高職院校智能化實驗室建設初探

　　摘 要：為提升實踐能力和推動智能化教學，結合智慧校園的總體架構建設高職院校智能化實驗室，以能力、場地、過程、技術的四層概念為智能化實驗室邏輯模型，設計多層體系結構，按照實踐教學的計劃、準備、實施和評估四個過程實施智慧化建設。結合實踐總結出智能化實驗室建設的基本原則，對推動高職院校各類實踐教學場地的信息化建設和智能化發展具有重要意義。

　　本文源自楊素婷; 周鋼， 實驗技術與管理 發表時間：2021-06-25

　　關鍵詞：智能化實驗室;總體架構;實踐教學;高職院校;過程智能化

　　改革開放以來，我國高職教育始終圍繞“以就業為導向，以服務為宗旨，培養技術技能型人才，滿足社會需求”的目標定位[1]，為我國經濟社會發展提供了有力的人才和智力支撐。隨著我國進入新的發展階段，為適應新時代對新型技術技能人才的要求，為辦好公平有質量、類型特色突出的職業教育，提質培優、增值賦能、以質圖強，加快推進職業教育現代化，教育部制定了《職業教育提質培優行動計劃(2020—2023 年)》，文件明確指出要加強實踐性教學，實踐性教學學時原則上占總學時數 50%以上，鼓勵職業學校利用現代信息技術推動人才培養模式改革，大力推進“智能+”教育新形態，統籌建設一體化、智能化教學平臺。

　　高職院校智能化實驗室建設是落實加強實踐教學和推動智能化教學的具體舉措，是培養大國工匠、能工巧匠等新時代高素質技術技能人才的重要方式，也是智慧校園建設的重要組成。智慧校園是高校信息化的高級形態，是對數字校園的進一步深化與提升，其中一個核心特征是綜合運用新興信息技術，全面感知校園物理環境，為師生建立智能開放的教育教學環境 [2]。智能化實驗室是智慧教學環境的主要組成，是智慧校園建設重要項目[3]。

　　賓州州立大學在智慧校園建設中注重智慧學習空間搭建，建立創新工作和學習實驗室，致力于融入創新工具和技術到課堂、實驗室等物理智慧環境中[4]。冀中職業學院加強智慧校園背景下智慧化高水平實訓基地建設，形成以智慧課堂為核心，以云平臺和專業共建為特色，以虛實結合的實訓系統和開放課堂為方法的實訓室[5]。文獻[6]探索了智慧校園中運用大數據技術加強實訓基地人員管理、安全管理和實驗課程管理的智慧建設。文獻[7]研究了以實驗室安全管理為核心，應用物聯網技術搭建智慧實驗室，實現了實驗室內的設備、化學試劑等資源的全壽命管理，為實驗室的管理提供資源高度可控、統一協調的智慧服務。文獻[8]闡述了智慧實驗室“物聯層–互聯層–應用層”的體系架構和功能設計，并對 RFID 裝置、無線傳感設備、常態錄播系統、交互投屏系統等主要技術方案進行了討論。

　　綜合相關文獻研究和國內外高校實踐探索情況[9-10]，可以看出智能化實驗室是智慧校園中智慧教學環境構建的重要環節，是智慧校園建設的重要組成。目前，相關研究重點關注于實驗室安全管理和實驗室硬件環節建設兩個部分，對于智能化實驗室整體架構設計和智慧賦能實踐教學缺乏體系化研究和針對性探索。

　　針對智能化實驗架構研究不系統和賦能實踐教學不深入的問題，提出智能化實驗室的概念內涵，參照相關國家標準設計高職院校智能化實驗室的總體架構，并按照實驗實施和開展流程，研究了智能化實驗室建設與實施的具體步驟和智慧賦能，結合本校智慧校園建設實踐情況，擬定智能化實驗室建設應遵循的基本原則。

　　1 智能化實驗室的概念內涵

　　智慧校園是教育信息技術的高級形態，是數字化校園的進一步發展，是依托物聯網、移動互聯、大數據、云計算、人工智能等技術，圍繞教書育人中心工作，構建涵蓋現實校園各業務的虛擬校園，實現教學、科研、后勤、管理各方面工作的信息化、智能化[11]。智能化實驗室是智慧校園的重要組成，實驗室建設應當依托和服務于智慧校園的總體架構和主體功能。從狹義上看，智能化實驗室是智慧校園的智慧教學環境，是智慧校園的基礎設施層、物聯感知層的重要組成[12]。從廣義上看，對于高職院校而言，智能化實驗室是以培養新時代多層次高質量的技術技能人才為目標，依托校內外實驗室、實訓室(基地)、實習基地開展實踐教學實施全過程的智慧化革新，是融物聯環境搭建、網絡資源建設、教學輔助實施、應用系統開發、配套制度保障為一體的，貫穿智慧校園各層級的一體化、智能化系統。該定義從建設目標、對象、環節和實施四個方面對高職院校智能化實驗室進行了明確。

　　(1)以實踐能力培養為目標。高職院校的實踐教學堅持“工學結合，知行合一，德技并修”的基本原則，突出實踐能力的培養，結合學生認知規律，分為基礎實踐能力、專業技術技能、崗位職業能力三個部分[13]，通過課程配套實驗、專業技能實訓和在職崗位培訓開展實踐教學。

　　(2)針對實驗室、實訓室和實習基地開展建設。智能化實驗室對于高職院校是校內外的實驗室、實訓室(基地)和實習基地等實踐教學場地智能化，按照 “學中做、做中學、探中學”三個層次在不同場地展開實踐教學[14]，幫助學生掌握職業崗位任務所需要的知識和技術技能。

　　(3)涵蓋實踐教學組織實施的全過程。智能化實驗室建設目標是提升學生實踐能力，落腳在實踐教學組織和實施上，要涵蓋實踐教學全過程，為實踐教學的計劃、準備、實施和評估各關鍵階段智慧賦能，推動實踐教學體系智能化[15]。

　　(4)加強實驗室系統化、項目化建設。智能化實驗室的落地實現在于具體建設項目上，結合教育信息技術發展，加強實驗室環境、資源、教輔、手段和保障的全面智能化，實現實驗室設施設備物聯化、實踐教學資源網絡化、實踐教學輔助智能化、教學手段方法系統化、教學配套保障制度化，進而以項目建設整體推進實驗室智能化實現。

　　2 智能化實驗室的總體設計

　　智能化實驗室建設是智慧校園總體建設的重要組成，依托和依賴于智慧校園的云計算架構、大數據中心、統一門戶等軟硬件基礎，符合并融入智慧校園總體架構。

　　2.1 邏輯模型

　　根據智慧校園總體設計，智能化實驗室建設不應僅限于實驗室的環境、設施展開，更應當圍繞學生實踐能力提升為根本目標，加強實驗、實訓、實習三類場地建設，按照服從智慧校園建設，服務實踐教學開展的基本原則，依托新興教育信息技術，為實踐教學實施全過程進行智慧賦能，重組實踐教學各環節、各要素，提高實驗組織實施效能。據此，設計智能化實驗室建設的邏輯模型如圖 1 所示，該模型以學生為中心，針對三種能力、三類場所，按照實驗計劃、準備、實施、評估四個階段綜合運用物聯網、移動互聯、人工智能等技術進行智慧賦能，從而形成了從能力、場地、過程到技術的多層次邏輯模型。

　　2.2 體系架構

　　開展為中心，在場地、過程、技術維度進行拓展建設。智能化實驗室的體系架構服務服從于智慧校園總體框架，構建包括基礎設施層、網絡傳輸層、數據存儲層、業務支撐層、應用服務層和用戶訪問層的多層總體架構[16]。智能化實驗室建設的具體框架如圖 2 所示。

　　其中，基礎設施層是智能化實驗室部署的相關硬件環境和配套設施，主要包括原有智慧校園部署的信息化基礎設施，如信息采集、數據通信、安全保密等設施設備以及圍繞智能化實驗室構建的智能門禁、智能攝像頭、智能配件柜等物聯感知設備;網絡傳輸層主要是相關數據通信傳輸網絡，主要包括互聯網、物聯網和各高職院校自建的內部網或專用網，也包括與企業共建的虛擬專網;數據存儲層和業務支撐層依托智慧校園建立的云計算數據中心實現，其中數據存儲層依托數據交換和共享平臺實現實踐教學數據的規范、轉換、交換、共享和存儲，教學保障專題數據庫是包括實踐場地(實驗室、實訓室、實習基地等)信息、人員(教師、學生、企業)基礎信息、實踐教學(實踐課程、教材、資源等)信息在內的教學保障相關業務的主題數據庫，一般部署于校內數據中心，業務支撐層依托云計算架構完成，包括校內自建的私有云和基于互聯網的公有云，公有云一般采用租賃形式依托互聯網科技公司提供服務;應用服務層是智能化實驗室開展的具體業務應用，包括實驗場地管理、儀器設備管理、虛擬實驗管理等具體應用，以及實驗場地使用狀態查詢、實驗項目預約、實驗成績查詢、遠程實踐指導咨詢等微服務;用戶訪問層為校內外師生、企業工廠用戶依托移動終端應用程序等多種終端進行系統訪問，通過統一門戶實現單點登錄，完成智能化實驗室相關應用訪問和使用。

　　3 智能化實驗室的建設實施

　　傳統智能化實驗室的構建關注于實驗室本身，或加強硬件投入改造場地環境，或推動實驗項目的虛擬化、網絡化、智能化，或引入信息化手段優化管理機制。傳統建設實施模式存在兩個突出問題：一是缺乏融合性。智能化實驗室建設缺少對智慧校園已有云計算架構和大數據中心的充分運用，又缺失與其他相關智慧應用的橫向融合橋接。二是缺乏系統性。智能化實驗室建設如果僅從硬件、環境、設備設施、教學模式等方面單點發力，未形成合力，則智慧賦能整體效果欠佳。

　　為破解傳統實驗室信息化、智能化建設中融合性、系統性缺失的問題，著眼于學生實踐能力培養，關注實踐教學組織與實施，從實驗計劃、實驗準備、實驗實施和實驗評估四個過程進行智慧化改造，從而將實驗室環境改造、信息系統設計等聚焦聚力于實踐教學實施中，提升實踐教學效果，提高學生實踐能力。

　　3.1 實踐教學計劃的智能化

　　實踐教學計劃的安排按照計劃內安排和計劃外預約兩種模式，其中計劃內安排通過智慧校園的數據中心引接教務中課表相關數據，提取本學期實踐教學安排情況，結合實踐教學管理與保障專題數據庫中實驗場所相關數據自動形成實驗教學計劃數據;對于計劃外實驗，按照網絡預約方式，通過不同終端、不同專業的學生進行預約，并實時跟蹤校內實驗室、實訓室及儀器空閑情況，各實踐教學場地負責教師進行審批，并自動跟蹤到課、學習、訓練情況。計劃外實驗的安排依托移動互聯網和實踐教學場地智能監控完成，并聯通智慧校園數據中心實時更新各類校內實驗室、實訓室及其配備儀器設備狀態。

　　3.2 實踐教學準備的智能化

　　實踐教學準備主要包括場地準備、儀器準備、教學準備三個方面：①場地準備主要是實驗室場所的準備，依托物聯網實現現有實驗室、實訓室的溫濕度、光照、通風等基礎自然環境的自動調節，依托智慧校園數據中心完成實驗室、實訓室使用狀態自動更新; ②儀器準備主要是對配備儀器設備的管理，依托射頻識別、大數據等技術實現對儀器設備狀態查詢、生命周期管理等;③教學準備主要依托云平臺實現實踐教學的課程組、雙師線上協同備課，以及實驗教學計劃、資源的網絡發布等。

　　3.3 實踐教學實施的智能化

　　實踐教學實施根據實驗項目不同可以分為六大類，即理論驗證實驗、虛擬仿真實驗、網絡仿真實驗、模擬訓練實驗、技能實操實驗、綜合創新實踐，其中： ①理論驗證實驗是理論課程配套實驗，主要為基礎學科或課程的配套實驗，一般通過線下實地完成，如物理基礎實驗、化學基礎實驗等，通過高拍儀、互聯網等信息技術實現實驗過程的信息留檔，包括實驗批改的網絡化以及計算機類編程等信息類實驗實現自動批改等;②虛擬仿真實驗是運用虛擬現實技術開展的不易于現實觀察或操作的實驗，如電子類、計算機組成等微觀實驗和車床、鍛造等高危實驗，可以通過專業模擬仿真軟件或演示系統完成相關實驗;③網絡開放實驗是依托信息技術、網絡技術實現實驗的網絡化，或基于云計算的大型實驗軟件調用，或基于物聯網的遠程實驗裝備調用，幫助學生網絡訪問平臺、運用儀器、實施實驗;④模擬訓練實驗是大型模擬訓練器或演練系統開展的綜合性實驗，如電子商務報關等，一般以班組為單位展開的綜合訓練，通過人臉識別、語音識別等記錄實驗過程，開展復盤復查，評估訓練效果;⑤技能實操實驗是關注某職業、某崗位的一項具體技能的實訓，如茶藝訓練，通過微課、遠程網絡教學、院校企業聯教完成相關技能培訓和指導;⑥綜合創新實踐是位于實訓室或實習基地開展的具有創新性的實踐活動，通常依托相關職業技能大賽開展的綜合性實踐，通過院校企業網絡聯教，實現以賽促教、以賽督學，提升學生創新實踐能力。

　　3.4 實踐教學評估的智能化

　　實踐教學評估根據評估層次分為簡單評估和復雜研判，其中簡單評估如實驗報告的教師批改或自動閱判，復雜研判如基于深度學習的自動分析、學業預警、計劃調整等。

　　4 智能化實驗室建設指導原則

　　根據智慧校園的建設發展趨勢，探索智能化實驗室構建特征和實現，結合我校在智慧校園和智能化實驗室建設實踐，厘清智能化實驗室建設中需要遵循的基本原則。

　　(1)圍繞實踐教學中心工作。圍繞實踐能力提升的根本目標和實踐教學的中心工作開展相關建設，加強實踐教學計劃、組織、實施、管理、保障的智能化，以信息化、智能化建設提升實踐教學效果、高效發揮實驗室、實訓室等實踐教學場所作用效能。

　　(2)融入智慧校園總體建設。積極運用云計算架構和大數據中心相關功能，加強與橫向應用業務的數據交流和功能共享，注重實踐教學數據共享化和實踐教學相關業務功能的微服務構建和發布，提升實驗室智能化的系統效益。

　　(3)注重新型實驗項目革新。關注常態化疫情防控下的實踐教學，推動實踐實驗虛擬化、開放化、網絡化，保障學生相關實驗預約申請、遠程實施、報告提交，加強院校和企業的網絡互聯互通和系統建設，保障校企聯教聯訓和雙師教學開展，從而確保常態化疫情防控下的實踐教學有序開展、效果不減。

　　5 結語

　　高職院校智能化實驗室是以人工智能為代表的教育信息技術在實驗室、實訓室(基地)和實習基地等實踐教學場地建設的深入應用，為實踐教學開展智慧賦能，提升實踐教學場地利用效能，提高學生實踐能力。

　　智能化實驗室建設圍繞學生實踐能力提升為核心目標，設計目標、場地、過程、技術的四層概念邏輯模型，參考智慧校園建設總體架構，依托已有云計算架構和大數據中心，構建基礎設施層、網絡傳輸層、數據存儲層、業務支撐層、應用服務層和用戶訪問層的多層總體架構，突出對實踐教學組織和實施的過程智慧賦能，詳細從實踐教學的計劃、準備、實施和評估四個過程進行智能化改造研究，最后分析了智能化實驗室建設應當遵循的圍繞實踐教學中心工作、融入智慧校園總體建設、注重新型實驗項目革新的三項基本原則。

　　結合前期實踐經驗總結和相關理論研究探索，智能化實驗室建設的相關研究為高校推動實驗室智慧化改造，提升實驗室利用效能，提高實驗教學效果具有重要借鑒意義和參考價值。