王寶祥 潘超

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.045

摘? 要：實(shí)驗(yàn)室是鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，增強(qiáng)實(shí)踐能力和科研能力的重要場(chǎng)所。智慧實(shí)驗(yàn)室是未來實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的必然趨勢(shì)，近年來引起各大高校的廣泛關(guān)注。文章分析了傳統(tǒng)高校實(shí)驗(yàn)室管理和使用過程中存在的問題，深入研究了智慧實(shí)驗(yàn)室的體系框架及構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，基于新一代信息技術(shù)設(shè)計(jì)了一套智慧實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建技術(shù)方案，以期為高校智慧實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：教育信息化;高校;智慧實(shí)驗(yàn)室;實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

中圖分類號(hào)：TP39;G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）09-0175-05

Research on the Construction of Intelligent Laboratory in College under the Background of Educational Informatization

WANG Baoxiang，PAN Chao

（Technology and Media University of Henan Kaifeng，Kaifeng? 475004，China）

Abstract：Laboratory is an important place to exercise studentshands-on ability and enhance practical ability，scientific research ability. The intelligent laboratory is the inevitable trend of the future development of laboratory，it has attracted great attention in recent years. This paper analyzes the problems existing in the management and use of traditional college laboratory，deeply studies the system framework and key technologies of intelligent laboratory，designs the construction technology scheme of intelligent laboratory based on the new generation of information technology，in order to provide reference for the construction and research of college intelligent laboratory.

Keywords：educational informatization;college;intelligent laboratory;laboratory construction

0? 引? 言

《中國教育現(xiàn)代化2035》提出更加注重培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型、技術(shù)技能型人才，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室的作用，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，以高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，助推教育現(xiàn)代化。實(shí)驗(yàn)室是高校開展實(shí)踐課程、進(jìn)行科學(xué)研究、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要場(chǎng)所^[1]。隨著新的信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，高校信息化建設(shè)進(jìn)入了深水區(qū)^[2]。2020年突發(fā)的新冠疫情給各高校信息化提出了新的挑戰(zhàn)，教學(xué)活動(dòng)尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)遇到的困難最大，泛在學(xué)習(xí)將成為新常態(tài)，教育的融合創(chuàng)新是必然選擇，也是推動(dòng)教育信息化引領(lǐng)教育現(xiàn)代化的內(nèi)在要求。

隨著5G技術(shù)的持續(xù)商用，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇期，如何利用這些新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與高校實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)的深度融合，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高質(zhì)量快速發(fā)展，培養(yǎng)具有高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才，成為當(dāng)前高校信息化建設(shè)的重要發(fā)展方向。

1? 智慧實(shí)驗(yàn)室概述

1.1? 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀

隨著高校信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，作為實(shí)踐能力和人才培養(yǎng)的重要場(chǎng)所，高校實(shí)驗(yàn)室的信息化程度也在不斷提升，有效提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和管理服務(wù)水平。由于在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，以及相關(guān)人員信息素養(yǎng)的欠缺，致使在后期的管理和使用過程中逐漸暴露出以下問題：（1）管理自動(dòng)化程度不夠，設(shè)備難以跟蹤、定位，出現(xiàn)問題難以得到及時(shí)解決。（2）實(shí)驗(yàn)室安全隱患大，未實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。（3）智能化程度不足，易造成資源的浪費(fèi)。（4）實(shí)驗(yàn)資源難共享，存在“信息孤島”。（5）缺少共享共建，造成儀器設(shè)備的低水平重復(fù)建設(shè)和實(shí)驗(yàn)室的利用率低下。（6）師生之間缺乏互動(dòng)，學(xué)生參與感不強(qiáng)，體驗(yàn)差。（7）缺少實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的收集、分析和存儲(chǔ)，造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源浪費(fèi)。

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的飛速發(fā)展，為高校智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)帶來了新的機(jī)遇，如何融合新技術(shù)服務(wù)于高校的實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)和管理工作，從而推進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和信息化建設(shè)，是大多數(shù)高校當(dāng)前面臨的重要課題。

1.2? 智慧實(shí)驗(yàn)室

國內(nèi)外關(guān)于智慧實(shí)驗(yàn)室的研究有很多。中國工程院朱蓓薇院士在2017年中德智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與發(fā)展高峰論壇上，指出智慧實(shí)驗(yàn)室是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的改造升級(jí)，是融合新一代信息技術(shù)，讓實(shí)驗(yàn)室為師生提供更加高效、安全、便捷的服務(wù)^[3]。李楠利用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于PHP+Apache+MySQL框架，按照由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用程序?qū)咏M成的系統(tǒng)總體架構(gòu)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款高校智慧實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境管控、設(shè)備智能化管理等功能，有效地提高了實(shí)驗(yàn)室的管理效率和水平^[4]。

目前，關(guān)于智慧實(shí)驗(yàn)室尚未有一個(gè)明確的定義^[5]，但普遍認(rèn)為智慧實(shí)驗(yàn)室是運(yùn)用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)應(yīng)用等技術(shù)，為師生創(chuàng)造一個(gè)安全、節(jié)能、智能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提供智慧化的管理、多樣化的教學(xué)模式和個(gè)性化的服務(wù)。智慧實(shí)驗(yàn)室將改變傳統(tǒng)高校實(shí)驗(yàn)室重復(fù)建設(shè)、利用率低、管理不便等現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境安全可控、實(shí)驗(yàn)管理智能管控、實(shí)驗(yàn)資源共享共建、實(shí)驗(yàn)教學(xué)多樣化、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)泛在化。智慧實(shí)驗(yàn)室是智慧校園的重要組成部分，是各類型實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的重要方向。

2? 智慧實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

2.1? 智慧實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)思路

智慧實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)，以服務(wù)師生為主旨，以“統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、共建共享、融合創(chuàng)新、規(guī)范管理”為原則，以“支撐實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)為驅(qū)動(dòng)、進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用和創(chuàng)新”為要求，以提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力為目標(biāo)，按照數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用的全生命周期的管理思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，將新一代的物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和智能設(shè)備與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行融合創(chuàng)新，建設(shè)服務(wù)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程的智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)環(huán)境智慧化、實(shí)驗(yàn)管理智能化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)多樣化，讓老師更輕松地教學(xué)，讓學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)，讓管理人員更方便地管理。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)采用模塊化架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，云平臺(tái)應(yīng)具有易用性、可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性等特征，充分利用5G、IPv6、人工智能等新技術(shù)全面支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息環(huán)境，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景化、個(gè)性化、沉浸式、互動(dòng)式的創(chuàng)新教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的業(yè)務(wù)規(guī)范化、管理智慧化、教學(xué)多樣化、服務(wù)個(gè)性化，提供實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)線上線下融合、物理虛擬融合的泛在化服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)“面向管理”到“面向服務(wù)”的管理服務(wù)模式轉(zhuǎn)變，提升師生實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)感和滿意度。

2.2? 智慧實(shí)驗(yàn)室體系框架

在教育信息化背景下，各高校應(yīng)重視智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的支撐與服務(wù)作用，融合信息技術(shù)，逐步解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中遇到的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，不斷創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，不斷改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力，以及解決實(shí)際問題的能力。

通過對(duì)智慧實(shí)驗(yàn)室內(nèi)涵分析研究，按照智慧實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路，基于云計(jì)算架構(gòu)和模塊化的設(shè)計(jì)理念，搭建高校智慧實(shí)驗(yàn)室的總體架構(gòu)模型，如圖1所示。

2.2.1? 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是智慧實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)施保障，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全面感知及信息采集，為大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐，為基于智慧實(shí)驗(yàn)室的各種應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。

實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)物理層面的支撐，主要由實(shí)驗(yàn)室的物理空間、環(huán)境傳感器、智能終端、RFID裝置和控制系統(tǒng)等構(gòu)成?；A(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，實(shí)驗(yàn)室的物理空間要求規(guī)劃科學(xué)、簡(jiǎn)明整潔、設(shè)計(jì)合理、方便使用;環(huán)境傳感器、M2M終端要求采用穩(wěn)定性強(qiáng)、易安裝維護(hù)、靈敏度高、響應(yīng)速度快且支持開放協(xié)議的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，支持主流RFID讀卡功能;水、電、空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)要求符合實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)且使用方便、安全可靠;照明系統(tǒng)要求能根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，健康、節(jié)能、環(huán)保。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施主要由網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)等設(shè)備組成，提供實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施和實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)施之間的通信功能。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)施是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助工具，正確有效地利用這些教學(xué)設(shè)施，可以實(shí)現(xiàn)多樣化教學(xué)，提升學(xué)生參與感的基礎(chǔ)。主要包括多屏顯示設(shè)備、智能控制設(shè)備、音響設(shè)備、錄播設(shè)備、儀器設(shè)備、觸控設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、可穿戴設(shè)備等。

2.2.2? 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層的主要功能是提供網(wǎng)絡(luò)的接入和數(shù)據(jù)的傳輸。通過有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、4G/5G等網(wǎng)絡(luò)連接方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中物與物、人與物、人與人之間的全面互聯(lián)、互通與互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物理空間和信息空間的無縫對(duì)接，為智慧實(shí)驗(yàn)室各類應(yīng)用或服務(wù)提供泛在、便捷的網(wǎng)絡(luò)支撐，為智慧實(shí)驗(yàn)室提供信息獲取、傳輸和實(shí)時(shí)服務(wù)能力。

通過環(huán)境傳感器和M2M終端等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，借助物聯(lián)網(wǎng)接入到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況時(shí)，可通過實(shí)驗(yàn)室綜合管理云平臺(tái)將告警信息直接推送給相關(guān)負(fù)責(zé)人，從而保證實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全。智慧實(shí)驗(yàn)室通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和紅外，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的水電、溫濕度、新風(fēng)系統(tǒng)、窗簾等智能設(shè)備。通過網(wǎng)絡(luò)層提供的不同類型的網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，用戶使用手機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)終端，可以實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備或傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可以隨時(shí)隨地訪問實(shí)驗(yàn)室的開放資源，為學(xué)校廣大師生創(chuàng)造一個(gè)安全、節(jié)能、舒適、智慧的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。

2.2.3? 支撐平臺(tái)層

支撐平臺(tái)層是體現(xiàn)智慧實(shí)驗(yàn)室及其服務(wù)能力的核心層，為智慧實(shí)驗(yàn)室的各類應(yīng)用服務(wù)提供渠道和數(shù)據(jù)支撐，包括云桌面、統(tǒng)一身份認(rèn)證、大數(shù)據(jù)分析、直播錄播、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)等服務(wù)。

基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，按照行業(yè)信息化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息資源進(jìn)行整合、挖掘、分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)、互通、開放、共享，為實(shí)驗(yàn)室的精準(zhǔn)管理、科學(xué)決策、個(gè)性化服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。通過智慧錄播系統(tǒng)，將優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程制成高清視頻上傳到實(shí)驗(yàn)室管理云平臺(tái)上，學(xué)生可以不受時(shí)間空間的限制，隨時(shí)查看、回放教師的操作過程，更好的、獨(dú)立的完成實(shí)驗(yàn)，提高動(dòng)手實(shí)踐能力。

2.2.4? 應(yīng)用平臺(tái)層

應(yīng)用平臺(tái)層是智慧實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用與服務(wù)的內(nèi)容體現(xiàn)，在支撐平臺(tái)層的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)的智慧實(shí)驗(yàn)室在環(huán)境、設(shè)備、教學(xué)資源和教學(xué)等方面的管理功能，為師生提供泛在的服務(wù)。應(yīng)用平臺(tái)層通過系統(tǒng)接口、協(xié)議集成不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用子系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)綜合的實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧實(shí)驗(yàn)室的高效管理和智慧運(yùn)營(yíng)。

2.2.5? 智慧實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)機(jī)制

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和保障體系是智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要支撐和基礎(chǔ)條件，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要包括基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化體系等，保障體系主要由實(shí)驗(yàn)室人員隊(duì)伍、實(shí)驗(yàn)室規(guī)則制度、實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)保障機(jī)制、運(yùn)營(yíng)維護(hù)服務(wù)和評(píng)價(jià)體系等組成。智慧實(shí)驗(yàn)室安全體系主要包括實(shí)驗(yàn)室物理安全、基礎(chǔ)設(shè)施安全、實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全和安全管理等，為智慧實(shí)驗(yàn)室提供安全保障。

3? 智慧實(shí)驗(yàn)室主要技術(shù)方案

3.1? RFID技術(shù)

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是一種能夠準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行信息采集與處理的通信技術(shù)，通過射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行唯一有效的識(shí)別，通過無線局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，具有實(shí)時(shí)采集更新信息、存儲(chǔ)信息量大、使用壽命長(zhǎng)、工作效率高等特點(diǎn)，被廣泛用于物流、身份識(shí)別、資產(chǎn)管理、安全控制等領(lǐng)域^[6]。

基于RFID技術(shù)的設(shè)備智能管理系統(tǒng)，可以對(duì)帶有RFID標(biāo)簽的儀器設(shè)備信息實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控、跟蹤，通過集成RFID讀寫器的AP定時(shí)上傳儀器設(shè)備的位置信息、狀態(tài)信息、電流大小等，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的智能管控，為設(shè)備的采購、評(píng)估、管理提供數(shù)據(jù)支撐。RFID系統(tǒng)與人臉識(shí)別系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種身份的識(shí)別，提升實(shí)驗(yàn)室管理、服務(wù)和教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的智能化水平。

3.2? 智能動(dòng)環(huán)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室是高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研實(shí)踐的重要場(chǎng)所，必須對(duì)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行環(huán)境、安全因素進(jìn)行全面的監(jiān)控和管理，才能保證實(shí)驗(yàn)過程的安全、穩(wěn)定，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確。融合互聯(lián)網(wǎng)+與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人員、基礎(chǔ)設(shè)施、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、水電情況等進(jìn)行有效的感知識(shí)別和自動(dòng)控制。

智能動(dòng)環(huán)系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)、智能終端、服務(wù)器等組成。智能動(dòng)環(huán)系統(tǒng)中的環(huán)境傳感器、智能終端，通過物聯(lián)網(wǎng)將采集到的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息通過互聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)椒?wù)器，管理人員使用終端通過互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)登錄服務(wù)器管理端，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行查看、控制。管理人員可以在后臺(tái)管理頁面中設(shè)置異常情況，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境或設(shè)備情況出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將預(yù)警信息以短信、電話通知、微信、郵件等多種形式發(fā)送或通知給指定人員，讓實(shí)驗(yàn)室安全得到實(shí)時(shí)的保障。

3.3? 智慧錄播系統(tǒng)

高校的實(shí)驗(yàn)課程通常都是在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)操作或演示的方式進(jìn)行，受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，存在學(xué)生看不清、看不懂的情況。智慧錄播系統(tǒng)通過應(yīng)用廣播級(jí)音視頻處理技術(shù)與電視語言AI導(dǎo)播技術(shù)，配合廣播級(jí)攝像機(jī)與4K超高清攝像機(jī)，將教師的現(xiàn)場(chǎng)操作以及與學(xué)生的互動(dòng)過程全方位、多角度、完整地記錄下來，并將錄制的視頻自動(dòng)同步到云平臺(tái)，形成優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

智慧錄播系統(tǒng)支持多角度全景記錄，教師移動(dòng)自動(dòng)跟拍，學(xué)生討論自動(dòng)巡視，可以適應(yīng)不同的教學(xué)模式。通過人臉識(shí)別、體態(tài)識(shí)別等，自動(dòng)篩選優(yōu)質(zhì)鏡頭、自動(dòng)調(diào)整畫面構(gòu)圖與人像比例。系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)直播，可與主流視頻平臺(tái)對(duì)接，支持遠(yuǎn)程同步授課，實(shí)現(xiàn)跨校區(qū)授課。學(xué)生不僅可以通過網(wǎng)絡(luò)同步觀看現(xiàn)場(chǎng)直播，遠(yuǎn)程參與互動(dòng)，還可以在課后查看、回放教師的操作視頻，獨(dú)立的完成課程實(shí)驗(yàn)。

3.4? 智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

基于云計(jì)算技術(shù)建設(shè)以視頻為手段、以分析為方法、以數(shù)據(jù)為核心，開放、互動(dòng)、智慧的實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)，服務(wù)智慧實(shí)驗(yàn)室的管理與建設(shè)。智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)部署在云端服務(wù)器，采用B/S架構(gòu)，基于SpringBoot和Vue框架，采用MySQL數(shù)據(jù)庫，Redis緩存，前后端分離等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)由基礎(chǔ)信息平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)、智分析平臺(tái)、智能互動(dòng)平臺(tái)、資源管理平臺(tái)、智慧錄播等系統(tǒng)組成，如圖2所示。

其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)的智分析平臺(tái)，是基于Hadoop等技術(shù)的大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，對(duì)師生實(shí)驗(yàn)教學(xué)互動(dòng)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的大數(shù)據(jù)開展多維度、實(shí)時(shí)全面、智能化的分析挖掘，指導(dǎo)學(xué)校不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、變革人才培養(yǎng)模式、提升管理水平、提高教學(xué)質(zhì)量。

3.5? 沉浸式學(xué)習(xí)空間

實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)空間是開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)活動(dòng)的區(qū)域，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)空間是幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中產(chǎn)生學(xué)習(xí)的意愿，通過相應(yīng)的學(xué)習(xí)行為，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

沉浸式實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)空間是利用沉浸式技術(shù)，為學(xué)生構(gòu)建一個(gè)將現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境融為一體的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，提供深度互動(dòng)和智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式多樣化、學(xué)習(xí)方式個(gè)性化提供環(huán)境支持^[7]。沉浸式實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)空間涉及的技術(shù)主要包括人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）、數(shù)字孿生（DT）、情感計(jì)算、觸覺反饋、擬像搭建、手勢(shì)識(shí)別技術(shù)、全息、360度視頻等，這些信息技術(shù)的有效融合和利用，可以為師生創(chuàng)建一個(gè)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感強(qiáng)、交互程度高的沉浸式實(shí)驗(yàn)環(huán)境;為學(xué)生提供一個(gè)身臨其境的實(shí)驗(yàn)觀察環(huán)境，以及提供智能提醒、智能推薦的多樣化服務(wù)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂互動(dòng)和情景式體驗(yàn)。

3.6? 云桌面系統(tǒng)

云桌面技術(shù)是一種利用虛擬技術(shù)，將服務(wù)器的硬件資源進(jìn)行虛擬化處理，提升資源利用率，節(jié)約建設(shè)成本。云桌面技術(shù)的出現(xiàn)為高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的快速發(fā)展帶來了更多機(jī)遇，基于云桌面技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)，降低了維護(hù)和部署成本，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)投資回報(bào)率。當(dāng)前主流的云桌面技術(shù)有RDS、VDI、IDV、VOI四種解決方案，四種方案各具優(yōu)缺點(diǎn)。其中，VDI部署方案具有桌面移動(dòng)性好、集中管理控制易操作等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前智慧實(shí)驗(yàn)室云桌面使用較多的部署方案。各高校在選擇部署方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)運(yùn)算性能、圖像處理、運(yùn)維管控等多方面的要求，選擇合適的云桌面部署方案。

隨著實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的復(fù)雜多變，單一桌面虛擬化技術(shù)無法滿足復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景業(yè)務(wù)需要，提供對(duì)多種云桌面技術(shù)兼容是云桌面發(fā)展的一個(gè)方向。如銳捷網(wǎng)絡(luò)三擎桌面云解決方案，通過超融合平臺(tái)，搭載全新終端云化（TCE）、桌面云化（DCE）、應(yīng)用云化（ACE）三大引擎，構(gòu)建桌面云平臺(tái)，提供對(duì)VDI、IDV、VOI技術(shù)能力的支撐，為不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景提供相匹配的解決方案，實(shí)現(xiàn)一致的運(yùn)維、管理和使用體驗(yàn)，降低了投入成本，系統(tǒng)界面如圖3所示。

4? 結(jié)? 論

教育信息化背景下，融合5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)，以提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為核心，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，建設(shè)智慧實(shí)驗(yàn)室是高校實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的必然方向。本文提出的智慧實(shí)驗(yàn)室體系框架，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的各要素聯(lián)系起來，為師生打造一個(gè)綠色安全、節(jié)能環(huán)保、智能舒適、共享開放、泛在智能的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，智慧實(shí)驗(yàn)室體系框架將持續(xù)得到完善，不斷創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室管理模式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，逐步發(fā)展演進(jìn)并形成實(shí)驗(yàn)環(huán)境智慧、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享開放的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：王寶祥（1975—），男，漢族，河南開封人，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、高校信息化;潘超（1985—），男，漢族，河南開封人，軟件設(shè)計(jì)師，碩士，研究方向：大數(shù)據(jù)、高校信息化。

收稿日期：2021-04-03

基金項(xiàng)目：河南開封科技傳媒學(xué)院教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（KCJG-2021C-017）