智慧型信息與通信技術實驗教學示范中心建設與實踐

　　摘 要：基于現(xiàn)代信息技術與教育教學的深度融合，構(gòu)建合作、開放、生態(tài)、共贏的智慧型實驗教學示范中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的智慧教學、智慧管理和智慧展示。提供開放實驗設備、軟硬件支持和在線指導，形成多元協(xié)同、內(nèi)容豐富、應用廣泛、服務及時的云服務實踐教學體系。建設具備工程實踐背景的虛擬仿真實驗、實訓及虛擬儀器開發(fā)項目，構(gòu)建層次分明、特色鮮明、科教融合、虛實結(jié)合的實驗教學體系。依托各級科研平臺與成果，搭建學生科學實踐、校內(nèi)實習和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)開放平臺，打造空間智能化管理的實踐育人體系，增強學生的創(chuàng)新精神和科研能力。

　　劉海; 李雷; 張曉春; 孫志華; 程德強， 實驗技術與管理 發(fā)表時間：2021-08-19

　　關鍵詞：智慧實驗室;ICT 領域;科教融合;實驗教學示范中心建設

　　教育部《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》提出建設高水平本科教育[1]，基于大力推進“一流專業(yè)”建設和構(gòu)建全方位、全過程、深融合“協(xié)同育人”新機制的重要意義和形勢要求，按照有利于培養(yǎng)學生的實踐動手能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力以及推進實驗室開放共享，全面統(tǒng)籌管理各級各類教學、科研實驗室，構(gòu)建學科專業(yè)交叉融合、科教緊密結(jié)合、資源優(yōu)化整合的智慧型開放實驗中心。

　　中國礦業(yè)大學信息與控制工程學院現(xiàn)有電子信息工程、自動化、人工智能等 3 個“新工科”專業(yè)，是 “工業(yè) 4.0”“互聯(lián)網(wǎng)+ ”“制造 2025”國家新一代人工智能戰(zhàn)略發(fā)展需求的核心與支撐學科專業(yè)。電工電子國家級實驗教學示范中心(以下簡稱“示范中心”)承擔全校電工技術、電子技術、大學生電子設計大賽、機器人大賽等實踐教學任務[2-3]。示范中心倡導在實踐教學中引導學生自主探索創(chuàng)新，培養(yǎng)學生運用所學知識分析、解決實際問題的基本能力，全面提升學生科研基本素質(zhì)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，在校企合作、虛實結(jié)合、在線實驗教學改革和綜合實驗開放方面展開試點，取得積極成效[4-5]。由于近年來實驗室建設投入不足，特別是新專業(yè)、新課程的實驗條件嚴重欠缺，不能滿足專業(yè)、學生人數(shù)增加和高水平本科教育培養(yǎng)的基本需要[6-8]。同時所面向的專業(yè)均屬于新一代信息技術關鍵領域，技術發(fā)展快，按照傳統(tǒng)方式建設實驗室，存在零星投入導致過時落后的弊端，跟不上社會經(jīng)濟和技術發(fā)展需求[9-10]。因此，為滿足“電子信息工程”國家一流專業(yè)和“人工智能”“自動化”等新工科一流學生培養(yǎng)要求，迫切需要對實驗實踐教學環(huán)節(jié)進行重新規(guī)劃、改造、提檔升級，構(gòu)建科教融合、本碩一體、校企協(xié)同、線上虛擬驗證和綜合創(chuàng)新設計實驗結(jié)合、基于云服務等新技術理念的智慧型 ICT(信息與通信技術)實驗教學示范中心，研究總體建設模式和方案，并進行示范建設[11-12]。

　　1 建設內(nèi)容示范中心立足于 ICT 全產(chǎn)業(yè)鏈，校企協(xié)作共同制訂面向人工智能的人才培養(yǎng)與實訓方案，開展課程開發(fā)、教材開發(fā)，合作培養(yǎng)工程技術人才。根據(jù)國家 ICT 人才需求，開展聯(lián)合人才培養(yǎng)，產(chǎn)教融合，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[13-15]。以國民經(jīng)濟、社會需求和企業(yè)工程人才培養(yǎng)為導向，探索構(gòu)建校企合作、產(chǎn)數(shù)融合的教學新模式。根據(jù) ICT、人工智能新技術和新產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，立足于面向未來、謀劃未來、引領未來，精準對接產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈和人才鏈，持續(xù)深化“學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的工程人才培養(yǎng)理念，關注人才培養(yǎng)成效和學習成果，匯聚校內(nèi)外要素資源、突出開放式辦學，構(gòu)建面向多專業(yè)(人工智能、自動化、電子信息工程)、多層次(本、碩、博)人才培養(yǎng)需求，學科專業(yè)交叉和跨界整合，科教融合、校企合作、產(chǎn)學協(xié)同的“新工科”一流人才培養(yǎng)創(chuàng)新實踐平臺和實驗教學示范中心[16]。打造以職業(yè)勝任力模型為目標，以提高學生創(chuàng)新精神和實踐能力為導向，面向企業(yè)真實生產(chǎn)環(huán)境的任務式、“項目化”實踐能力培養(yǎng)新模式和具有良好示范輻射效應的智慧實驗實踐教學育人基地。智慧實驗中心建設功能規(guī)劃如圖 1 所示，在整合升級現(xiàn)有實驗條件和融合學院科研平臺資源基礎上，對接產(chǎn)業(yè)匯聚校內(nèi)外產(chǎn)學資源，基于開放、共享支撐平臺，建設智慧示范中心、工程化 AI 共享創(chuàng)新平臺、虛實結(jié)合實驗教學“云服務”平臺、大學生創(chuàng)新實踐基地等 4 個平臺。

　　1.1 實驗中心及管理平臺建設

　　基于 5G、大數(shù)據(jù)、云數(shù)據(jù)和 IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術，構(gòu)建“信息化、智能化、工程化”的開放創(chuàng)新管理體系。積極推進實驗室全面開放共享，全面規(guī)劃打造智慧型示范中心。結(jié)合新一代信息技術提檔升級示范中心信息系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗項目、人員和資源的智能管理，增購開放性實驗室軟硬件設施，加強示范中心環(huán)境文化建設，提高示范中心的信息化、智能化管理水平。全面統(tǒng)籌管理各級各類教學、科研實驗室，構(gòu)建學科專業(yè)交叉融合、科教緊密結(jié)合、資源優(yōu)化整合的智慧型實驗教學示范中心。

　　1.2 AI 創(chuàng)新平臺建設

　　從校企合作平臺建設、師資培養(yǎng)、課程共建及配套實訓室建設等多個方面共建 5G 通信、柔性生產(chǎn)線、智能信息處理、大數(shù)據(jù)、融合網(wǎng)絡、機器人和智能裝備等專業(yè)特色實驗室，同時為校內(nèi)實踐提供資源共享支持。與人工智能研究院、地下空間智能控制教育部工程中心協(xié)同，搭建智能交通、智慧物流、智慧醫(yī)療、多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)等基于工程項目的共享創(chuàng)新平臺。基于 AI 平臺實現(xiàn)資源共享、輔助教學、移動學習等核心功能，構(gòu)建跨學科在線實驗教學資源共享平臺，實現(xiàn)多專業(yè)、多層次、工程項目化的學生創(chuàng)新精神和科研能力培養(yǎng)。基于校企協(xié)同和開放共享機制，提升學生工程實踐能力，形成人工智能高端人才培養(yǎng)高地。

　　1.3 云服務平臺與特色實驗室建設

　　根據(jù) 2020 年新版培養(yǎng)方案對學生知識結(jié)構(gòu)和能力培養(yǎng)的要求，構(gòu)建整體虛擬實驗室體系架構(gòu)，精準設計虛擬仿真實驗項目，替代一些實驗教學設備難以滿足或者效益較低的實驗項目。加強與華為、華潤微電子、南京潤眾、武漢易思達和南京未來網(wǎng)絡等眾多企業(yè)合作，充分利用企業(yè)的創(chuàng)新中心資源，結(jié)合全程科研訓練計劃，實現(xiàn)師生共創(chuàng)提升工程實踐能力。基于虛實結(jié)合的云服務平臺全面改革基礎實驗、專業(yè)綜合實驗、虛擬仿真實驗和科研訓練項目。基于云服務體系，將教學實驗課程、科研訓練、綜合實踐、社會服務等均融入智能化云平臺，打造國內(nèi)領先的智慧型特色實驗室。

　　1.4 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和實習實踐基地建設

　　整合優(yōu)化現(xiàn)有的“RoboMaster 機甲大師”競賽、工程機器人大賽、電子設計大賽等各種競技資源，基于專業(yè)實驗和科研平臺資源共享，并協(xié)同華為等領軍企業(yè)搭建面向全校大學生產(chǎn)教融合的創(chuàng)新實踐開放平臺，為大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練、實習實踐、“互聯(lián)網(wǎng)+大賽”“挑戰(zhàn)者杯”培育提供支撐。以培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力為主線，以全程科研訓練和綜合設計為載體，搭建一個貼近工程實踐的實訓環(huán)境，提供線上線下融合的實驗項目和跨學科、綜合性的工程實踐項目，確保技術領先、功能全面、資源豐富，滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求、符合工程教育認證標準。將“基于項目的學習方式”融入實踐教學，依托校企合作、科教融合、虛實結(jié)合的“線上線下”混合式實驗教學資源，建成有特色、科教融合的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、實習實踐示范基地，滿足不同專業(yè)、不同層次、不同維度的拓展應用。

　　2 建設規(guī)劃

　　示范中心從校企合作平臺建設、“新工科”師資培養(yǎng)、“金課”建設、創(chuàng)新能力提升等多方向打造淮海地區(qū) ICT 人才培養(yǎng)高地和開創(chuàng)性特色實驗平臺。實現(xiàn)現(xiàn)代信息技術與教育教學的深度融合，要求示范中心規(guī)劃、實驗教改方案、“云服務”體系和人才培養(yǎng)目標與 ICT 行業(yè)發(fā)展趨勢一致，形成“互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新實踐”的育人新形態(tài)，構(gòu)建全方位、全過程、深融合的協(xié)同育人新機制。通過全面加強環(huán)境文化建設，提檔升級智慧實驗室軟硬件配置，合理規(guī)劃布局功能區(qū)，提高實驗環(huán)境的友好舒適度和安全保障度。具體規(guī)劃涵蓋如下三個方面。

　　2.1 鍛煉學以致用的專業(yè)實踐能力

　　開創(chuàng)型實驗教學模式突出科教融合創(chuàng)新這一特征，推動包括礦山物聯(lián)網(wǎng)工程實驗室、地下空間智能控制教育部工程中心等省部級以上科研平臺的共享開放，為本科生參與科研創(chuàng)造條件，及時將最新科研成果轉(zhuǎn)化為實踐教學內(nèi)容。按照華為 ICT 學院創(chuàng)新人才中心標準合作模式，全面推動 ICT 相關專業(yè)的課程及實驗平臺共建，提供持續(xù)更新的教學資源，包含教學視頻、教學文檔、實驗手冊、實驗視頻、互動問答、在線測驗、項目案例等。同時，以科研為導向?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)準備—作業(yè)訓練—模型構(gòu)建—模型部署的模型系統(tǒng)構(gòu)建處理過程。人才培養(yǎng)以生產(chǎn)為目標，重新配置人工智能實驗環(huán)境，建立數(shù)據(jù)倉庫，形成用戶畫像，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。進一步拓展 AI 平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理實驗、深度學習實驗、圖像處理實驗、語音處理實驗、自然語言處理實驗、Python 開發(fā)實驗、Model-Arts 云平臺等 ICT 專業(yè)實驗的云端教學。涵蓋人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和智能裝備新興領域。按照工程化實踐能力培養(yǎng)要求，組織企業(yè)創(chuàng)新訓練營，提升學生創(chuàng)新能力。

　　2.2 提升實驗教學深度與廣度

　　結(jié)合國家“一流專業(yè)”和“一流學科”建設，利用先進的實驗教學系統(tǒng)和在線實驗公共平臺推進實驗 “金課”建設，逐步擴大綜合性、設計性、研究性實驗范圍，結(jié)合 2020 年新版培養(yǎng)方案要求，將現(xiàn)代虛擬仿真技術向?qū)I(yè)綜合實驗拓展，面向全校實現(xiàn)在線實驗教學資源共享共建，提高實驗教學示范中心運行效率。此外，健全師資隊伍校企協(xié)同機制，完善教學實驗資源共享開放機制，對 ICT 人才培養(yǎng)協(xié)同管理。通過校企雙方資源的投入，基于“華為云”平臺打造淮海地區(qū) ICT 人才培養(yǎng)高地，為淮海地區(qū)乃至全國產(chǎn)業(yè)增長提供科技人才支撐。

　　2.3 培養(yǎng)創(chuàng)新思維與工程意識

　　結(jié)合 ICT 專業(yè)特色，面向“人工智能”“新一代信息技術”“智能控制”等國家戰(zhàn)略需求，緊扣“知識融合”“技能跨界”“標準演進”人才培養(yǎng)新標準，大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+實踐教育”和虛擬仿真實驗建設，解決教學匹配度不高、在線實驗資源匱乏、師資實踐能力滯后等核心難題。在礦大-華為戰(zhàn)略合作框架下運用 AI 平臺技術解決人工智能學習前期的環(huán)境搭建問題，解決從理論學習到實踐操作的問題，適用于全開放的創(chuàng)新實踐訓練和本科生全程科研訓練，從而健全合作共贏、開放共享的實踐育人機制。建設虛實結(jié)合的 AI 實踐育人新平臺拓展前沿科學特色，基于新一代信息技術革新實驗教學和管理模式促進學生的自主學習能力，有效培養(yǎng)其創(chuàng)新思維與工程意識，充分體現(xiàn)因材施教的教學理念。

　　產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大背景下，“校企合作+產(chǎn)教融合+協(xié)同育人”新模式，逐漸成為技術人才培養(yǎng)的新趨勢。 2018 年學院獲批“自動化”新工科專業(yè)，2019 年 12 月，電子信息工程專業(yè)入選“雙萬計劃”國家級一流本科專業(yè)，2020 年獲批“人工智能”新專業(yè)，這些 ICT 專業(yè)的建設積累為校企合作框架下實現(xiàn)既定目標奠定了扎實基礎。示范中心在 2020 年春季學期承擔實驗課程 12 門，共 102 240 人時，已完成線上實驗 55 140 人時，安排后續(xù)虛擬仿真在線實驗 20 160 人時，在線實驗的開設與完成為項目積累了寶貴的建設經(jīng)驗。以新思想、新理念、新技術、新方法、新標準、新體系為引領，按照一流專業(yè)建設標準，完善 ICT 相關專業(yè)實踐實驗環(huán)節(jié)培養(yǎng)，建設緊跟新一代信息技術發(fā)展的智慧型實驗教學示范中心。

　　3 建設預期成效

　　在產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大背景下，“校企合作+產(chǎn)教融合+ 協(xié)同育人”新模式，逐漸成為技術人才培養(yǎng)的新趨勢。示范中心將加強實驗教學與理論教學、專業(yè)建設與學科建設、線上實驗與線下實驗的關聯(lián)，結(jié)合新一代信息技術構(gòu)建校企協(xié)同、科教融合的實踐育人新體系，打造特色鮮明的智慧型實驗教學示范中心。在 2020 新版培養(yǎng)方案中增加虛擬仿真實驗項目的比例，結(jié)合 AI 技術支撐電子信息工程、自動化和人工智能等 ICT 專業(yè)建設，校企協(xié)同推動高質(zhì)量師生共創(chuàng)，增強大學生創(chuàng)新實踐精神和科研訓練水平。預期建設成效如下。

　　(1)依托 2020 新版培養(yǎng)方案，整合“新工科” 專業(yè)基礎課程及配套實驗，實現(xiàn)“線上線下”有機結(jié)合，推動電工電子基礎實驗的全面開放和創(chuàng)新實踐能力的多元協(xié)同培養(yǎng)。

　　(2)增設 ICT 專業(yè)實驗支撐“厚基礎”，以“寬口徑”為原則拓寬創(chuàng)新實踐體系，加深學生的專業(yè)知識儲備。基于“一流學科”建設和就業(yè)雙重考慮，實驗實踐課程必須遵循“重能力、偏應用”的原則，緊扣理論教學知識點要求，精準設計虛實結(jié)合綜合實驗項目，校企共建礦大—華為 ICT 學院，增設 5G 通信、機器視覺等創(chuàng)新實驗室以滿足人才培養(yǎng)新需求。

　　(3)建立人工智能在線實驗公共平臺，符合模塊化、易組合、可替換、可綜合的要求，滿足人工智能、大數(shù)據(jù)、智能機器人、物聯(lián)網(wǎng)等 ICT 專業(yè)創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)需求。基于礦大—華為戰(zhàn)略合作框架引入“云端”企業(yè)培訓資源，貫通課程實驗、課程設計、專業(yè)綜合實踐、生產(chǎn)實習和畢業(yè)設計，實施全程科研訓練切實提高學生工程實踐能力。

　　(4)實驗中心各功能區(qū)重新規(guī)劃，將現(xiàn)有的各專業(yè)機房和中心機房合并管理，構(gòu)建統(tǒng)一的在線實驗管理平臺，整合設計模電、數(shù)電、電路和電工技術的部分在線實驗項目。將 RoboMaster 大學生創(chuàng)新團隊、電子設計大賽創(chuàng)新實踐基地和機器人創(chuàng)新實踐基地統(tǒng)籌建設，加強電子學會，機器人創(chuàng)新實驗室的紐帶作用，進一步拓展校內(nèi)實習基地和綜合實訓平臺建設。

　　(5)特色功能實驗室的建設與智慧示范中心的整體建設方向保持一致。將基礎開創(chuàng)平臺與 AI 創(chuàng)新平臺、虛擬仿真“云平臺”一體化建設，實現(xiàn)專業(yè)與學科、教學與科研、基礎與創(chuàng)新、理論與實踐的和諧統(tǒng)一。

　　因此，示范中心在購置實驗新設備的同時，面向一流專業(yè)建設和一流學科建設，重點打造基于虛擬仿真技術，構(gòu)建面向 2020 年新版培養(yǎng)方案核心課程群的智慧型實驗教學示范中心，校企協(xié)同加強綜合創(chuàng)新實踐在線教學與理論研究，支撐人工智能新專業(yè)與礦大 —華為 ICT 學院的同步建設。

　　4 結(jié)語

　　現(xiàn)有實驗模式難以實現(xiàn) 5G 通信、人工智能、智能裝備、大數(shù)據(jù)等新興戰(zhàn)略方向人才培養(yǎng)的有機融合，基本實驗操作訓練難以檢驗出學生的整體綜合設計能力和培養(yǎng)解決復雜工程問題的能力。學院依托物聯(lián)網(wǎng)工程實驗室(國家級平臺)、地下空間智能控制工程中心(省部級平臺)，已經(jīng)在 5G 通信、智慧物聯(lián)、人工智能和大數(shù)據(jù)領域積累了豐富的教學科研成果和人才儲備。示范中心從源頭主流技術入手，聯(lián)合行業(yè)龍頭企業(yè)共同開發(fā)基于當前主流技術的虛實結(jié)合在線實驗系統(tǒng)，共建有專業(yè)特色的功能實驗室，有利于科教融合，將最新科研成果轉(zhuǎn)化成教學資源，拓寬大學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)途徑，有效提升工程實踐教學效果。