新工科背景下开放性创新实验室的探索与实践

别玉涛， 王晓光， 朱 卓， 梁 楠， 张 宇

（吉林大学公共计算机教学与研究中心，长春130012）

0 引 言

教育兴则国家兴，教育强则国家强。高等教育发展水平是一个国家发展水平和发展潜力的重要标志［1］。从2015年中央全面深化改革领导小组对新时期高等教育提出的“双一流”建设部署，到2017年教育部启动实施的“新工科”建设，高等教育理念在一步一步深化。“新工科”建设从“复旦共识”诞生起，经历了“天大行动”“湘浙倡议”，最后形成了“北京指南”，改革的号角不曾停息，实施的路径越发明晰。

对比传统的工科教育，新工科建设要培养的是工程科技创新和产业创新人才，更注重培养具有多学科交叉融合背景、工程实践能力强的应用型和技术技能型人才［2］，这就要求实践环节要达到相应的质和量，对实验室的建设需求也提出了新的要求，以开放模式运行的实验室能够充分发挥实验室职能，配合新工科教学的内涵式发展。

1 传统实验室管理模式的局限性

创新型人才培养需要在计划学时外尽可能多地为学生提供实验场所、仪器设备、实验耗材等实验条件，以多种实践形式激发学生的学习兴趣，培养学生的创新能力，提高学生的综合素质［3］。而以往的传统实验室并不能满足这些需求，主要体现在以下几个方面：

（1）管理运行制度不适合开放性创新实验室。传统的教学、科研实验室的使用主要集中在计划内教学和课题组的科研实验，管理体制也是针对原有的计划内教学和科研制定的，对于实验室开放性和创新性的要求，无论从实验室开放时间、仪器设备、实验耗材管理，还是实验室环境、实验室安全的管理［4］，都缺少相应的规范制度，影响了实验室开放运行。

（2）硬件环境设施不满足开放性创新实验室。现有实验室的硬件环境都只是满足计划内教学要求设计，但开展创新性实验对实验室的设备环境提出了新的要求，在实验室场地、新型实验设备方面均凸显出明显不足［5］，限制了学生自主实践、开拓创新实验。

（3）实验课程体系不支持开放性创新实验课程开展。当前的实验课程是根据理论教材的基础内容为指导，按照固定的内容和形式开展实验，从深度和广度上限制了学生自主创新的实践研究。开放性创新实验的开展，由教师教学为主体的模式，变为学生主动学习探索为主体的模式，以多信息交叉学科知识作为基础，符合时代趋势，关注科技前沿，对现阶段专业领域中的成果进行分析与验证［6］。

（4）实验教师队伍的素养不适应开放性创新实验课程的指导需求。对于开放性创新实验室内新购置的大批实验器材，实验教师需要熟悉掌握各种设备的使用方法和日常维护，及时掌握各个实验设备的运行情况并做好相应的运行记录。另外，由于实验教师长期习惯于固定的教学模式和教学规划，知识体系受限于本学科专业，缺少对交叉学科知识和技能的掌握，难以以创新的理念对进行创新实验的学生进行有效指导［6］，阻碍了实验室创新改革的进程。

2 开放性创新实验室的建设目标

以校机器人梦工场实验室为建设目标，构建以学生为中心，以激发学生内在的自主学习动力，培养学生勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力为基本原则［7］。具体建设目标：①构建面向创新开放的实验室管理制度，以适应实验室改革管理进程。②构建适用于开放创新的信息化平台设施，来配合实验室开放的管理模式。③ 构建满足于开放创新的实验软环境，全面提升创新创业教育知识体系和指导理念。

3 开放性创新实验室的建设

3.1 构建面向创新开放的实验室管理制度

创新性开放实验环节是新工科教育理念下的重要实践活动，将理论知识运用于实际工业生产的大胆尝试，这种全新的教学模式尚处在探索阶段，并没有成熟的模式可以借鉴，因此建立一系列科学规范的创新性开放实验室的管理制度是实验室运行的根本保障。

区别于传统实验室的固定人员在固定时间使用，创新性开放实验室具有实验时间不确定、实验项目多样化、实验内容多变性、实验人员多层次和多专业等特点［8］，因此必须以先进的管理理念建立健全管理制度，采用信息化管理手段，以及必要的资金，从实验室的硬件环境建设到软环境提升，适合实验室的开放运行要求。学校制订相应的管理办法和实施细则，科学规范实验室开放、组织方式、效益评价、教师、学生的激励政策等。建立支持实验室开放共享的专项经费，用于实验教学和实验设备的维修、耗材的购买等，保障实验室持续运转［7］。构建功能完备的管理运行平台，采取预约审核使用、实时监控及电子签到，科学地实现资源开放共享。

3.2 构建适用于开放的信息化平台设施

物联网时代的发展为开放型创新实验室的管理提供新的思路，通过计算机信息管理、电子和网络技术对实验室所有实验设备进行信息化、智能化管理［9］，提高实验室建设与管理效率，方便学校教务和设备等管理部门准确统计课程和设备运转情况（见图1）。

图1 硬件系统架构框图

（1）门禁＋电源开关模块。该模块的搭建是基于校园一卡通所采用的RFID无线射频技术。系统基本部件组成包括读卡器、管理机、程控继电器和远程服务器。利用校园一卡通，对使用人员进行数据采集，通过校园网络进行数据交互与共享，实现校园卡身份识别和数据记录等功能，配以程控继电器完成门禁、设备电源开关等操作。信息中心汇总所有采集的数据，结合实验室管理系统、实践教学管理平台等平台数据，借助大数据的分析手段进行集中管理和简单分析，并辅之以一定的数据挖掘模型进行决策分析，完成教务处和实验室设备管理处所需要的统计分析数据。

（2）监控＋报警模块。建立完善的视频监控系统是实验室安全的有效保障。在实验室内必要位置安装高清晰摄像头，实施全天候不间断监控，配以大容量存储器存储视频内容便于后期需要时查看。智能监控系统通过门口安装的摄像头采集进入实验室的人员影像，结合人脸识别算法，准确分析进出实验室的人员情况，智能提醒实验室管理员有非法进入实验室的人员。按照安全防火要求的密集度安装烟感探测器，在必要点位安装红外探测报警器，并将警报系统与校园警务连接。这些措施能够在一定程度上对实验室的防火防盗起到保障作用。

（3）预约＋审核模块。合理统筹计划内实验和学生自主开放性创新实验的关系，最大限度地开放实验室所有资源，在管理平台中构建预约审核模块，公开实验室内的空闲时间和资源，按照可用实验设备分时段公布可用时间。学生可通过实验室管理平台的微信小程序进入预约模块［10］，根据自己的课余时间在预约平台上申请实验设备的使用时间，管理员审核通过后可进入实验室自主实践学习，不仅提高了设备的利用率，而且能够使学生合理安排自己的学习时间。

3.3 构建满足于开放创新的实验软环境

（1）建立有梯度的实践教学平台。针对多学科创新人才的培养目标，需要重新定位课程目标，改变传统授课模式，以项目为驱动全面提升课程内容［11］。以培养科学基础雄厚、工程实践能力强的高素质综合型人才，以实物驱动兴趣，以问题激发思考，针对不同层次的学生设计不同难度的实验内容［12］，使每个参与其中的学生都能找到适合自己的实践项目进行提升，教师在实践平台内容的设计上体现出层次感，实验教学时以成熟的实例展示给学生，并针对实验点提出问题，让学生进行分组讨论交流。

关注前沿科技产品的最新发展趋势，由相关学科教师和企业导师在教学平台中创建可扩充的创新设计项目库，教师在教学中产生的创新设计点，企业导师在工程实践中发现可应用到实践教学中的创新设计点，包括学生在实践中萌发的创新点都可以补充到项目库中［13］，作为以后创新实验课程的设计雏形。

目前创新实践云平台已投入使用2年，采用B／S模式开发，为创新实验课程提供了详细的实践教程及软件操作平台，学生使用效果良好。

（2）组建跨学科的教师团队。教师队伍的多元化是培养交叉学科人才的关键，不同学科的教师带给学生相关领域里的专业知识，吸引具有各个学科背景的教师组成教学团队，分别针对相关领域的应用实例展开实践教学，使学生能够从每一个领域都获得最专业的指导［14］。为了提高教师的创新创业指导能力，在深入本学科的前提下，不断拓宽相关知识领域，探索前沿科技，挖掘交叉领域中适合作为实践内容的应用项目，定期组织教学研讨活动，进入企业进行调研学习。

目前参与梦工场组建的有通信、计算机、机械、仪电、电子、食品、生物、汽车、材料、数学等10余个学院的80余位教师，其中教授人数达到64人。另外，梦工场聘请了机器人产品相关产业公司的工程师作为企业实践导师，定期进入实验课堂进行前沿技术推广和相关实践指导。

（3）联合校外的教育资源。企业在产品研发到测试投产过程中积累了大量的经验，邀请相关领域的企业专家进行培训讲座［15-16］，不仅使学生了解市场上流行的创新科技产品，而且帮助学生了解技术实际应用中遇到的问题及解决思路。积极联系创新科技生产和应用企业，在不影响其生产的前提下，组织学生参观创新科技产品的生产或应用，不断开拓学生的视野，将单一的课堂理论学习丰富为多元化的实践教学方式。

在学校和职能部门的大力支持下，梦工场已购置了多种供学生进行创新实验的仪器设备，如ROS机器人6套，机器鱼4台，无人机6台，直升机1台，语音识别机器人1台，基于人脸识别的服务机器人1台，3D打印机2台，Arduino智能小车和ARM智能小车20余套，木工墙为学生提供了木工制作需要的各类大大小小的工具。梦工场与多家企业建立了产学合作关系，并进行了10余场的前沿技术培训讲座。

4 阶段性实践成效

自机器人梦工场创立以来，不断发展建设，充分发挥了开放性创新实验室的功效，从校级创新实验到国家级机器人比赛，各类成果数量显著。据不完全统计，约有496名学生通过创新实验项目使用实验室资源，涉及学院数量达到29个。每学期，开展创新性实验项目，学生使用实验室上课达16学时／人，除计划学时外，其余时间每天对学生开放到21：00，实验室开放率达到约70学时／周。通过大创项目使用实验室人数达到118人。绝大多数的学生通过在实验室的学习参加了各级竞赛，其中校级创新竞赛获奖326人，省级竞赛获奖238人，国家级竞赛获奖84人。根据实验室创新项目完成的优秀毕业论文（设计）16篇。实验室邀请专家进行水下仿生机器人等专题科技培训10余次，参与的学生教师人数达到1 600人。

5 结 语

为适应新技术、新产业、新经济的发展，响应国家战略需求，树立创新型、综合化、全周期工程教育的新理念，建设阶梯式、多元化的实践教学体系和教学资源，培养具有较强行业背景知识和工程实践能力的创新型人才，开放性创新实验室建设取得了较好成绩但需继续推进产学研融合、校企联合，开发更多满足行业发展需要的创新实践教学资源，打造满足新时期工科人才培养要求的高水平教师团队，优化开放性实验室的管理体系，为建设工程教育强国助力。