信息化2.0背景下高职智慧实验室的建设研究

摘要：随着大数据、物联网、互联网等深入发展与应用，智慧实验室的概念应运而生。文章从教育信息化2.0的时代背景出发，阐述了国内智慧实验室的研究和应用现状，分析高职院校实施扩招后传统实验室所面临的问题与挑战，并对高职智慧实验室的功能设计和总体架构进行了研究分析。

关键词：教育信息化;智慧实验室;物联网;高职;系统构建

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）19-0124-03

2018年，中华人民共和国教育部发布《教育信息化2.0行动计划》，提出了“三全两高一大”的教育信息化发展目标[1]。在高等教育、职业教育、基础教育三大教育领域中，职业教信息化有其鲜明特色[2]，职业教育信息化的创新发展，对教育信息化起到了支撑引领的巨大作用，并全面推进职业教育现代化，为实现新时代的职业教育现代化奠定了稳固的基础。职业教育信息化主要包括信息化环境建设、数字资源开发、教师专业发展、信息化教学应用、职业教育管理信息化[3]。高职智慧实验室的建设全面覆盖了职业教育信息化的五个领域，同时职业教育的任务是培养大批高素质的技能型人才，基于智慧实验室的教与学对培养知识、技能、创新创造三维一体的新职业人起到了至关重要的作用。因此，如何构建一个环境安全舒适、资源共享化、教学模式多元化、考核评价智能化的智慧实验室以丰富学生的职业知识与实践技能，就成为当下急需思考的问题。

1 智慧实验室概念

1.1 智慧实验室的概念

通过对相关文献进行梳理，发现研究人员对智慧实验室以不同的视角进行阐述，然而他们对智慧实验室的概念具有相同点，即智慧实验室通过利用新兴的信息技术构建教与学的环境，从而促进学习者知识与技能的提升。其中典型的代表为周春月等[4]认为智慧实验室是智慧校园的重要组成部分，以物联网技术核心，运用新兴信息技术实现实验室的智能化、可视化管理、安全化、资源互联互通、师生相互协作以及实验室仪器设备资源、教学资源、科研资源的高度共享化，为全体师生提供一个全面的智能感知实验环境和综合信息服务平台。

本文认为智慧实验室是以脑科学、教育神经科学等新兴科学和现代教育思想理论为指导，以提高学生实践能力和创新能力为目标，立足于我国对人才发展和培养的需求，在物联网、大数据、云计算、人工智能等新兴技术的推动下，实现实验室的管理、教学和科研一体化。实时监测和感知实验室的物理环境，便捷获取实验资源，教学过程可视化记录与评价，智能识别工作学习情景、实验设备状态，并能为实验室管理、实验室仪器管理、实验室安全等提供科学分析与精准决策，为广大师生创造安全、环保、智能的环境，提供开放包容、互动协作、高效便捷、可视化的个性化服务。

1.2国内智慧实验室应用现状

目前，在国内高校方面，对于智慧实验室的应用研究比较有代表性的是南京大学的中级化学实验室，作为国内的第一个24小时高度开放的大型智慧实验室，极大满足了现阶段的产学研发展的需要，培养学生灵活熟练操作中、大型仪器为科研服务的能力，为学生营造一个高水平化学工作者在科学研究中应有的积极氛围，为培育具有国际视野和高素质创新能力的未来领军人才做出了巨大贡献。在中小学方面，智慧实验室的应用颇为广泛，如上海市市西中学、福建厦门一中、外国语学校、广州市番禺区市桥桥兴中学等[5]。对于中小学阶段主要通过新兴信息技术提高学生的理化生实验能力和问题解决能力，激发学习兴趣，优化学习方式，让学生受到良好的科学启蒙，为学生的创新素养提升提供优良的土壤。而目前对于高职院校的智慧实验室的研究与应用，相对于高校与中小学较少。对于高职智慧实验室的建设，我国正处于基础阶段，但随着互联网、大数据等技术的推广，高职智慧实验室在未来一定会普及，为广大师生服务，为加快推进职业教育现代化发展，开创我国现代化职业教育新局面提供有力支撑。

2 传统实验室面临的问题与挑战

2019年高职（专科）院校实施扩招计划，扩招人数高达100万人，是我国职业教育的重大发展机遇，也对我国教育产生巨大的影响，但传统实验室面临的问题与挑战也随之而来。当前实验室的问题主要表现在：①实验室场地增加以及使用更加频繁，缺乏统一的平台进行智能化管理，仅仅依靠人为管理，无法及时对实验仪器、设备进行管理与维护。②传统的监控方式无法主动预警火、电、水等各种潜在危险，存在一定的安全隐患。③实验室资源分散，各个院系、各个院校间的资源分配不协调，存在“信息孤岛”的现象，使得学生无法便捷地利用实验室资源进行学习，往往造成使用冲突，最终导致学生难以利用实验室资源提高职业知识与技能。④传统实验室的教学模式往往比较固定，更适合于个人探究型，但职业院校不光要培养有扎实职业技能的学生，更要通过小组协作、翻转课堂等教学模式培育具有团队协作和自主学习意识的职业人才。随着高职扩招的开展，如何解决高职实验室的教学、科研、管理智慧化问题成为高职院校亟待研究的重点之一，高职实验室的智慧化、共享化、安全舒适化建设成为研究人员所关注的热点内容。

3高职智慧实验室功能设计

通过分析上述传统实验室所面临的问题与挑战，在高职院校的智慧实验室功能实现中，主要有以下设计思路：

3.1实验环境安全舒适化

实验室的环境信息主要有气味、光线、位置、烟雾、温湿度以及学生操作的实验仪器设备等。通过物联网的传感器技术对光线、温度等进行实时感知、智能调节，为学生提供舒适的实验室学习环境。高职院校的实验室往往会接触到易燃、易爆、剧毒的实验物品，实验室中的任何疏忽大意都将可能成为重大事故的导火索，因此为师生提供一个安全、和谐、绿色的环境是实验室建设的重中之重。对实验室有毒易燃气体、烟雾、人体等进行24在线监控，并运用计算机或手机终端将实验室的实时环境信息推送给实验室管理人员，一旦发生安全事故，系统将在第一时间启动应急方案，实现无人状态下的及时应急处置。

3.2实验资源共享化

实验资源的共享化能为更多的师生群体提供服务，并且通过共享化的方式，更加契合我国创新、协调、绿色、开放、分享的发展理念。高职院校的实验资源主要分为四类：一是实验教学资源，如开展实验教学时所涉及的课程大纲、实验指导手册、实验课程案例、课件等教学资源。二是实验设备资源，如实验仪器、实验软件、实验硬件、教科研仪器设备等。三是实验场地资源，可以划分为校内实验基地、校企共建实验实训基地。四是实验室师资即承担专业实验项目教学的教师。依托智慧实验室的平台对这四类实验资源进行资源整合，实现互联互通。教师不仅可以便捷地获取优质的实验教学资源，而且通过对不同教育理念、教学方法、教学经验的交流与探讨，促进了教师自身实验教学水平的提升。学生通过计算机或手机终端了解实验室、科研仪器设备的使用情况并进行预约使用，并以无线网方式获取实验计划、实验内容和相关实验资源，自主地进行实验项目的学习与研究，帮助学生掌握扎实的专业技能，突显职业教育特色，培养技术过硬的应用型人才。

3.3实验教学模式多元化

基于“以学生为中心，以教师为主导”的教育理念，智慧实验室注重个性化的教学模式，通过灵活的空间布局以及无线网络，建立了开放式的实验教学模式与小组协作式、个人探究式的学习模式。在教师的指导下，对于不同的实验项目，采用不同的教学模式。基础性的实验，一人一组，学生独立操作完成，提升操作技能;综合性、设计性以及创新探究性的实验，教师制定有针对性的实验探究目标，学生们以小组的形式进行实验探究[6]。实验教学模式的多元化是提高职业院校的实验教学质量，培养学生职业素养、技能和团队协作意识的重要举措。

3.4实验考核评价智能化

对于高职教育而言，传统的纸质考核以及学期末一次性的评价已经无法满足培养职业技能人才的需要，在智慧实验室中，利用大数据和人工智能技术，使得实验课程的考核与评价过程智能化、精准化、科学化和高效化，不仅优化了实验教学的准备、教授、考核与评价的过程，而且能够实时、精准地反映学生的实验操作状态、实验进度，将实验操作评价及时反馈给学生，进而提高了实验课程的教学质量。

4智慧实验室架构研究

基于对高职智慧实验室的定位和功能设计，并参照物联网的三层架构，构建出高职智慧实验室总体架构。该架构共分为四个层次： 物理设施层、网络层、数据服务层、教学应用层，如图1所示。

4.1 物理设施层

物理设施层为智慧实验室的构建基础，为实验室提供必要和完善的物理平台。主要分为实验室基础设施、实验教学设备、物联网设备三大类。其中，实验室基础设施：活动实验台、灯光、空调、窗帘、排气等; 实验教学设备：实验仪器、投影仪、电子白板、等; 物联网设备：各类传感器、射频识别（RFID）、M2M终端、摄像头等。物联网设备是物理设施层的核心，RFID设备可对师生进行考勤打卡、身份识别等应用，也可对实验设备、实验数据进行监管中，将采集到的实验数据上传至云端，实现实验室的无纸化记录。传感器设备对实验室中的声音、光线、温湿度、气体浓度、人员等信息进行实时采集，建立安全舒适化的实验环境。

4.2 网络层

网络层主要功能为“传输”，即通过校园网、移动4G/5G、WLAN等通信网络技术将下层采集的信息实时、安全、可靠地传输至上层，实现各个层之间的无缝对接、互联互通。

4.3数据服务层

数据服务层该架构的核心，主要包括数据的采集、计算、存储、管理和挖掘与分析平台。以云计算和大数据等技术为基础，整合优质实验资源，建立一个信息化公共云平台，为高职院校的实验教学、实验资源利用、实验教学模式和实验考核评价等提供了全新的模式，而且积极推进职业教育信息化的建设和安全管理。

4.4 教学应用层

该层是在数据服务层的基础上，将实验室管理系统、考核评价管理系统、实验资源库、环境监测等系统集成在统一的教学应用平台上，形成开放的实验室系统。学生可以通过教学应用平台查看实验室使用情况并预约实验或在线上完成实验预习、线下进行实验操作练习、上传自己的实验数据、实验报告等;教师可借助平台准备实验课程、对学生的实验过程进行监测和考核评价管理;实验室管理员依托平台实时实地掌握实验室各类资源的信息，如实验仪器设备的使用状况、耗材流向追踪、设备安全监测报告，有效地减轻了实验室管理员的常规工作量。

4.5运行机制

实验室信息的标准化与规范化在智慧实验室的建设中起到了不可缺少、全面支撑的作用，实验室安全与运行维护体系则为智慧实验室的高效、稳定、安全运行提供坚实保障。

5 结语

实验室作为职业院校最典型的教学环境，对培养高水平职业技能人才起着至关重要的作用。当前传统的实验室正步入智慧化阶段，未来，职业院校发展建设智慧实验室是大势所趋。但关于智慧实验室的研究不应仅仅桎梏于技术，也要重点关注如何围绕实验教学活动提升智慧性，进而打造智慧实验室，以此作为未来的攻关重点。因此，高职智慧教室的建设的核心理念是以人为本，把教师和学生，即教学的主体作为应用对象，最终目标是提升学生实验实训水平。同时，我们也面临着数不尽的困难，如技术暂无统一的标准、信息安全得不到保障、基础设施和管理机制不尽如人意等。推动新兴技术在高职智慧实验室的研究中发力，促进实验实训教学发展，提高实验实训质量，所涉及也不单单是技术问题，还有其他的创新应用和服务、高职教学环境及管理方式的变革。

参考文献：

[1]教技[2018]6号，教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[Z].

[2] 陈琳.中国职业教育信息化创新特色研究[J].现代教育技术，2014，24（3）：12-18.

[3] 江玉梅，邢西深，佟元之.2.0时代的职业教育信息化现状、问题与发展路径[J].中国电化教育，2020（7）：119-124.

[4] 周春月，闫子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究[J].实验室研究与探索，2014，33（5）：239-243.

[5] 陈磊，徐佳丽.基于物联网的高职智慧教室建设研究[J].职教论坛，2014（35）：23-25.

[6] 陈爽.应用型人才培养模式的实验教学改革（续）[J].实验室研究与探索，2012，31（9）：1-3，10.

收稿日期：2021-09-26

作者简介：曾晟（1995—），男，福建漳州人，在读硕士，主要研究方向为职业教育信息化;欧頔（1997—），女，天津人，在读硕士，主要研究方向为职业教育信息化。