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

廣東省教育廳2017年重點(diǎn)平臺及科研項(xiàng)目青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2017KQNCX040）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕