高职院校智能化实验室建设初探
摘 要：为提升实践能力和推动智能化教学，结合智慧校园的总体架构建设高职院校智能化实验室，以能力、场地、过程、技术的四层概念为智能化实验室逻辑模型，设计多层体系结构，按照实践教学的计划、准备、实施和评估四个过程实施智慧化建设。结合实践总结出智能化实验室建设的基本原则，对推动高职院校各类实践教学场地的信息化建设和智能化发展具有重要意义。
本文源自杨素婷; 周钢， 实验技术与管理 发表时间：2021-06-25
关键词：智能化实验室;总体架构;实践教学;高职院校;过程智能化
改革开放以来，我国高职教育始终围绕“以就业为导向，以服务为宗旨，培养技术技能型人才，满足社会需求”的目标定位[1]，为我国经济社会发展提供了有力的人才和智力支撑。随着我国进入新的发展阶段，为适应新时代对新型技术技能人才的要求，为办好公平有质量、类型特色突出的职业教育，提质培优、增值赋能、以质图强，加快推进职业教育现代化，教育部制定了《职业教育提质培优行动计划(2020—2023 年)》，文件明确指出要加强实践性教学，实践性教学学时原则上占总学时数 50%以上，鼓励职业学校利用现代信息技术推动人才培养模式改革，大力推进“智能+”教育新形态，统筹建设一体化、智能化教学平台。
高职院校智能化实验室建设是落实加强实践教学和推动智能化教学的具体举措，是培养大国工匠、能工巧匠等新时代高素质技术技能人才的重要方式，也是智慧校园建设的重要组成。智慧校园是高校信息化的高级形态，是对数字校园的进一步深化与提升，其中一个核心特征是综合运用新兴信息技术，全面感知校园物理环境，为师生建立智能开放的教育教学环境 [2]。智能化实验室是智慧教学环境的主要组成，是智慧校园建设重要项目[3]。
宾州州立大学在智慧校园建设中注重智慧学习空间搭建，建立创新工作和学习实验室，致力于融入创新工具和技术到课堂、实验室等物理智慧环境中[4]。冀中职业学院加强智慧校园背景下智慧化高水平实训基地建设，形成以智慧课堂为核心，以云平台和专业共建为特色，以虚实结合的实训系统和开放课堂为方法的实训室[5]。文献[6]探索了智慧校园中运用大数据技术加强实训基地人员管理、安全管理和实验课程管理的智慧建设。文献[7]研究了以实验室安全管理为核心，应用物联网技术搭建智慧实验室，实现了实验室内的设备、化学试剂等资源的全寿命管理，为实验室的管理提供资源高度可控、统一协调的智慧服务。文献[8]阐述了智慧实验室“物联层–互联层–应用层”的体系架构和功能设计，并对 RFID 装置、无线传感设备、常态录播系统、交互投屏系统等主要技术方案进行了讨论。
综合相关文献研究和国内外高校实践探索情况[9-10]，可以看出智能化实验室是智慧校园中智慧教学环境构建的重要环节，是智慧校园建设的重要组成。目前，相关研究重点关注于实验室安全管理和实验室硬件环节建设两个部分，对于智能化实验室整体架构设计和智慧赋能实践教学缺乏体系化研究和针对性探索。
针对智能化实验架构研究不系统和赋能实践教学不深入的问题，提出智能化实验室的概念内涵，参照相关国家标准设计高职院校智能化实验室的总体架构，并按照实验实施和开展流程，研究了智能化实验室建设与实施的具体步骤和智慧赋能，结合本校智慧校园建设实践情况，拟定智能化实验室建设应遵循的基本原则。
1 智能化实验室的概念内涵
智慧校园是教育信息技术的高级形态，是数字化校园的进一步发展，是依托物联网、移动互联、大数据、云计算、人工智能等技术，围绕教书育人中心工作，构建涵盖现实校园各业务的虚拟校园，实现教学、科研、后勤、管理各方面工作的信息化、智能化[11]。智能化实验室是智慧校园的重要组成，实验室建设应当依托和服务于智慧校园的总体架构和主体功能。从狭义上看，智能化实验室是智慧校园的智慧教学环境，是智慧校园的基础设施层、物联感知层的重要组成[12]。从广义上看，对于高职院校而言，智能化实验室是以培养新时代多层次高质量的技术技能人才为目标，依托校内外实验室、实训室(基地)、实习基地开展实践教学实施全过程的智慧化革新，是融物联环境搭建、网络资源建设、教学辅助实施、应用系统开发、配套制度保障为一体的，贯穿智慧校园各层级的一体化、智能化系统。该定义从建设目标、对象、环节和实施四个方面对高职院校智能化实验室进行了明确。
(1)以实践能力培养为目标。高职院校的实践教学坚持“工学结合，知行合一，德技并修”的基本原则，突出实践能力的培养，结合学生认知规律，分为基础实践能力、专业技术技能、岗位职业能力三个部分[13]，通过课程配套实验、专业技能实训和在职岗位培训开展实践教学。
(2)针对实验室、实训室和实习基地开展建设。智能化实验室对于高职院校是校内外的实验室、实训室(基地)和实习基地等实践教学场地智能化，按照 “学中做、做中学、探中学”三个层次在不同场地展开实践教学[14]，帮助学生掌握职业岗位任务所需要的知识和技术技能。
(3)涵盖实践教学组织实施的全过程。智能化实验室建设目标是提升学生实践能力，落脚在实践教学组织和实施上，要涵盖实践教学全过程，为实践教学的计划、准备、实施和评估各关键阶段智慧赋能，推动实践教学体系智能化[15]。
(4)加强实验室系统化、项目化建设。智能化实验室的落地实现在于具体建设项目上，结合教育信息技术发展，加强实验室环境、资源、教辅、手段和保障的全面智能化，实现实验室设施设备物联化、实践教学资源网络化、实践教学辅助智能化、教学手段方法系统化、教学配套保障制度化，进而以项目建设整体推进实验室智能化实现。
2 智能化实验室的总体设计
智能化实验室建设是智慧校园总体建设的重要组成，依托和依赖于智慧校园的云计算架构、大数据中心、统一门户等软硬件基础，符合并融入智慧校园总体架构。
2.1 逻辑模型
根据智慧校园总体设计，智能化实验室建设不应仅限于实验室的环境、设施展开，更应当围绕学生实践能力提升为根本目标，加强实验、实训、实习三类场地建设，按照服从智慧校园建设，服务实践教学开展的基本原则，依托新兴教育信息技术，为实践教学实施全过程进行智慧赋能，重组实践教学各环节、各要素，提高实验组织实施效能。据此，设计智能化实验室建设的逻辑模型如图 1 所示，该模型以学生为中心，针对三种能力、三类场所，按照实验计划、准备、实施、评估四个阶段综合运用物联网、移动互联、人工智能等技术进行智慧赋能，从而形成了从能力、场地、过程到技术的多层次逻辑模型。
2.2 体系架构
开展为中心，在场地、过程、技术维度进行拓展建设。智能化实验室的体系架构服务服从于智慧校园总体框架，构建包括基础设施层、网络传输层、数据存储层、业务支撑层、应用服务层和用户访问层的多层总体架构[16]。智能化实验室建设的具体框架如图 2 所示。
其中，基础设施层是智能化实验室部署的相关硬件环境和配套设施，主要包括原有智慧校园部署的信息化基础设施，如信息采集、数据通信、安全保密等设施设备以及围绕智能化实验室构建的智能门禁、智能摄像头、智能配件柜等物联感知设备;网络传输层主要是相关数据通信传输网络，主要包括互联网、物联网和各高职院校自建的内部网或专用网，也包括与企业共建的虚拟专网;数据存储层和业务支撑层依托智慧校园建立的云计算数据中心实现，其中数据存储层依托数据交换和共享平台实现实践教学数据的规范、转换、交换、共享和存储，教学保障专题数据库是包括实践场地(实验室、实训室、实习基地等)信息、人员(教师、学生、企业)基础信息、实践教学(实践课程、教材、资源等)信息在内的教学保障相关业务的主题数据库，一般部署于校内数据中心，业务支撑层依托云计算架构完成，包括校内自建的私有云和基于互联网的公有云，公有云一般采用租赁形式依托互联网科技公司提供服务;应用服务层是智能化实验室开展的具体业务应用，包括实验场地管理、仪器设备管理、虚拟实验管理等具体应用，以及实验场地使用状态查询、实验项目预约、实验成绩查询、远程实践指导咨询等微服务;用户访问层为校内外师生、企业工厂用户依托移动终端应用程序等多种终端进行系统访问，通过统一门户实现单点登录，完成智能化实验室相关应用访问和使用。
3 智能化实验室的建设实施
传统智能化实验室的构建关注于实验室本身，或加强硬件投入改造场地环境，或推动实验项目的虚拟化、网络化、智能化，或引入信息化手段优化管理机制。传统建设实施模式存在两个突出问题：一是缺乏融合性。智能化实验室建设缺少对智慧校园已有云计算架构和大数据中心的充分运用，又缺失与其他相关智慧应用的横向融合桥接。二是缺乏系统性。智能化实验室建设如果仅从硬件、环境、设备设施、教学模式等方面单点发力，未形成合力，则智慧赋能整体效果欠佳。
为破解传统实验室信息化、智能化建设中融合性、系统性缺失的问题，着眼于学生实践能力培养，关注实践教学组织与实施，从实验计划、实验准备、实验实施和实验评估四个过程进行智慧化改造，从而将实验室环境改造、信息系统设计等聚焦聚力于实践教学实施中，提升实践教学效果，提高学生实践能力。
3.1 实践教学计划的智能化
实践教学计划的安排按照计划内安排和计划外预约两种模式，其中计划内安排通过智慧校园的数据中心引接教务中课表相关数据，提取本学期实践教学安排情况，结合实践教学管理与保障专题数据库中实验场所相关数据自动形成实验教学计划数据;对于计划外实验，按照网络预约方式，通过不同终端、不同专业的学生进行预约，并实时跟踪校内实验室、实训室及仪器空闲情况，各实践教学场地负责教师进行审批，并自动跟踪到课、学习、训练情况。计划外实验的安排依托移动互联网和实践教学场地智能监控完成，并联通智慧校园数据中心实时更新各类校内实验室、实训室及其配备仪器设备状态。
3.2 实践教学准备的智能化
实践教学准备主要包括场地准备、仪器准备、教学准备三个方面：①场地准备主要是实验室场所的准备，依托物联网实现现有实验室、实训室的温湿度、光照、通风等基础自然环境的自动调节，依托智慧校园数据中心完成实验室、实训室使用状态自动更新; ②仪器准备主要是对配备仪器设备的管理，依托射频识别、大数据等技术实现对仪器设备状态查询、生命周期管理等;③教学准备主要依托云平台实现实践教学的课程组、双师线上协同备课，以及实验教学计划、资源的网络发布等。
3.3 实践教学实施的智能化
实践教学实施根据实验项目不同可以分为六大类，即理论验证实验、虚拟仿真实验、网络仿真实验、模拟训练实验、技能实操实验、综合创新实践，其中： ①理论验证实验是理论课程配套实验，主要为基础学科或课程的配套实验，一般通过线下实地完成，如物理基础实验、化学基础实验等，通过高拍仪、互联网等信息技术实现实验过程的信息留档，包括实验批改的网络化以及计算机类编程等信息类实验实现自动批改等;②虚拟仿真实验是运用虚拟现实技术开展的不易于现实观察或操作的实验，如电子类、计算机组成等微观实验和车床、锻造等高危实验，可以通过专业模拟仿真软件或演示系统完成相关实验;③网络开放实验是依托信息技术、网络技术实现实验的网络化，或基于云计算的大型实验软件调用，或基于物联网的远程实验装备调用，帮助学生网络访问平台、运用仪器、实施实验;④模拟训练实验是大型模拟训练器或演练系统开展的综合性实验，如电子商务报关等，一般以班组为单位展开的综合训练，通过人脸识别、语音识别等记录实验过程，开展复盘复查，评估训练效果;⑤技能实操实验是关注某职业、某岗位的一项具体技能的实训，如茶艺训练，通过微课、远程网络教学、院校企业联教完成相关技能培训和指导;⑥综合创新实践是位于实训室或实习基地开展的具有创新性的实践活动，通常依托相关职业技能大赛开展的综合性实践，通过院校企业网络联教，实现以赛促教、以赛督学，提升学生创新实践能力。
3.4 实践教学评估的智能化
实践教学评估根据评估层次分为简单评估和复杂研判，其中简单评估如实验报告的教师批改或自动阅判，复杂研判如基于深度学习的自动分析、学业预警、计划调整等。
4 智能化实验室建设指导原则
根据智慧校园的建设发展趋势，探索智能化实验室构建特征和实现，结合我校在智慧校园和智能化实验室建设实践，厘清智能化实验室建设中需要遵循的基本原则。
(1)围绕实践教学中心工作。围绕实践能力提升的根本目标和实践教学的中心工作开展相关建设，加强实践教学计划、组织、实施、管理、保障的智能化，以信息化、智能化建设提升实践教学效果、高效发挥实验室、实训室等实践教学场所作用效能。
(2)融入智慧校园总体建设。积极运用云计算架构和大数据中心相关功能，加强与横向应用业务的数据交流和功能共享，注重实践教学数据共享化和实践教学相关业务功能的微服务构建和发布，提升实验室智能化的系统效益。
(3)注重新型实验项目革新。关注常态化疫情防控下的实践教学，推动实践实验虚拟化、开放化、网络化，保障学生相关实验预约申请、远程实施、报告提交，加强院校和企业的网络互联互通和系统建设，保障校企联教联训和双师教学开展，从而确保常态化疫情防控下的实践教学有序开展、效果不减。
5 结语
高职院校智能化实验室是以人工智能为代表的教育信息技术在实验室、实训室(基地)和实习基地等实践教学场地建设的深入应用，为实践教学开展智慧赋能，提升实践教学场地利用效能，提高学生实践能力。
智能化实验室建设围绕学生实践能力提升为核心目标，设计目标、场地、过程、技术的四层概念逻辑模型，参考智慧校园建设总体架构，依托已有云计算架构和大数据中心，构建基础设施层、网络传输层、数据存储层、业务支撑层、应用服务层和用户访问层的多层总体架构，突出对实践教学组织和实施的过程智慧赋能，详细从实践教学的计划、准备、实施和评估四个过程进行智能化改造研究，最后分析了智能化实验室建设应当遵循的围绕实践教学中心工作、融入智慧校园总体建设、注重新型实验项目革新的三项基本原则。
结合前期实践经验总结和相关理论研究探索，智能化实验室建设的相关研究为高校推动实验室智慧化改造，提升实验室利用效能，提高实验教学效果具有重要借鉴意义和参考价值。