農業院校公共基礎教學中心實驗室智能化管理的設計與實踐

賴 婷, 盧少然

(華南農業大學 公共基礎課實驗教學中心, 廣東 廣州 510642)

高校實驗室不僅是實驗教學、科學研究的重要場所,也是培養當代大學生創新創業的重要實踐基地[1-3]。新形勢下高校實驗室的規模不斷擴大,實驗室管理越來越精細化、規范化,教學和科研的工作量大幅增加,加之教育部本科教學工作審核評估的需要,主要以人工為主的傳統實驗室管理模式已不能適應當前的要求,積極引進新的管理理念、管理技術十分必要[4-7]。隨著高校信息化和網絡化的普及,利用互聯網技術對實驗教學設備、設施進行升級與改造,引進新型的實驗室管理理念,是提升實驗教學水平的有效途徑,也是提升實驗室管理水平的創新之舉[8-11]。

黨的十九大明確提出“加快一流大學和一流學科的建設,實現高等教育內涵式發展”的新要求。目前各高校應把主要工作放在人才培養上,把更多的經費投到教育教學改革、改善辦學條件、提高學生實踐創新能力的培養上。這一新要求也為現代高校實驗室的發展指明了方向。2016年,華南農業大學公共基礎課實驗教學中心利用高水平建設的契機,結合學校實驗教學中心建設的實際情況,建成了功能齊全、智能高效的實驗預約與智能化管理系統,改變了以往傳統管理模式下的實驗管理工作繁瑣、失誤較多、效率不高等現象。

1 傳統實驗室管理的問題與挑戰

1.1 無法滿足學生實踐能力培養的需求

我校的公共基礎化學實驗項目是面向全校理科類、農科類、工科類及其他類本科生共4 000余人開設的,學生群體數量大、專業多,且專業基礎差異大,實驗室每年要完成約20萬人時的教學任務。在新的教學改革背景下,學校更加重視實驗課程體系建設,實驗項目不僅在數量上明顯增加,而且在內容上創新性實驗研究項目也顯著增加,與之對應的實驗室數量、設備儀器的需求量、實驗員的工作量也隨之增加。如果使用以人工為主的傳統實驗室管理方式,實驗室管理員忙于管理實驗室、準備實驗、指導課程實驗,無暇顧及實驗室開放使用和教學改革,無法滿足學生課外實驗的需要。因此,之前實驗教學中心傳統的以人工為主的管理方式已遠不能滿足當前社會對高素質人才的創新和實踐能力培養的要求。

1.2 限制實驗室的開放共享

從2008年起，公共基礎課實驗教學中心的化學實驗室開放給學生開展創新性實驗研究。實驗教學中心建立了開放實驗預約管理系統,學生可以在網上預約,得到實驗教師允許后方可進入開放實驗室做實驗,為了保證學生的實驗指導和安全,安排指導教師陪同完成[12]。但是化學實驗室開放以來并未達到預期的教學效果,主要由于以下幾個問題：

(1) 開放時間受到限制。由于實驗室沒有專職教師服務于開放實驗室,無法確保對學生進行操作指導及監督,所以在非教學期間不會開放,導致開放實驗室的儀器設備資源浪費,實驗室利用率低。

(2) 缺乏對學生的行為監督。開放實驗室的儀器設備通常比較昂貴,且容易損壞。在開放的管理過程中,儀器的損壞是否歸因于學生的操作失誤、不當,很難判斷。

(3) 實驗室安全得不到保證。通常預約開放實驗室做科學研究的學生,大部分是開展自定實驗項目或大學生創新創業項目,這些開放性實驗項目的操作耗時、復雜,且不確定性和危險性很高。實驗室不能實時有效監督進出人員和監控實驗現場,大大降低了開放實驗室的安全性。實驗室一旦發生危險事故,后果十分嚴重。

1.3 無法適應當前實驗教學改革需要的管理水平

我校實驗中心實驗室的儀器設備、學生及教師人數比較多,而實驗管理人員相對較少,傳統實驗室的儀器設備放置的具體地點分布零散,對儀器設備的日常維護和損耗維修依然停留在紙質記錄和人工管理的方式上。在實驗教學期間,為確保實驗室的安全運行,傳統實驗室只能依靠人工來巡查,非常耗時,在管理多間(設為n間)實驗室的情況下,總會出現n-1間實驗室沒有實驗室管理員在場。在課程安排上,許多高校也引入了信息化系統,但大都沒有把實驗、實踐教學納入教務系統管理。實驗項目沒有用信息系統來管理,每年依靠手工統計,不但費時費力還存在較大誤差,實驗室管理的信息化程度低。

1.4 無法適應高校科技創新的要求

隨著國家對高校科研創新以及大學生創新創業項目的重視與鼓勵,高校的科研項目和大學生創新創業項目的投入越來越多,對實驗室的使用需求也越來越大。現在國內高校實驗室的各類大型儀器設備已有所增加和更新,為學生開展科學研究提供了良好的硬件設備。但是傳統實驗室由于管理手段和人力的限制,不允許學生全天候在實驗室內進行科研工作,導致學生在科研道路上受到很大的限制。因此為適應創新驅動的國家發展戰略,需要建立資源共享和信息化、智能化的開放實驗室管理方式。

2 教學中心實驗室智能管理系統的構建

2.1 傳統實驗室的硬件改造

當前,國內高校的教學實驗室,大多仍處于實驗室孤立、設備孤立、數據孤立的人工管理狀態,實現實驗室管理的智能化,首先需要使各種設備“聽命令”。搭建智能化管控的硬件平臺,傳統實驗室需要改造的項目見表1。

表1 傳統實驗室智能化改造的項目及內容

2.2 實驗室智能化管理系統的設計

管理系統設計是實現智能化管理的關鍵。2016年,公共基礎課實驗教學中心利用高水平建設的契機,在完成了傳統實驗室的硬件智能化改造之后,根據公共基礎實驗教學的管理流程,定制開發了一套“實驗室智能化管理系統”軟件,建成了實驗預約與智能化管理系統,實現了實驗教學實驗室管理的各項功能,智能化管理系統的模塊及功能見圖1。

圖1 實驗室智能化管理系統的模塊及功能圖

2.3 實驗室智能化管理的架構

公共基礎課實驗教學中心從高校教學實驗室的管理特點出發,經過硬件改造和軟件設計,構建了實驗室智能化管理系統,系統構成見圖2。并采用先進的管理設計理念——物聯網+現代教育技術,完成門禁、監控、電源、設備等孤立前端的通信和管理,實現實驗室的遠程智能化管理,系統拓撲圖見圖3,在本科公共教學實驗室實施實驗教學的信息化和智能化,實現了管控結合。

圖2 智能化系統的構成框圖

圖3 智能化系統的拓撲圖

該系統通過建立實驗課程查詢、實驗項目開課安排等相關數據庫,實現了實驗教學全方位管理;子系統功能包括實驗室開放預約管理、門禁考勤管理、智能電源管理、遠程安全巡查與監控、數據統計上報等。系統用戶角色包括學生、教師、教務員、實驗室管理員、單位領導、系統管理員等。系統管理員可以對系統用戶賬號和實驗學生班級進行分組管理,提供導入/導出、增、刪、查、改功能,并對參加實驗教學的角色和相應權限進行維護,根據角色的職能,賦予相應管理權限功能,同時還可以查看在線用戶人數,查看用戶訪問、登錄記錄,實現遠程聽課、評課。系統依托校園網絡,以物聯網技術、網絡信息技術實現實驗室的智能化控制及管理。智能管理系統包括以下幾個子系統：

(1) 實驗教學管理系統：實驗課程庫、實驗項目庫、開課管理、課表查詢、實驗室使用狀態查詢等。

(2) 實驗室預約系統：實驗室預約、實驗預約及預約核準。

(3) 門禁系統：課表時控、授權控制、刷卡開門、刷卡考勤及簽到簽離。

(4) 監控系統：移動終端或電腦在線查看實驗室實時音、視頻及歷史錄像,實時監控實驗室的門、電、空調開關情況。

(5) 智能電源和空調控制系統：實現遠程控制、定時供電斷電,定時開關空調。

(6) 網絡連接系統：數據統計上報，教供三表、教務系統報表和實驗室利用率統計。

3 智能化管理系統在化學實驗室的初步應用

3.1 提升實驗室的管理水平

在互聯網+智能化實驗室模式下,與傳統實驗室比較存在很大的變化：(1)實現了進出人員身份識別、進出記錄數據采集、統計和信息查詢;(2)實現各實驗室照明、設備供電、空調用電的自動化控制,按照上課時間設置開關,實現用電的精準管理,節約能源;(3)通過手機和電腦等移動終端遠程巡查實驗室的監控視頻、電源及空調開關、門禁的安全情況,方便管理人員瀏覽實驗室設備運行狀況及學生的實驗過程等,提高了實驗室的安全性;(4)可實時查看當前實驗室的視頻畫面,可以通過互聯網實現遠程聽、評課。智能化控制的實驗室減少了實驗室管理人員的工作量,提高了工作效率,優化實驗管理流程,從而提升實驗室和實驗教學的管理水平。

3.2 提高實驗室的開放管理水平

智能化實驗室基于物聯網技術,有效管控實驗室的教學資源,進一步優化和完善之前的實驗室預約程序,為教師和學生建立了一個開放的、智能的綜合實驗室信息管理服務平臺。具體操作如下：(1)網上預約,通過教務系統的課表對接,教師和學生通過互聯網了解實驗室的使用情況,開通空閑實驗室給學生開放使用。學生把自己想要做的開放實驗項目、實驗原理、實驗所采用的方法,實驗所需的儀器、藥品及聯系方式等資料提交網上預約系統;(2)身份審核,教師在平臺上查閱學生的身份信息和預約的實驗項目,網上完成預約審核;(3)通過一卡通系統的數據對接學生身份認證,實現校園卡預約開門。實驗室的監控視頻軟件,能有效地對實驗室進行全方位、無死角的視頻監控,學生和指導教師的任何操作行為都在監控下進行,以便出現問題能夠及時、準確地溯源;(4)當教師不在實驗室時,可以利用計算機登錄實驗室信息管理服務平臺對實驗室遠程觀摩,學生可以通過視頻軟件向教師尋求幫助,教師實時為學生答疑解惑。智能的安防系統為學生開放實驗環境提供了強有力的安全保障,同時也保障了實驗室儀器設備的安全運行。在新的硬件管理環境下,充分發揮智能化的性能,能更好地實現實驗室的開放使用。

3.3 創新實驗教學模式

在創新實驗教學模式上,智能實驗室的信息管理平臺能夠采集每個實驗教師的教學視頻,這些資源為學生自主學習提供了支持,也為實驗教學水平的評估和提升提供了條件。目前,教師可以通過智能實驗室的信息管理系統,在移動終端或電腦在線查看實驗室實時音、視頻及歷史錄像,查看學生的實驗課堂表現和自己的教學效果。這樣能及時地對教學實驗效果作出科學合理的評價,為實驗教學提出有建設性的改革意見。之后,智能實驗室信息管理平臺上的教學視頻資源會逐步向學生開放共享,學生可利用該平臺對實驗項目相關視頻、實驗操作步驟、教師課堂講解等內容進行瀏覽,這樣有助于培養學生的自主學習意識和自主探索能力。

3.4 提高學生的科技創新能力

從使用情況來看,智能管理實驗室的建成實現了真正意義上的實驗室“全”開放,學生的實驗時間得到了充分的保證,實驗儀器設備實現了最大程度的共享。學生在得到實驗管理人員的批準后,可以利用晚上或者周末的時間,進行相關的實驗研究。自“互聯網+智能化”實驗室開放以來,學生在實驗室里完成了多項畢業科研項目,以及一些創新創業項目,讓我校教學實驗中心的實驗室切實為培養創新人才提供場地、時間和資源。

4 結語

我校實驗教學中心利用物聯網打造了新型的“互聯網+智能化”實驗室。從新型實驗室建設運行一年多的情況來看,無論是在實驗室的管理水平上,還是在實驗教學效果評價上,其提升效果已初見成效。由此可見,“互聯網+智能化”實驗室不僅符合創新型人才實驗實踐能力培養的需要,也符合學校自身建設發展的需要,可以大大減少實驗室管理人員的工作量,促進開放共享。