智慧型信息与通信技术实验教学示范中心建设与实践

　　摘 要：基于现代信息技术与教育教学的深度融合，构建合作、开放、生态、共赢的智慧型实验教学示范中心，实现数据可视化的智慧教学、智慧管理和智慧展示。提供开放实验设备、软硬件支持和在线指导，形成多元协同、内容丰富、应用广泛、服务及时的云服务实践教学体系。建设具备工程实践背景的虚拟仿真实验、实训及虚拟仪器开发项目，构建层次分明、特色鲜明、科教融合、虚实结合的实验教学体系。依托各级科研平台与成果，搭建学生科学实践、校内实习和创新创业开放平台，打造空间智能化管理的实践育人体系，增强学生的创新精神和科研能力。

　　刘海; 李雷; 张晓春; 孙志华; 程德强， 实验技术与管理 发表时间：2021-08-19

　　关键词：智慧实验室;ICT 领域;科教融合;实验教学示范中心建设

　　教育部《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》提出建设高水平本科教育[1]，基于大力推进“一流专业”建设和构建全方位、全过程、深融合“协同育人”新机制的重要意义和形势要求，按照有利于培养学生的实践动手能力、创新创业能力以及推进实验室开放共享，全面统筹管理各级各类教学、科研实验室，构建学科专业交叉融合、科教紧密结合、资源优化整合的智慧型开放实验中心。

　　中国矿业大学信息与控制工程学院现有电子信息工程、自动化、人工智能等 3 个“新工科”专业，是 “工业 4.0”“互联网+ ”“制造 2025”国家新一代人工智能战略发展需求的核心与支撑学科专业。电工电子国家级实验教学示范中心(以下简称“示范中心”)承担全校电工技术、电子技术、大学生电子设计大赛、机器人大赛等实践教学任务[2-3]。示范中心倡导在实践教学中引导学生自主探索创新，培养学生运用所学知识分析、解决实际问题的基本能力，全面提升学生科研基本素质、创新意识和创新能力，在校企合作、虚实结合、在线实验教学改革和综合实验开放方面展开试点，取得积极成效[4-5]。由于近年来实验室建设投入不足，特别是新专业、新课程的实验条件严重欠缺，不能满足专业、学生人数增加和高水平本科教育培养的基本需要[6-8]。同时所面向的专业均属于新一代信息技术关键领域，技术发展快，按照传统方式建设实验室，存在零星投入导致过时落后的弊端，跟不上社会经济和技术发展需求[9-10]。因此，为满足“电子信息工程”国家一流专业和“人工智能”“自动化”等新工科一流学生培养要求，迫切需要对实验实践教学环节进行重新规划、改造、提档升级，构建科教融合、本硕一体、校企协同、线上虚拟验证和综合创新设计实验结合、基于云服务等新技术理念的智慧型 ICT(信息与通信技术)实验教学示范中心，研究总体建设模式和方案，并进行示范建设[11-12]。

　　1 建设内容示范中心立足于 ICT 全产业链，校企协作共同制订面向人工智能的人才培养与实训方案，开展课程开发、教材开发，合作培养工程技术人才。根据国家 ICT 人才需求，开展联合人才培养，产教融合，提高人才培养质量[13-15]。以国民经济、社会需求和企业工程人才培养为导向，探索构建校企合作、产数融合的教学新模式。根据 ICT、人工智能新技术和新产业发展趋势，立足于面向未来、谋划未来、引领未来，精准对接产业链、创新链和人才链，持续深化“学生中心、产出导向、持续改进”的工程人才培养理念，关注人才培养成效和学习成果，汇聚校内外要素资源、突出开放式办学，构建面向多专业(人工智能、自动化、电子信息工程)、多层次(本、硕、博)人才培养需求，学科专业交叉和跨界整合，科教融合、校企合作、产学协同的“新工科”一流人才培养创新实践平台和实验教学示范中心[16]。打造以职业胜任力模型为目标，以提高学生创新精神和实践能力为导向，面向企业真实生产环境的任务式、“项目化”实践能力培养新模式和具有良好示范辐射效应的智慧实验实践教学育人基地。智慧实验中心建设功能规划如图 1 所示，在整合升级现有实验条件和融合学院科研平台资源基础上，对接产业汇聚校内外产学资源，基于开放、共享支撑平台，建设智慧示范中心、工程化 AI 共享创新平台、虚实结合实验教学“云服务”平台、大学生创新实践基地等 4 个平台。

　　1.1 实验中心及管理平台建设

　　基于 5G、大数据、云数据和 IoT 物联网技术，构建“信息化、智能化、工程化”的开放创新管理体系。积极推进实验室全面开放共享，全面规划打造智慧型示范中心。结合新一代信息技术提档升级示范中心信息系统，实现实验项目、人员和资源的智能管理，增购开放性实验室软硬件设施，加强示范中心环境文化建设，提高示范中心的信息化、智能化管理水平。全面统筹管理各级各类教学、科研实验室，构建学科专业交叉融合、科教紧密结合、资源优化整合的智慧型实验教学示范中心。

　　1.2 AI 创新平台建设

　　从校企合作平台建设、师资培养、课程共建及配套实训室建设等多个方面共建 5G 通信、柔性生产线、智能信息处理、大数据、融合网络、机器人和智能装备等专业特色实验室，同时为校内实践提供资源共享支持。与人工智能研究院、地下空间智能控制教育部工程中心协同，搭建智能交通、智慧物流、智慧医疗、多智能体协同控制系统等基于工程项目的共享创新平台。基于 AI 平台实现资源共享、辅助教学、移动学习等核心功能，构建跨学科在线实验教学资源共享平台，实现多专业、多层次、工程项目化的学生创新精神和科研能力培养。基于校企协同和开放共享机制，提升学生工程实践能力，形成人工智能高端人才培养高地。

　　1.3 云服务平台与特色实验室建设

　　根据 2020 年新版培养方案对学生知识结构和能力培养的要求，构建整体虚拟实验室体系架构，精准设计虚拟仿真实验项目，替代一些实验教学设备难以满足或者效益较低的实验项目。加强与华为、华润微电子、南京润众、武汉易思达和南京未来网络等众多企业合作，充分利用企业的创新中心资源，结合全程科研训练计划，实现师生共创提升工程实践能力。基于虚实结合的云服务平台全面改革基础实验、专业综合实验、虚拟仿真实验和科研训练项目。基于云服务体系，将教学实验课程、科研训练、综合实践、社会服务等均融入智能化云平台，打造国内领先的智慧型特色实验室。

　　1.4 创新创业和实习实践基地建设

　　整合优化现有的“RoboMaster 机甲大师”竞赛、工程机器人大赛、电子设计大赛等各种竞技资源，基于专业实验和科研平台资源共享，并协同华为等领军企业搭建面向全校大学生产教融合的创新实践开放平台，为大学生创新创业训练、实习实践、“互联网+大赛”“挑战者杯”培育提供支撑。以培养学生解决复杂工程问题能力为主线，以全程科研训练和综合设计为载体，搭建一个贴近工程实践的实训环境，提供线上线下融合的实验项目和跨学科、综合性的工程实践项目，确保技术领先、功能全面、资源丰富，满足创新人才培养需求、符合工程教育认证标准。将“基于项目的学习方式”融入实践教学，依托校企合作、科教融合、虚实结合的“线上线下”混合式实验教学资源，建成有特色、科教融合的大学生创新创业、实习实践示范基地，满足不同专业、不同层次、不同维度的拓展应用。

　　2 建设规划

　　示范中心从校企合作平台建设、“新工科”师资培养、“金课”建设、创新能力提升等多方向打造淮海地区 ICT 人才培养高地和开创性特色实验平台。实现现代信息技术与教育教学的深度融合，要求示范中心规划、实验教改方案、“云服务”体系和人才培养目标与 ICT 行业发展趋势一致，形成“互联网+创新实践”的育人新形态，构建全方位、全过程、深融合的协同育人新机制。通过全面加强环境文化建设，提档升级智慧实验室软硬件配置，合理规划布局功能区，提高实验环境的友好舒适度和安全保障度。具体规划涵盖如下三个方面。

　　2.1 锻炼学以致用的专业实践能力

　　开创型实验教学模式突出科教融合创新这一特征，推动包括矿山物联网工程实验室、地下空间智能控制教育部工程中心等省部级以上科研平台的共享开放，为本科生参与科研创造条件，及时将最新科研成果转化为实践教学内容。按照华为 ICT 学院创新人才中心标准合作模式，全面推动 ICT 相关专业的课程及实验平台共建，提供持续更新的教学资源，包含教学视频、教学文档、实验手册、实验视频、互动问答、在线测验、项目案例等。同时，以科研为导向实现数据准备—作业训练—模型构建—模型部署的模型系统构建处理过程。人才培养以生产为目标，重新配置人工智能实验环境，建立数据仓库，形成用户画像，实现数据可视化。进一步拓展 AI 平台，实现数据处理实验、深度学习实验、图像处理实验、语音处理实验、自然语言处理实验、Python 开发实验、Model-Arts 云平台等 ICT 专业实验的云端教学。涵盖人工智能、大数据、物联网和智能装备新兴领域。按照工程化实践能力培养要求，组织企业创新训练营，提升学生创新能力。

　　2.2 提升实验教学深度与广度

　　结合国家“一流专业”和“一流学科”建设，利用先进的实验教学系统和在线实验公共平台推进实验 “金课”建设，逐步扩大综合性、设计性、研究性实验范围，结合 2020 年新版培养方案要求，将现代虚拟仿真技术向专业综合实验拓展，面向全校实现在线实验教学资源共享共建，提高实验教学示范中心运行效率。此外，健全师资队伍校企协同机制，完善教学实验资源共享开放机制，对 ICT 人才培养协同管理。通过校企双方资源的投入，基于“华为云”平台打造淮海地区 ICT 人才培养高地，为淮海地区乃至全国产业增长提供科技人才支撑。

　　2.3 培养创新思维与工程意识

　　结合 ICT 专业特色，面向“人工智能”“新一代信息技术”“智能控制”等国家战略需求，紧扣“知识融合”“技能跨界”“标准演进”人才培养新标准，大力推进“互联网+实践教育”和虚拟仿真实验建设，解决教学匹配度不高、在线实验资源匮乏、师资实践能力滞后等核心难题。在矿大-华为战略合作框架下运用 AI 平台技术解决人工智能学习前期的环境搭建问题，解决从理论学习到实践操作的问题，适用于全开放的创新实践训练和本科生全程科研训练，从而健全合作共赢、开放共享的实践育人机制。建设虚实结合的 AI 实践育人新平台拓展前沿科学特色，基于新一代信息技术革新实验教学和管理模式促进学生的自主学习能力，有效培养其创新思维与工程意识，充分体现因材施教的教学理念。

　　产业互联网大背景下，“校企合作+产教融合+协同育人”新模式，逐渐成为技术人才培养的新趋势。 2018 年学院获批“自动化”新工科专业，2019 年 12 月，电子信息工程专业入选“双万计划”国家级一流本科专业，2020 年获批“人工智能”新专业，这些 ICT 专业的建设积累为校企合作框架下实现既定目标奠定了扎实基础。示范中心在 2020 年春季学期承担实验课程 12 门，共 102 240 人时，已完成线上实验 55 140 人时，安排后续虚拟仿真在线实验 20 160 人时，在线实验的开设与完成为项目积累了宝贵的建设经验。以新思想、新理念、新技术、新方法、新标准、新体系为引领，按照一流专业建设标准，完善 ICT 相关专业实践实验环节培养，建设紧跟新一代信息技术发展的智慧型实验教学示范中心。

　　3 建设预期成效

　　在产业互联网大背景下，“校企合作+产教融合+ 协同育人”新模式，逐渐成为技术人才培养的新趋势。示范中心将加强实验教学与理论教学、专业建设与学科建设、线上实验与线下实验的关联，结合新一代信息技术构建校企协同、科教融合的实践育人新体系，打造特色鲜明的智慧型实验教学示范中心。在 2020 新版培养方案中增加虚拟仿真实验项目的比例，结合 AI 技术支撑电子信息工程、自动化和人工智能等 ICT 专业建设，校企协同推动高质量师生共创，增强大学生创新实践精神和科研训练水平。预期建设成效如下。

　　(1)依托 2020 新版培养方案，整合“新工科” 专业基础课程及配套实验，实现“线上线下”有机结合，推动电工电子基础实验的全面开放和创新实践能力的多元协同培养。

　　(2)增设 ICT 专业实验支撑“厚基础”，以“宽口径”为原则拓宽创新实践体系，加深学生的专业知识储备。基于“一流学科”建设和就业双重考虑，实验实践课程必须遵循“重能力、偏应用”的原则，紧扣理论教学知识点要求，精准设计虚实结合综合实验项目，校企共建矿大—华为 ICT 学院，增设 5G 通信、机器视觉等创新实验室以满足人才培养新需求。

　　(3)建立人工智能在线实验公共平台，符合模块化、易组合、可替换、可综合的要求，满足人工智能、大数据、智能机器人、物联网等 ICT 专业创新实践能力培养需求。基于矿大—华为战略合作框架引入“云端”企业培训资源，贯通课程实验、课程设计、专业综合实践、生产实习和毕业设计，实施全程科研训练切实提高学生工程实践能力。

　　(4)实验中心各功能区重新规划，将现有的各专业机房和中心机房合并管理，构建统一的在线实验管理平台，整合设计模电、数电、电路和电工技术的部分在线实验项目。将 RoboMaster 大学生创新团队、电子设计大赛创新实践基地和机器人创新实践基地统筹建设，加强电子学会，机器人创新实验室的纽带作用，进一步拓展校内实习基地和综合实训平台建设。

　　(5)特色功能实验室的建设与智慧示范中心的整体建设方向保持一致。将基础开创平台与 AI 创新平台、虚拟仿真“云平台”一体化建设，实现专业与学科、教学与科研、基础与创新、理论与实践的和谐统一。

　　因此，示范中心在购置实验新设备的同时，面向一流专业建设和一流学科建设，重点打造基于虚拟仿真技术，构建面向 2020 年新版培养方案核心课程群的智慧型实验教学示范中心，校企协同加强综合创新实践在线教学与理论研究，支撑人工智能新专业与矿大 —华为 ICT 学院的同步建设。

　　4 结语

　　现有实验模式难以实现 5G 通信、人工智能、智能装备、大数据等新兴战略方向人才培养的有机融合，基本实验操作训练难以检验出学生的整体综合设计能力和培养解决复杂工程问题的能力。学院依托物联网工程实验室(国家级平台)、地下空间智能控制工程中心(省部级平台)，已经在 5G 通信、智慧物联、人工智能和大数据领域积累了丰富的教学科研成果和人才储备。示范中心从源头主流技术入手，联合行业龙头企业共同开发基于当前主流技术的虚实结合在线实验系统，共建有专业特色的功能实验室，有利于科教融合，将最新科研成果转化成教学资源，拓宽大学生创新实践能力的培养途径，有效提升工程实践教学效果。