高校智慧實驗室的模型設計與實現

高博

摘 ? 要：隨著現代信息技術的進步，傳統的教育教學方式正在發生飛速改變。高校實驗室是提升科研水平和實驗能力的重要場所，應逐步改進傳統的管理模式。文章設計出智慧實驗室模型，將有效提高實驗室管理效率與使用效能，更好地為教學與科研服務。

關鍵詞：實驗室;智慧;模型;設計

在高校中，學生和教師進行科研活動的主要場所是實驗室，因此科學、有序地開展科研教學活動離不開實驗室設計的科學性和高效管理。當前高校的教學規模、學生數量等都在高速增長，帶來了更多的實驗人員，實驗器材設備等的使用頻率和次數也在增加，這也增加了實驗室環境的復雜性和不安全性。提高實驗室科學管理水平和學生、老師使用實驗室的安全性和實驗效率是當下較為突出的高校實驗室設計和管理問題[1]。

1 ? ?高校實驗室建設存在的問題

1.1 ?實驗室管理業務系統繁多，用戶體驗差

國有資產管理處或實驗室與設備管理處是當前主要的實驗室管理機構，其主要職責有：對實驗室教學科研進行管理，為學生進行實驗提供實驗環境和所需設備、試劑等;采用儀器、設備等固定資產入賬以及對大型儀器建檔、分類等方式對實驗室資產進行管理;實驗用房分配，實驗室安全管理和使用時間等實驗室日常管理;環境改造和儀器、設備采購等實驗室管理工作。相應的專職管理系統負責每一項主營業務，這些實驗業務的不斷出現和增加同實驗室管理需求息息相關。當前大多數實驗室管理工作系統都由獨立的管理系統負責每一項業務，相互聯系較少，導致用戶在進行相關業務的處理時需要同時登陸不同系統進行分別管理，很容易造成工作的低效性和無效性。多個管理系統的運行消耗了更多的人力和物力，管理成本大大增加[2]。

1.2 ?信息化建設水平落后，形成“信息孤島”

在傳統的管理方式中，不同系統由相應的科室進行設計和管理，在構建系統時彼此沒有共同設計，所使用的構建技術不一致，各管理系統會出現互不兼容、信息共享無效的狀況，導致形成“信息孤島”，技術手段的落后或者時間的限制導致與實驗室管理的相關信息數據不夠全面/真實。因此，要想真正突破實驗室開放水平和服務質量的瓶頸，必須實現實驗管理的信息化[3]。

學校開展的實驗項目數量與種類隨實驗室開放的時間呈上升趨勢，很大程度上增加了實驗室人數、試劑藥品與儀器設備數量。除去正常的研究生實驗所需，很多大學生創新項目都需要在學生的課余時間進行，但是當前其運行機制存在一定漏洞和弊端，在網絡共享信息化管理方面，實驗室建設無法滿足其需要。由于大部分學生實驗安全素養水平不一，缺乏一定的維護實驗設備，安全領取、使用和保管實驗材料意識，沒有培養相應的安全責任感，給實驗室安全問題帶來了較大的隱患。同時，很多學生進行實驗時沒有按照規范進行，在加快實驗室設備損壞的同時也導致了人、物的安全風險提高，尤其一些需要用電、氣的實驗儀器，其安全問題尤為突出、明顯[4]。

1.3 ?缺乏科學、有效的實驗室管理制度和系統

局限在實驗老師的管理下完成學生培訓、教學實驗、實驗結果分析、學生實驗輔導等工作，很容易出現錯誤或不到位的地方。通過網絡技術完善實驗室管理系統和體制是智慧實驗室管理理念，將實驗室日常管理、設備維護、考勤管理等眾多業務集成到一個管理系統中，通過統一網絡管理平臺，即智慧實驗室管理系統可實現實驗數據信息的在線共享。在管理系統中包含管理員、教師、學生等，能夠自動化管理實驗室事務，極大地改善了當前實驗室管理工作低效的問題，提高智慧化管理水平。

2 ? ?智慧實驗室管理系統需求分析

2.1 ?系統目標

系統開發采用MySQL數據庫系統搭建數據庫，在結構上選擇了瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）結構，從技術角度來說是可行的。開發系統采用的軟件均為開源軟件，投入費用較低，成本不高。同時，所需硬件配置要求不高，硬件成本不高，系統開發完成后可模擬校園實驗管理平臺，可滿足日常管理需求，所以系統開發具有經濟可行性[5]。

2.2 ?系統需求分析

2.2.1 ?教師主體的需求分析

教師作為本系統的普通用戶，享有教師角色相應的權限，負責實驗課程和內容的管理和安排，具體管理功能包括教務管理和考評與考勤管理。其中實驗室安排、分組、課程管理等屬于教務管理，學生實驗報告、期末成績評判和管理、學生日常實驗、教師工作情況及出勤率統計信息屬于考評與考勤管理功能。

2.2.2 ?學生主體的需求分析

學生作為本系統的普通用戶，其享有學生角色相應的權限，主要有實驗項目查看、實驗報告提交和成績查詢功能。登錄系統之后查看并下載實驗項目安排、同時還可查看歷史實驗成績，屬于實驗項目查看功能。實驗完成后，將實驗報告上傳到系統，屬于實驗報告提交功能;教師對實驗報告打分之后，學生可及時查看分數，屬于查詢功能。

2.2.3 ?管理員主體的需求分析

在整個系統中最高權限為管理員權限，不僅能查系統所有用戶的信息，還可修改、增加、刪除用戶信息和賬號。主要權限包括對用戶、教師、學生、班級信息的管理，管理方式有對學生、老師等用戶信息如ID、用戶名、密碼以及學院和出生日期等的增改，同時還可以管理實驗室信息，能夠在線實時查詢到每一個實驗室的當前使用狀態以及該實驗室相應的課程時間安排和實驗內容等。

系統還包括管理實驗設備、耗材的功能模塊。設備管理有對設備基本信息、新增設備、設備故障報修和維護、借用與歸還等信息的管理，由相應的實驗室設備管理員進行相關信息的修改或增加，詳細記錄設備相關信息。耗材管理有對耗材基本庫存信息、耗材出庫與入庫等信息的管理，由相應的耗材管理員對既定周期的耗材庫存信息進行管理，根據實驗需要和安排統計和預算下一周所需的耗材，并對其進行申報，將耗材出入庫與購買信息進行更新。

3 ? ?智慧管理系統總體設計

智慧實驗室管理系統功能模塊如圖1所示。

系統的數據庫搭建需滿足系統對數據保存和處理的4個需求，包括數據庫的存儲量足夠大、數據存儲的安全性足夠高、數據保存的有效性足夠完整和數據提取的高效性。本研究中系統開發使用的數據庫類型為開源的輕型數據庫MySQL，通過該數據庫可實現系統數據庫的功能和性能需求。

3.1 ?系統管理模塊

系統管理模塊以實現系統角色選擇、用戶管理、參數查看、工作流程管理和相關編號管理等功能為主。其中，目標開發系統總共包括實驗室管理員、老師和學生這3類用戶角色。借助互聯網系統管理員可在線管理不同用戶的詳細信息，并對日志存儲空間和系統備份時間利用系統參數進行在線設置。本管理模塊中所需完成的系統工作流程有實驗室申請和單據提交流程等，每次向系統提交的單據會自動分類編號，有助于系統進行后續管理。

3.2 ?基礎管理模塊設計

基礎管理模塊以實現系統基礎信息的管理等功能為主，包括對不同用戶角色如教師和學生相關信息的增刪改等。同時，系統安排實驗室使用是建立在本學期課程信息的基礎上，可從教學信息中自動提取相應實驗教師的信息和課程情況，自動安排實驗并通知各位老師。系統會自動向教務系統服務器端發送請求，得到學生和教師的相關信息，返回的信息利用SQL語句導入至數據庫。實驗室人員流動情況的統計可通過智慧實驗室的攝像頭采集人體信息功能實現，不僅可以實現簽到功能，還可以進行預警。

3.3 ?實驗室管理模塊設計

實驗室管理模塊以實現對實驗室、實驗室設備、工位、負責人信息按學期、院系與實驗室管理數據進行管理，實現電源控制、門禁管理管理等功能為主。智慧實驗室系統可依據不同時間節點，對沒有實驗任務的實驗室進行自動斷電，提高實驗室的安全性。同時對有實驗安排的實驗室提前通電，保障實驗任務的有序進行。

3.4 ?設備管理模塊設計

設備管理模塊以實現實驗設備信息的管理功能為主。系統可利用終端掃描技術對每一項器材的唯一識別碼進行感應，當器材遠離時，就會發出警告并記錄，實現自動管理實驗設備和耗材，減少了大量人工成本;同時對于新增的設備也會采用同樣的技術自動記錄入庫。

3.5 ?考勤與考評管理模塊設計

考勤與考評管理模塊以實現對學生考勤和綜合考評的管理功能為主。系統自動對老師給學生統計的成績信息進行管理，根據平時成績、實驗報告成績、期末成績和考勤狀況綜合計算總成績。實驗室學生人數的統計可通過智慧實驗室的攝像頭采集人體信息功能實現，可以實現簽到功能，確定每一位學生的考勤狀況。同時，系統可根據學生提交的實驗報告和實驗結果對其進行評分，然后自動同步到學生成績數據庫中進行綜合評定。系統對學生成績的管理可實現自動化統計，無需相關實驗老師的人工管理，極大地提高了管理效率，降低了實驗室管理成本。

建設智慧實驗室不僅包含了硬件設備的投入，還包括相應軟件的開發，這項工程的完成需建立在長期、耐心的工作基礎上，要求學校不同部門的共同合作。因此，學校應當利用當前已有資源大力建設實驗室信息化管理平臺，通過加大對實驗室管理建設的軟硬件以及管理成本的投入，逐步實現智慧實驗室建設，完成實驗室的信息化管理，保障實驗室管理的科學性、高效性。

[參考文獻]

[1]劉棣中，陳炳森.高職院校實驗室管理模式的改革與創新[J].中國電力教育，2013（28）：178-179.

[2]王江濤.高職院校實驗室管理工作的探索與實踐[J].實驗科學與技術，2011（3）：173-175.

[3]杜娟.高職院校實驗室管理模式改革的思考[J].甘肅聯合大學學報，2010（11）：111-112.

[4]繆建華.基于物聯網技術的高職院校智慧實驗室設計[J].開封教育學院學報，2018（12）：145-145，220.

[5]王虹，王軍.基于“智慧校園”的高校實驗室安全管理平臺建設[J].實驗技術與管理，2019（2）：55-58.

Abstract：With the development of modern information technology， the traditional methods of education and teaching should be undergoing rapid changes. University laboratories are the important places to improve scientific research level and experimental ability. This paper design on intelligence laboratory model， improving the traditional management model and designing a intelligent laboratory model will effectively enhance laboratory management efficiency and usage efficiency， thus better serving teaching and research.

Key words：laboratory; intelligent; model; design