以學(xué)生為中心的智慧實驗室的構(gòu)建與思考

陳沙 劉平安 張國民* 劉慧萍 李玲

摘? 要：“智慧實驗室”概念的提出得益于“智慧地球”概念，在新一輪信息技術(shù)在高校普及的熱潮席卷之際，智慧實驗室很有可能會與“5G”網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展相伴行，借用“5G”網(wǎng)絡(luò)的東風(fēng)助力發(fā)展實驗教學(xué)，在基本操作訓(xùn)練實驗、綜合設(shè)計性及研究創(chuàng)新性實驗方面，發(fā)揮智慧化實驗室的優(yōu)勢，調(diào)動學(xué)生對于實驗課的主觀能動性。積極參與實驗設(shè)計，一定程度上減少驗證性實驗課給學(xué)生帶來的“水課”的感受，增加實驗教學(xué)的趣味性，使學(xué)生正視實驗教學(xué)的意義，立志培養(yǎng)當(dāng)今社會需要的具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。

關(guān)鍵詞：智慧實驗室? “5G”網(wǎng)絡(luò)? 實驗教學(xué)? 創(chuàng)新能力

中圖分類號：G647 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）07（c）-0192-04

Construction and Practice of a Student-Centered Intelligent Laboratory

CHEN Sha? LIU Ping'an? ZHANG Guomin*? LIU Huiping? LI Ling

（The Experiment Center of Basic Medicine Teaching， Hunan University of Chinese Medicine， Changsha， Hunan Province， 410208 China）

Abstract： Lab "wisdom" of the concept of benefit from the concept of "smarter planet" is put forward， in a new round of information technology in colleges and universities popularization swept， intelligence laboratory will likely be accompanied by "5 g" the development of the network， borrow "5 g network" the east wind power development of experiment teaching， the basic operation training experiment， comprehensive design and research on innovative experiment， giving full play to the advantages of wisdom of the laboratory， arousing subjective initiatives of students for the experiment. The active participation in experimental design， to a certain extent， reduces the students' feelings of "water class" brought by the experimental course of verification， increases the interest of experimental teaching， makes the students face up to the significance of experimental teaching， and determines to cultivate high-quality talents with innovative ability needed by today's society.

Key Words： Smart lab; "5g network"; Experimental teaching; Innovation ability

2018年6月，教育部部長陳寶生在提出要攪動高等教育的這池平靜的水。數(shù)月之后教育部高等教育司司長吳巖在第11屆中國大學(xué)教學(xué)論壇上發(fā)出了實現(xiàn)“建設(shè)教育強(qiáng)國”的中國夢的號召。對大學(xué)生要合理“增負(fù)”、把“水課”變成“金課”，這是當(dāng)前推進(jìn)教學(xué)改革，加快一流本科建設(shè)的發(fā)力點[1]。當(dāng)下，我國高等院校實驗室信息化發(fā)展速度越來越快，各個高校的實驗教學(xué)平臺都按照《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》的原則進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)。文件中指出，“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”“推動信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式”，再加上計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，云計算、微博、智慧化的校園網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及腦科學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)在高等教學(xué)中的融合，使得高校智慧實驗室的構(gòu)建成為可能，在醫(yī)學(xué)上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已用于疾病的診斷和預(yù)后判斷[2-4]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)也是“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)手段的一種延伸，在實驗教學(xué)中，虛擬實驗的加入，極大地解放了醫(yī)學(xué)研究生學(xué)習(xí)的場地限制，對于開放性、綜合性的實驗可以依賴虛擬仿真平臺，積極進(jìn)行實驗設(shè)計和發(fā)散性思維的開發(fā)。智慧教育已經(jīng)成為高校教育發(fā)展的新方向。

1? 智慧實驗室的構(gòu)建

智慧實驗室是一種集智慧虛擬實驗室、云實驗室以及智慧化的實驗管理平臺于一身的新型實驗室模式，是高校實驗室發(fā)展的必經(jīng)途徑與內(nèi)在要求。啟動智慧實驗室建設(shè)，標(biāo)志著實驗教學(xué)智慧管理時代的到來。5G的商用序幕正如火如荼地開展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能的進(jìn)步都為建設(shè)更安全、高效、節(jié)能的智慧實驗室提供了更好的技術(shù)保障[5]。筆者學(xué)校醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)實驗中心立志打造一個以學(xué)生為主體的教學(xué)實驗研究平臺，已初步構(gòu)建中醫(yī)技能虛擬仿真實驗平臺、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心和一體機(jī)醫(yī)學(xué)虛擬仿真教學(xué)實驗平臺，加快由數(shù)字化校園向智慧化校園的升級，更好地服務(wù)教學(xué)，提升高?？蒲薪虒W(xué)水平，促進(jìn)教學(xué)相長。智慧實驗室的出現(xiàn)，極大地解放了學(xué)習(xí)場地的限制，保證了線上教學(xué)的開展。時代背景下，智慧實驗室中的線上教學(xué)，保證了學(xué)生在家進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和教師進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授課，是停課期間“停課不停學(xué)”指示實現(xiàn)的重要手段[6]。

2? 智慧實驗室開展情況淺析

智慧實驗室建設(shè)根據(jù)教學(xué)型、科研型、科研教學(xué)型、教學(xué)科研型、綜合服務(wù)型等不同實驗室[7]的需求，可分為基礎(chǔ)、中端、高端3種類型。智慧實驗室倡導(dǎo)以學(xué)生為中心，學(xué)生通過排課預(yù)約、選課審批、選課成功、虛實實驗教學(xué)、電子考勤、提交實驗報告等方式進(jìn)行智慧實驗室功能的運(yùn)用，一切步驟均可在云端完成。學(xué)生上課時，只需帶上筆記本和平板，跟校園網(wǎng)連接以后即可連上校園的數(shù)字化終端，實時上網(wǎng)，進(jìn)行醫(yī)學(xué)虛擬仿真學(xué)習(xí)，從實驗室對疾病機(jī)制的基礎(chǔ)研究到深入臨床的應(yīng)用研究，從基礎(chǔ)科研成果到臨床應(yīng)用的快速轉(zhuǎn)化，以提高整體實驗教學(xué)水平。因此，在智慧實驗室的構(gòu)建過程中，必須培養(yǎng)既會運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)交流的師生，又要有綜合醫(yī)學(xué)涵養(yǎng)和實驗技術(shù)能力的帶教人員。為達(dá)到這一要求，應(yīng)從包括教學(xué)模式、智慧實驗室平臺建設(shè)、實驗教學(xué)內(nèi)容等多個方面對學(xué)生的科研能力培養(yǎng)做全面的改進(jìn)。

2.1 教學(xué)模式探索

目前的醫(yī)學(xué)教學(xué)模式主要以獨立的分科式教學(xué)為主，而在智慧教學(xué)的理念下，應(yīng)重視各學(xué)科的整合，包括理論知識積累與實驗研究，醫(yī)學(xué)與信息技術(shù)的結(jié)合等，搭建新的多學(xué)科交叉的研究教育平臺。同時，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主性及創(chuàng)新性，學(xué)生的教學(xué)興趣和研究課題不應(yīng)僅僅是導(dǎo)師指定的研究方向。鑒于醫(yī)學(xué)的創(chuàng)新性特點，應(yīng)鼓勵學(xué)生自己在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題，并利用“以學(xué)生為中心，教師為指導(dǎo)”的小組討論式實驗教學(xué)模式，改變陳舊的學(xué)習(xí)方法，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)其興趣申報國家級、省級或校級大學(xué)生創(chuàng)新性科研項目，或進(jìn)行大學(xué)生挑戰(zhàn)杯科技大賽等，為今后的科學(xué)研究工作培養(yǎng)良好習(xí)慣。

2.2 智慧實驗室平臺建設(shè)

2.2.1 中醫(yī)技能虛擬仿真實驗平臺

中醫(yī)技能虛擬仿真實驗教學(xué)中心由中央財政支持建設(shè)，包括經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)虛擬仿真、脈象特色臨床教學(xué)系統(tǒng)、中醫(yī)四診技能訓(xùn)練軟件和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真教學(xué)實驗平臺四大模塊，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺的構(gòu)建，學(xué)生可隨時隨地進(jìn)行實驗課程的學(xué)習(xí)。

2.2.2 醫(yī)學(xué)虛擬仿真教學(xué)實驗平臺

進(jìn)入虛擬實驗在線課程云資源庫，在平臺使用指南里學(xué)習(xí)“平臺管理員—平臺教師—平臺學(xué)生”的使用操作。進(jìn)行虛擬操作時，先進(jìn)行實驗室的安全學(xué)習(xí)，通過醫(yī)學(xué)實驗室使用考核以后才能進(jìn)行虛擬操作視頻的學(xué)習(xí)?？己税?個方面：醫(yī)德素養(yǎng)、規(guī)章制度、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗室和基本儀器、器械識別使用。進(jìn)入虛擬教室進(jìn)行虛擬實驗操作。

2.2.3 空間課堂線上精品教學(xué)資源

由湖南省教育科學(xué)院資助建設(shè)，包括省級精品課程、名師講堂、多媒體教學(xué)資源，形成微課、視頻、PPT、數(shù)字化教材等教學(xué)資源庫，供學(xué)生在學(xué)習(xí)終端查閱學(xué)習(xí)。

2.2.4 云平臺的實驗教學(xué)過程管理系統(tǒng)

智慧實驗室的管理均在云端進(jìn)行，具有管理權(quán)限的老師可在云的環(huán)境下登陸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，設(shè)置實驗教學(xué)任務(wù)，上傳云端PPT、視頻，學(xué)生可自行下載，云平臺對學(xué)生每一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)量進(jìn)行打分，自動生成實驗成績，提高了教學(xué)效率。

2.3 實驗教學(xué)內(nèi)容探索

實驗教學(xué)內(nèi)容上可分為驗證性實驗、探究性實驗、辯證性實驗、整合實驗以及多人協(xié)作實驗等，進(jìn)入智慧實驗室后，學(xué)生可對經(jīng)典驗證性實驗進(jìn)行實驗對象、被試因素、實驗效果的預(yù)判等進(jìn)行修改和資料的查找，獨立完成實驗;對于探究性實驗，則需學(xué)生查找大量文獻(xiàn)，對科學(xué)問題進(jìn)行分析和提煉，形成自己的假說，通過智慧實驗室的云盤分析系統(tǒng)，并結(jié)合理論知識，在教師的指導(dǎo)下，完成探究性問題的思考;對于辨證性實驗而言，則可與同學(xué)組隊，辯論不同的實驗原理和實驗結(jié)果，老師在終端進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃悸氛{(diào)整，完成實驗?zāi)繕?biāo);對于整合實驗而言，則可運(yùn)用虛擬實驗教學(xué)平臺，進(jìn)入不同的教學(xué)模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)，比如，人參皂苷對于小鼠呼吸功能的影響，則可通過對“機(jī)能學(xué)”“顯微形態(tài)學(xué)”“中藥學(xué)”以及“免疫學(xué)”等進(jìn)行整合，探索實驗效果;對于多人協(xié)作實驗而言，則可在智慧實驗室進(jìn)行組隊學(xué)習(xí)實驗技術(shù)，并對人員進(jìn)行不同的分工，完成實驗要求。通過智慧實驗室平臺的運(yùn)用，學(xué)生可增加對于實驗課的不同實驗?zāi)繕?biāo)的理解，活學(xué)活用實驗原理，對于涉及倫理道德的實驗，要有一把“達(dá)摩克利斯之劍”，不要輕易觸及倫理底線，時刻具備底線意識。

3? 以學(xué)生為中心的智慧實驗室實施的三大注重

3.1 注重智慧實驗室平臺的建設(shè)

（1）中醫(yī)技能虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)。建立中醫(yī)技能虛擬仿真實驗平臺，并對其使用加以推廣 ，是該校對于中醫(yī)實驗教學(xué)的一個創(chuàng)新。平臺里可提供相關(guān)四診、經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)虛擬仿真以及脈象特色臨床教學(xué)系統(tǒng)的視頻在線學(xué)習(xí)資料，并在虛擬視頻學(xué)習(xí)過程中回答相應(yīng)問題和考核，并對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實時反饋，培養(yǎng)中醫(yī)專業(yè)學(xué)生的臨床思維能力，鞏固專業(yè)知識，服務(wù)平臺，進(jìn)行名醫(yī)之間、專業(yè)之間、師生之間的學(xué)習(xí)和學(xué)術(shù)交流。

（2）醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗平臺建設(shè)。以往由于過分強(qiáng)調(diào)中醫(yī)和西醫(yī)的教學(xué)區(qū)別，導(dǎo)致這兩個醫(yī)學(xué)體系的教學(xué)出現(xiàn)脫節(jié)情況，現(xiàn)在任何重大項目的完成都需要多學(xué)科、多團(tuán)隊的合作。因此，我們要以中西醫(yī)結(jié)合的思想來將二者精密結(jié)合。醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗平臺則是對中醫(yī)技能虛擬仿真平臺的一個補(bǔ)充，主要實驗教學(xué)項目為西醫(yī)專業(yè)的項目。鼓勵師生在虛擬仿真實驗項目設(shè)計上成立學(xué)習(xí)小組，讓學(xué)有余力的學(xué)生參與國家級、省級、校級大學(xué)生創(chuàng)新性實驗的申報、開展、實施、論文發(fā)表、課題總結(jié)、結(jié)題、成果申報等，同時組織學(xué)生參與教師科研項目和組織科研興趣小組，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極探索，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。

（3）云平臺的實驗教學(xué)過程管理系統(tǒng)建設(shè)。建立完善的智慧實驗室使用手冊，并對進(jìn)入智慧實驗室的學(xué)生進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，考試通過的同學(xué)頒發(fā)“智慧實驗室準(zhǔn)入證”，建立多級的預(yù)約審批制度，對于實驗儀器要求不高的實驗項目，可增加實驗審批量，對于要求更高的實驗項目進(jìn)行“淘汰制”，需在初級階段實驗完成較好的情況下才能進(jìn)行實驗升級的申請，有效地防止學(xué)生獵奇心理的產(chǎn)生，并對教師和學(xué)生的實驗室使用情況進(jìn)行云端備份，作為學(xué)生學(xué)習(xí)工作量化和教師課時量化的基準(zhǔn)。

3.2 注重培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生利用智慧實驗室解決問題的能力

目前的院校教育，使醫(yī)學(xué)生解決問題能力欠佳，獨立能力相對較差，依賴?yán)蠋?。通過加強(qiáng)對臨床理論知識的培養(yǎng)，優(yōu)化實驗課程體系，充實臨床思維的培訓(xùn)，發(fā)揮中智慧實驗室在教學(xué)上的優(yōu)勢，讓其在實踐操作和科研思維強(qiáng)化中學(xué)會獨立解決問題，培養(yǎng)其解決問題的能力。

3.3 注重培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生科研思維轉(zhuǎn)化的能力

目前大規(guī)模的院校教育，要么僅注重實驗室研究，要么僅培養(yǎng)理論知識，忽視培養(yǎng)其科研思維的轉(zhuǎn)化能力，通過該研究，立志培養(yǎng)學(xué)生在智慧實驗室平臺下的科研實驗和教學(xué)實驗下的思維轉(zhuǎn)變，為醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)的深造提供實驗基礎(chǔ)。

4? 結(jié)語

高校的分型發(fā)展，使得應(yīng)用型本科院校更加關(guān)注學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，理實一體化的教學(xué)模式在計算機(jī)課程教學(xué)中得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。高校智慧實驗室的建設(shè)更是“互聯(lián)網(wǎng)+”下的一大教育創(chuàng)舉，學(xué)生們提升了對互聯(lián)網(wǎng)的了解以及教育的水平。信息技術(shù)的發(fā)展加之于醫(yī)學(xué)教育上，可迫切推動教學(xué)模式的改進(jìn)。如何運(yùn)用現(xiàn)代日新月異發(fā)展的信息技術(shù)，建立新時代的以學(xué)生為中心的金課平臺—智慧實驗室，推動中醫(yī)院校高層次人才培養(yǎng)，造就符合現(xiàn)代社會發(fā)展需求，具備豐富理論知識和實踐創(chuàng)新能力的中醫(yī)學(xué)人才，為進(jìn)一步構(gòu)筑智慧化校園提供基礎(chǔ)，需不斷加強(qiáng)智慧實驗室平臺建設(shè)、凝練實驗教學(xué)內(nèi)容，從而提高醫(yī)學(xué)生的實驗動手能力和科研思維。

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