信息化条件下高校实验室拓展建设的思考与实践

1 背 景

实践教学是提高大学生创新能力的有效途径在各高校中已经形成广泛共识，实验室在创新教育体系中的重要作用日益凸显，国家一直高度重视实践育人的作用。2012年，教育部等七部委联合发布的《关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》^[1]中指出，要“加强实验室、实习实训基地、实践教学共享平台建设，依托现有资源，重点建设一批国家级实验教学示范中心”，各高校要“努力建设教学与科研紧密结合、学校与社会密切合作的实践教学基地”，有条件的高校要“强化现场教学环节”。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》^[2]也把加强实验室等基本建设作为高等教育提高人才培养质量的重要建设内容，把建设虚拟实验室作为加强优质教育资源开发与应用的重要举措。

为推动高等学校实验教学改革和实验教学中心建设与发展，促进优质教学资源整合与共享，深化创新创业教育改革，实现高等教育人才培养水平的不断提升，教育部从2005年开始启动国家级实验教学示范中心建设。直至2015年，全国共建设901个国家级示范中心，涵盖33个学科，在提升实验教学水平、搭建交流平台、完善实践教学体系、创新人才培养模式等方面建设成果显著，极大地推动了我国高校实验教学改革和实验条件改善，进一步完善了高校实验教学管理体系，促进了高校优质教学资源的整合与共享，提升了学校办学水平和教育质量，有力地推动了学生动手能力、实践能力和创新能力培养，对大学生创业、国家科技创新、社会经济可持续发展等起到重要的促进作用^[3-4]。

2 建设理念与思路

信息化条件下的实验室拓展建设必须考虑到学习者本身的特点，特别是近年来信息技术对学习方式变革产生的影响以及对国家级实验教学示范中心的建设需求。

2.1 以学生为中心，创新实践教学环境

实验室面对的学生是在网络和数字环境下成长起来的新一代新型学习者——网络一代（net generation），他们的生活方式、工作方式和学习方式都发生了较大变化。通过对新型学习者的研究可以发现，他们具有倾向于分组活动（group activity）、目标和成就导向（goal and achievement orientation）、可以一心多用（multitasking）、喜欢动手实验（experimental，trial and error）、严重依赖网络（heavy reliance on network access）、实用主义和善于归纳（pragmatic and inductive）、喜欢视觉表达（visual）、喜欢交互（interactive）等特征^[5]，因此，实践教学环境必须有针对性地考虑到这些特征。在硬件环境资源布局中，要设计个性化、易于调整的分组合作空间，提供宽敞的机位便于摆放各种工具，方便快捷的网络接入，融合各种新型IT技术和便于使用的各种实验室软硬件资源，以及共享显示环境和打印系统等；在软环境配置时，需要提供实验过程监控和实验效果分析的相关应用，使学生可以及时得到教师的指导与帮助。

2.2 支持各种学习方式，突出创新能力培养

实验是教学过程的重要环节，实验室是信息技术在教学中的重要应用领域，美国新媒体联盟地平线项目系列报告已经成为国际教育信息化的风向标^[6]。2017年，北京师范大学智慧学习研究院与美国新媒体联盟联合发布了第一个针对中国高等教育新兴技术应用状况的地平线报告，即中国高教版《地平线报告》^[7]，报告指出翻转课堂、移动学习、创客空间和大规模开放在线课程MOOC被认为将在未来一年之内取得重要进展。

翻转课堂是混合式学习的重要呈现方式。对实验室而言，就是要利用信息技术丰富传统实验方式，实现远程虚拟实验和现场实验的优势互补，为实验教学提供更高的灵活性，使学生能够时时学、处处学。

移动学习不仅仅是简单地利用移动设备学习知识、支持学习过程的改进和拓展，还强调在生活环境和实际情境中进行学习^[8]。这就要求实验室尽可能提供与学生未来研究或工作相同的实验场景。

创客空间是一种物理化的制造空间、人际化的共享空间和社会化的服务空间，实验室模式是创客空间的主要组织模式之一^[9]。实验室建设必然需要依托于学校的高水平科技创新平台，鼓励体验式学习、学科交叉、团队协作和开放共享，实现创意、创新与创业的一体化。

MOOC的诞生与发展使开放教育从单纯的资源共享转变为课程与教学模式革新，作为实验室也要积极应对这种变革提出的新需求。作为MOOC的拓展，国防科技大学提出的大规模在线开放研究MOORE（massive online open research）^[10]对于激发创新技能和完善创新机制具有重要意义。

2.3 促进IT新技术在实验室中的拓展应用，发挥示范作用

随着新技术对实践教学内容和教学方式的影响日益加深，各高校已经认识到实验室再也不仅仅是仪器设备和场地的简单累加，形成了以计算机国家级实验教学示范中心（清华大学）提出的“五个转变”为代表的一些共识^[11]。人工智能、大数据、云计算是新兴IT技术的典型代表，这些技术在实验室中的广泛、深度应用是国家级实验教学示范中心建设的必然要求。

实验室中的人工智能涵盖课程知识学习、实验过程监控与分析、实验资源管理与运维等诸多方面，目前主要包括智能门禁系统、智能传感网络、智能视频监控系统等。中国高教版和全球高教版《地平线报告》不约而同地把人工智能作为未来4~5年内可能被应用到教育中的技术，这当然也包括在实验室中的应用。

实验室中产生的数据包括资源的运行情况、各种学习的历史数据等。根据大数据分析结果，实验室管理者可以做出合理的决策和应对各种教学统计分析，教师可以有效制订教学策略，学生可以开展个性化学习。如何对大数据进行有效管理，充分发挥大数据的优势，成为目前该技术应用的挑战性问题。

云计算在实验室信息化中具有许多优势，包括降低硬件成本、避免重复采购，简化资源配置过程、提高实验室运维效率，通过虚拟化技术优化资源、提升资源利用率等。目前，许多高校都建设了服务器集群和数据中心，利用虚拟桌面开展实验教学，研发了基于互联网的开放云实验平台。

教育部要求“十二五”建设的国家级实验教学示范中心应具有先进的实验教学信息化水平^[12]，因此，实验室要推进信息技术与实验教学深度融合，不断丰富信息化实验教学资源，通过统一的信息化管理平台实现各种实验设备资源的高效利用和开放共享，推动实验教学过程管理的信息化，并通过国家级实验教学示范中心这个平台积极发挥辐射和引领作用。

3 实验室拓展建设实践与成效

国防科技大学计算机教学实验中心（下文简称中心）依托国防科技大学计算机学院计算机科学与技术、软件工程一级学科进行建设，主要服务学院计算机科学与技术、网络工程等6个专业的本科人才培养以及相关专业的研究生培养，并支撑全校计算机公共基础教学和信息大类计算机专业的相关教学实践任务；同时，通过接待参观、举办教学研讨会等方式，加强实验体系、实验案例、实验教材、实验平台等的对外辐射，不断发挥示范效益。经过多年实践，中心在高水平实践教学体系、教学与科研相结合的实验教学环境、与用人单位联合育人机制等方面形成了自己的特色。中心在2009年获评湖南省实践教学示范中心，2013年入选计算机国家级实验教学示范中心。“十二五”期间，依托学校重点建设，中心在实验场地和经费上获得重大支持，如何在信息化条件下进行实验室拓展建设，中心开展了一些规划思考和有效实践。

3.1 支持完整实践教学体系的实践环境

在充分调研国内外实验中心建设经验和授课教师实际需求的基础上，中心对实验用房进行了合理规划。除了传统的实验机房外，大部分房间被设计成支持研讨的活动空间，配备了可移动、可折叠的桌椅和可滑动的白板，能够根据完整的实践教学体系中各种不同的实践需求进行灵活布置。每个机位设置多层空间便于摆放实验仪器和学习用品，设置多个插头便于学生使用各种电子产品。整个实验室内部全部由玻璃隔断并配以可升降窗帘，这种通透的设计允许教师、管理人员甚至是学生观察实践过程，方便实验教学与管理，并可以鼓励学生间的相互学习与合作。中心机房整合了所有的授课视频、音频和网络信号线，可以方便地将多个小教室组合成一个大教室。公共空间也被整合成实验场地，提供可移动的休闲座椅，成为报告厅、机器人/无人机实验场地以及成果展示场所。

室内线路布局时重点考虑有效利用空间、方便检修、降低安全隐患等问题，另外还特别考虑将实验室走线作为网络工程见习的教学内容进行设计。采用工业式裸装风格，所有跨房间的网络走线全部采用开放式桥架上走线，房间内走线采用玻璃防静电地板开放式桥架下走线，从交换机到机房的网络走线全部暴露在外面。学生可以仔细看清网络是如何在实际应用场景中架设的，了解从中心机房到各个房间的网络是如何走线的。这种做法能够对学生消化吸收网络工程相关内容起到很好的帮助作用，开放式桥架中整齐规范的走线铺设可以潜移默化地培养学生的网络工程素养。

3.2 基于教学网的远程实验和虚拟实验环境

实验教学资源的拓展一直是中心建设的主要任务之一。近年来，中心依托学院高水平科研，自主研发实验平台或者将科研成果直接转化为实践教学平台或实践教学案例，按照专业方向组建远程实验和虚拟实验，建立“学习社区”实现实验案例资源的共享，并通过学院自主研制的教学网（可以连入Internet）进行推广。这些平台资源的建设可以有力地促进各种实验方式的优势互补以及各种实践学习方式的革新。

硬件相关专业依托“天河阳光”平台建设案例资源，并基于云技术实现了硬件实验平台的远程共享，包括“天河阳光”硬件综合实验平台、示波器、万用表、逻辑分析仪等的远程访问。目前该平台在教育科研网格上设有10套开发板部署，在教学网上完成了20套开发板部署，并给出了硬件系列课程实验案例（http://202.197.9.243:8081）。

软件相关专业依托Trustie平台（http://course.trustie.net）建设案例资源，该平台来自国家863计划“可信的国家软件资源共享与协同环境”的成果，汇聚了丰富的实验教学资源并支持大规模在线开放研究MOORE学习模式，目前已覆盖全国100余所高校，并于2016年获得全国首届计算机实验教学示范中心优秀实验教学案例一等奖。

网络相关专业依托Netmagic（http://bbs.netmagic.org）和FAST（http://www.fastswitch.org）平台建设案例资源，其中Netmagic平台来自国家973项目“大规模流媒体高效传输控制”的成果。这些平台在关键网络机制创新研究、开源社区代码维护、专业公司提供服务等方面表现优异，已推广至包括清华大学、香港理工大学、瑞士联邦理工大学等多所高校使用。

3.3 面向开放运行的管理与服务信息系统

结合实验室拓展建设，中心在广泛调研和对比的基础上，整合优化了媒体教学资源和虚拟实验资源，搭建了基于云计算的公共虚拟实验云平台。该平台实现了对数据、软硬件设备等大规模资源的统一调度管理，可以根据实践任务需求灵活部署各种实验环境，使用户平等地从云服务器获取实验需要的运行环境、实验数据、计算存储资源及应用软件，另外用户之间的数据相互隔离也确保了数据的私有性和安全性。平台还实现了性能体验良好的设备利旧、可视化实验训练过程跟踪、全生命周期型实验档案管理、轻量级系统日常运维管理、快速实景再现式运维安全管理等功能。此外，平台还具备良好的可扩展性，能根据要求升级拓展。

中心结合自动识别技术，完善了无人值守机房管理系统，利用校园一卡通对实验室开放运行进行智能化管理与服务。该系统实现了24小时全天候刷卡使用各开放机房，方便师生根据需要自主使用实验室资源；同时，结合视频监控，系统实现了用户行为分析、实验室进出人数统计、人脸检测等智能化功能，提升了实验室资源管理、安全管理、用户信息管理、运行过程管理的信息化水平。

4 结 语

实验室拓展建设必须考虑到网络一代学习者的生活方式、工作方式和学习方式都发生了较大变化；实验教学方式的革新必须结合即将取得重要进展的翻转课堂、移动学习、创客空间、大规模开放在线课程MOOC等学习方式进行；人工智能、大数据、云计算等新兴IT技术在实验室中的广泛、深度应用是国家级实验教学示范中心建设的必然要求。中心本着“以学生为中心，创新实践教学环境；支持各种学习方式，突出创新能力培养；促进IT新技术在实验室中的拓展应用，发挥示范作用”的思路，在物理环境、远程虚拟实验、管理模式等方面进行了探索和实践，未来将继续跟踪信息技术中长期发展趋势并依据实践教学需求的变化不断进行拓展建设。

（基金项目：国防科技大学教育教学研究课题“拓展实验室管理平台建设，完善合作式实践教学体系”（U2015011）。）

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END

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