高校實驗室的自動化、信息化、開放式管理系統研究與實踐

施燕琴, 楊晉濤, 蔣梅燕, 陳靜怡, 王 旭

(浙江工業大學 材料科學與工程學院，杭州 310014)

高校實驗室的自動化、信息化、開放式管理系統研究與實踐

施燕琴, 楊晉濤, 蔣梅燕, 陳靜怡, 王 旭

(浙江工業大學 材料科學與工程學院，杭州 310014)

在目前高校實驗室儀器設備數量不斷增加，管理人員欠缺的背景下，根據多年儀器設備及實驗室管理經驗，利用現代網絡技術，設計了一套面向師生開放的實驗室自動化、信息化、開放式管理系統，并在本校實驗室中實施。實施結果表明，該套系統不僅能夠緩解高校實驗室管理人員欠缺的問題，同時對保證儀器設備的正常操作使用，提高儀器設備的使用率，保障儀器設備的完好率具有重大的推動作用。該系統的開放式管理培養了學生的動手能力，提高了儀器操作水平和操作能力，強化了理論知識的理解，為培養高素質的優秀高校畢業生奠定了堅實的基礎。

實驗室管理系統； 自動化； 信息化； 網絡技術； 儀器設備管理

0 引 言

高校的高等教育主要目的是培養知識面廣、動手能力強、創新能力強的優秀人才，為社會發展做貢獻。不管是教學還是科研，其培養的人才都是專業性較強的人才，其主要特征在于具有較強的動手能力、創新能力和解決問題的能力。特別是工科學生，動手能力的培養在整個高等教育中占據了重要地位。學生專業基礎知識的夯實，創新能力的發揮，需要通過動手操作來體現。因此，動手能力的培養是工科學生其他能力發展的基石。而高校實驗室是培養學生動手能力的主要場所，承擔了基礎實驗、專業實驗等實驗教學外，主要為高校的科學研究服務，為培養優秀的研究型人才服務[1]。因此，高校實驗室是培養動手能力強、創新能力強的優秀研究型人才的搖籃[2]。

在高校實驗室中，儀器設備是實驗室的支柱[3,4]。不管是教學實驗室、科研實驗室，都需要儀器設備來支撐，需要通過儀器設備來制備樣品、測試樣品性能等。因此，如何管理好高校實驗室的儀器設備是實驗室價值體現的基礎[5]。要管理好高校實驗室，首先必須了解目前實驗室存在的問題，進而根據問題有針對性的進行改革。

隨著國家對高校教育和研究型人才培養的重視，對高校教學和科研的資金投入大幅增加，其中較大一部分用于購置教學和科研設備[6]。因此，高校實驗室儀器設備種類和數量急劇增加。而實驗室管理教師隊伍受到編制等的影響，不能隨設備的增加而增加，故管理隊伍不能跟上儀器設備的急劇增長，成為了實驗室儀器設備管理的一個瓶頸所在。

1 自動化、信息化、開放式管理的必要性

目前，實驗室管理主要通過人員管理，實驗室管理教師實行坐班制。上班期間，學生可以前往實驗室進行實驗，教師主要工作為維持實驗秩序、登記記錄、維護設備、解決實驗過程中出現的問題、培訓學生如何使用、對外服務等，其工作較為繁瑣和復雜。由于實驗室設備眾多，導致了實驗室管理人員欠缺。

很多學者對實驗室儀器設備的管理進行了研究和改革，提出了很多改革方案。其中較多的研究提及了利用現代網絡技術進一步提高實驗室管理水平[7-9]，例如實驗室信息化管理[3,10]，實驗室管理系統的設計[11]，智能實驗室管理系統[12]，開放式實驗室管理系統[13,14]等。

在綜合上述研究基礎上，根據多年實驗室管理經驗，利用現代網絡技術構建了一套實驗室管理系統，并在材料學院實驗中心實施，效果顯著。此套管理系統包含了自動化、信息化、開放式3個模塊。自動化是指系統自動安排實驗順序、自動給予門禁權限、自動記錄測試時間、自動計算測試費用等。信息化是指實驗室儀器設備信息化、培訓、預約、測試記錄、測試費用信息化等。開放式是指經嚴格培訓授權后，學生自行上機操作，且不受實驗室教師上班時間的限制，可全天候使用儀器設備。

通過上述實驗室自動化、信息化、開放式管理系統的使用，可減少教師安排實驗、計算測試費用、回答儀器設備咨詢等瑣碎工作，轉而將精力全部用于儀器培訓、儀器維護、儀器功能開發、對外服務等需要腦力勞動的環節，充分發揮實驗教師的專業才能。同時，開放式的管理，學生可自行操作設備，自主預約實驗時間，不僅鍛煉了學生的動手能力和創新能力，而且掌握了一門技能，使其對科學研究有了更加詳細、深入的認識。且開放式管理的無時間限制有利于發揮儀器的最大潛能，提高儀器設備的利用率。

2 構建自動化、信息化、開放式實驗室管理系統

針對實驗室教師人員欠缺，儀器設備數量增長的現狀，以提高實驗設備在人才培養、科學研究領域作用的發揮為前提，以服務廣大師生為宗旨，開發了一套自動化、信息化、開放式儀器設備管理系統，包括注冊系統、培訓系統、預約使用系統、收費系統、數據傳輸系統、輔助系統等。

2.1注冊系統

所有儀器設備使用人員必須注冊，提交姓名、學號、聯系電話、郵箱、導師等信息，為后續儀器設備培訓、預約和收費建立基礎數據。

學生提交注冊信息后，需要經過實驗室公共基礎知識考試，相當于實驗室的準入考試，主要涉及實驗室的一些基礎常識。考試試題為題庫中隨機抽取，考試成績需要達到一定分數方可通過。考試次數不限，但每次考試試題不一致。通過實驗室準入考試，強化了學生的安全常識，降低實驗室安全事故發生概率。

學生考試合格后，經導師審核和系統管理員審核通過后，即可完成注冊。

2.2培訓系統

由于儀器設備的高、精、尖特性，使很多儀器設備的操作步驟較多，且操作水平要求較高，不可隨意操作，亦不可更改操作步驟。因此，對儀器設備操作人員的嚴格培訓是十分必要的[15-16]。通過儀器設備的培訓，使操作人員熟悉儀器設備工作原理，操作方法及其注意事項，防止人為操作失誤造成儀器設備的損壞，減少錯誤測試結果的產生，甚至人身傷害事故的發生，有利于提高儀器設備的測試準確度，提高儀器設備使用壽命，以及減少儀器設備和人員傷害事故的發生。

培訓系統流程見圖1。

圖1 培訓系統流程圖

培訓項目信息由儀器管理教師在系統中發布，學生登錄系統后即可看到目前可參加的培訓項目及其培訓時間和地點，實現了系統的信息化功能。學生選擇培訓項目后，通過觀看視頻了解儀器設備構造、工作原理和操作步驟等基礎知識，并通過儀器設備專項知識考試進一步強化對儀器設備知識了解。該專項考試要求學生全部答對所有儀器設備知識，但不限答題次數，目的在于強化學生對儀器設備知識的了解，為后續培訓奠定基礎。學生報名成功后，生成培訓報名信息，學生賬戶、儀器管理員均可看到培訓報名信息。

學生根據預定的培訓時間和培訓地點進行實地培訓。通過儀器管理員結合儀器設備現場講解儀器構造、儀器工作原理，操作方法等，進一步強化對儀器設備的認知和了解。儀器管理員通過操作演示、操作講解、注意事項強調后，學生在管理員監督下進行現場操作并回答相關問題，管理員對學生操作和學生回答進行評估，給予通過或不通過的培訓結論。若學生通過培訓，管理員在系統中點擊通過，該學生就自動獲得預約該儀器設備的權限。

2.3預約使用系統

學生獲得預約權限后，即可進入儀器設備預約系統，儀器設備預約流程見圖2。

圖2 儀器設備預約流程圖

預約系統具有自動檢索已有預約時間功能，具有重復時間段的預約均不能提交，且可查看該設備的已有預約時間段，進而調整自己的預約時間。導師審核為確認該學生進行某項測試或試驗，保證了教師可以掌握學生對實驗進程的安排，并對其實驗進行指導。管理員根據樣品信息和測試條件進行審核，判斷該樣品是否可在該設備上進行測試，或測試條件是否合適，有無超出儀器測試條件限制等。

完成預約后，預約人可在預約時間段內前往儀器所在測試房間進行測試。所有房間均采用門禁系統進行控制，即預約人可在預約時間段內用自己的校園卡打開所在儀器房間的門禁，進入實驗室進行測試操作。在預約時間段內可多次開啟門禁，但未在預約時間段內，預約人校園卡即無法開啟實驗室門禁。

當預約人進入實驗室后，儀器設備均安裝有電源控制系統，預約人登錄系統后，點擊開始按鈕，電源控制器即給測試設備或相應的控制電腦供電，系統自動記錄實際測試開始時間。預約人完成測試后，需要點擊完成按鈕，確認結束時間，并填寫實際測試樣品數。

通過預約使用系統，只有通過培訓的人員方可預約使用培訓過的設備，保證了儀器設備的正確操作，防止儀器設備的人為操作損傷和人員傷害事故。同時對每臺儀器設備的使用時間進行了有序自動化管理，使用人登錄系統即可掌握某設備的已預約時間，實現了已預約時間的信息化，進而根據自己的時間表預約設備進行實驗。該預約使用系統的門禁設備，開放了儀器設備的使用時間，一周7 d 24 h均可預約使用，大大增加了設備的服務機時，提高了設備的使用率，使設備盡可能的發揮最大的作用。儀器設備電源控制系統則進一步提高了儀器設備使用機時的精確度，對儀器設備使用機時和費用的統計更加精準。且機時和費用統計實現了自動化，無需人工統計，即可上報各儀器設備使用機時和收費情況，大大減少人工投入，節約大量人力資源。

2.4數據傳輸系統

在實驗室內部建立局域網，局域網擁有自己的服務器，所有數據通過服務器傳達到各門禁控制器、電源控制器、監控系統。門禁控制器數據、電源控制器數據和監控系統數據也上傳至服務器保存，避免了與外界網絡交互產生數據的丟失或錯誤代碼問題。

同時，為了避免系統設備受到外界病毒的感染，導致軟件或硬件無法運行，在內部服務器上建立FTP系統。每臺設備測試數據直接上傳到FTP上，然后內部服務器將這些數據同步到外部服務器，測試人員直接到外部服務器中的FTP下載測試數據。

2.5收費系統

系統根據實際使用時間或實際測試樣品數和系統中設定的儀器設備單價，計算某個預約使用所產生的費用，該費用經管理員確認后，即可在系統中顯示。測試費用信息在預約人、導師和管理員賬號中均可見，實現了收費制度的透明化和信息化，防止了因儀器設備收費而產生糾紛。在方便儀器管理員機時和費用統計的同時，也方便了教師對測試費用的查詢。

收費系統實現了各儀器設備收費的自動化，且自動計算費用綜合，減少了實驗室管理員的人工投入，極大的緩解了實驗室人員緊張問題。

2.6其他輔助系統

其他輔助系統主要包括了人員管理系統、儀器管理系統、門禁管理系統、視頻管理系統等。

人員管理系統對注冊人員信息進行匯總，可隨時查看注冊教師和學生信息，并對具有重大操作失誤的預約人進行黑名單管理。

儀器管理系統是對現有儀器設備信息的匯總，包括了型號、生產廠家、配件、儀器參數等信息。儀器設備信息可查詢，實現了信息自動化，并對儀器設備是否處于正常狀態進行設置，如正常即可預約，如不正常即不可預約。門禁管理系統對每個門禁的有效校園卡進行實時更新，保證了新預約可在預約時間段內開啟相應實驗室門禁。

視頻管理系統是指在每個實驗室房間安裝攝像頭，對學生的實驗操作過程進行錄像，在儀器設備出現問題時，可通過錄像查找原因，判斷是否因某些操作引起，進而有針對性地、快速地解決問題，防止儀器進一步損傷。

3 自動化、信息化、開放式管理成效

通過實驗室自動化、信息化、開放式管理系統的實施，實現了儀器信息、預約信息、培訓信息在系統中的可查詢。最重要的是通過上述系統，實現了儀器預約使用的自動化、信息化，減少了人工管理，擴大了儀器開放時間，提高儀器設備的利用率，更好地發揮儀器設備在教學、科研中的促進作用。上述系統減少了人工在儀器使用過程、實驗室開門關門、費用統計、機時統計等方面的人工投入。在人員緊缺的環境下，將人力資源應用于儀器現場培訓、對外服務、功能開發等需要智力的環節，實現了儀器設備的有序、良好管理，減少了儀器設備的故障幾率，更好的維護了設備的正常使用，延長儀器設備使用壽命，最大程度的發揮儀器價值。同時，實驗室的開放式管理，學生自行操作儀器設備，進一步培養了學生的動手能力和科學研究能力，強化了學生理論知識與實踐的結合，為培養高素質人才奠定了堅實的基礎。

4 結 語

結合本校實際情況，介紹了自動化、信息化、開放式管理系統的框架和流程，具有良好的可操作性，并在本校實施使用，使用效果良好，極大地解決了目前實驗室人員緊缺的問題。且通過自動化、信息化、開放式實驗室管理，方便了學生信息的查詢、儀器設備的預約、費用的查詢等操作。自主預約儀器設備使用時間，自行操作儀器設備，提高了學生實驗安排的自主性，進一步培養了學生的動手實踐能力，在保障儀器設備正確、有序使用前提下，發揮儀器的最大使用效率，減少實驗室人員的人工投入。同時，為培養高素質的科學研究人員奠定了良好的基礎。綜上所述，實驗室自動化、信息化、開放式管理系統能夠解決實驗室人員短缺問題，并在人才培養、儀器管理、科學研究等方面發揮重大推動作用。

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·名人名言·

知識是珍寶，但實踐是得到它的鑰匙。

——托馬斯·富勒

ResearchandImplementationofAutomatic,InformationalandOpenManagementSystemforUniversityLaboratories

SHIYanqin,YANGJintao,JIANGMeiyan,CHENJingyi,WANGXu

(College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Under the background that the number of large-scale equipment increases but laboratory personnel do not increase, an auto matic, information a land open management system was designed according to the authors’ experience and modern network technology, and carried out inlaboratories of College of Materials Science and Engineering. In this paper, the content, function and the operational result are introduced indetail. The application results showed that the automatic, informational and openmanagement system could solve the problem of laboratory worker shortage. It alsohad the ability to ensure the proper operation, enhance the utilization rate and coefficient of availability of the instruments. The operation alability, the level and ability for operating instruments and the under standing of the theory know ledge of the students were also enhanced by using the laboratory management system, hence, it is benefit tocultivate out standing students.

laboratory management system; automation; informatization; network technology; equipment management

G 642.0

A

1006-7167(2017)09-0236-04

2016-12-22

施燕琴(1983-),女，浙江嘉興人，碩士，實驗師，研究方向: 實驗室管理，高分子材料改性、加工研究。Tel.: 0571-88320392； E-mail: shiyanqin@zjut.edu.cn

王 旭(1966-)，男，浙江東陽，博士，教授，執行院長，研究方向: 聚合物材料合成、加工、改性研究。Tel.: 0571-88320855；E-mail: wangxu@zjut.edu.cn