信息化時代下構建智慧型大學物理實驗室的探討

呂亞南

摘要：大學實驗室是從事實驗教學、科學研究、技術開發和學術交流的重要場所，是培養人才創新思維和創新能力的重要基地。實驗室的建設與管理水平不僅是高校辦學實力的標志，也是教學水平、科研水平和管理水平的重要體現。因此，實驗教學和實驗室的建設如何進一步加大改革力度、提高實驗教學質量，是實驗室建設與管理工作者面臨的重要課題。隨著連年的本科擴招以及信息技術的發展，傳統的實驗教學和管理受到了極大的挑戰，如何高效智能地管理實驗室是廣大實驗教學管理人員亟待解決的一道難題。本文就如何構建智慧型大學物理實驗室進行探討。

關鍵詞：大學;物理實驗室;智慧實驗室;構建

中圖分類號： O4-4;G647? 文獻標識碼：A? 文章編號：1672-9129（2020）01-0022-01

Abstract： the university laboratory is engaged in experimental teaching， scientific research， technology development and academic exchange of important places， is to cultivate talents innovative thinking and innovation ability of the important base. The construction and management level of the laboratory is not only a sign of the strength of the university， but also an important embodiment of the teaching level， scientific research level and management level. Therefore， how to further strengthen the reform and improve the quality of experimental teaching in laboratory teaching and laboratory construction is an important topic for laboratory construction and management. With the years of undergraduate enrollment expansion and the development of information technology， traditional experimental teaching and management have been greatly challenged. How to manage the laboratory efficiently and intelligently is an urgent problem to be solved. This paper discusses how to build an intelligent university physics laboratory.

Key words： university; Physical laboratory; Intelligence lab; build

實驗教學是高等學校理工科人才培養方案中的重要組成部分，2018年1月，教育部頒布的《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》更是凸顯了實驗教學的重要性，尤其明確了物理實驗課程是所有理工科學生的必修課程。物理實驗作為學生科學實驗訓練的入門基礎實驗，它具有受眾面廣、知識面廣、開課時間長等特點，有利于學生養成良好的科學實驗習慣，培養學生的創新意識，顯著提高學生的動手能力。建設智慧型物理實驗室有利于進一步提升物理實驗室管理水平和實驗教學效果。

1? 智慧型物理實驗室的系統構架

1.1智慧型實驗室感知層硬件的設計實現。物理實驗使用的儀器多無法實時采集實驗數據，為此通過實驗者實時報送數據的方式實現實時數據采集。根據絕大多數物理儀器都需要使用電源這一特性，通過設計電源黑盒來控制儀器的使用。電源黑盒內裝有電源控制模塊，實時記錄當前儀器總電流情況，并加裝溫濕度傳感器感知黑盒周邊溫濕度情況，這些數據一旦開啟，管理層即可通過平臺顯示出某黑盒已經啟動。管理層在該實驗室通電情況下可以遠程控制該黑盒的開啟與關閉，通過攝像頭實時查看學生實驗情況。學生做實驗前通過微信掃碼開啟電源，做完實驗掃碼關閉電源，完成常規的實驗簽到簽退功能。黑盒可以識別使用者及使用時長，并自動記錄，可對某實驗室多少套儀器在運行做實時匯總。當個別儀器突發大電流時，第一時間預警、記錄，并在第一時間通知實驗員處理。

1.2智慧型實驗室信息層、管理層設計實現。信息層充分利用現代化信息技術手段，具有智能處理各類數據的功能，可以大幅度提高實驗室的管理水平。管理層借助物聯網實現對物的管理，并通過打通現有實驗室網站、資產處網站、資產管理系統、實驗教學系統，實現對信息資源的整合管理。管理層通過各種輸出方式實現與手機、電腦、多媒體、電視端等連接，從而使管理人員便捷掌握實驗室內的各種信息，管控實驗室內的各類設備。

2? 子系統的設計實現

2.1微信一鍵注冊登錄。每臺設備終端通過電源黑盒互聯，將電源黑盒ID信息生成二維碼，學生用手機端掃碼即可進入控制界面，學生賬號與微信綁定，利用微信一鍵登錄注冊使用儀器。掃碼登錄后學生可以選擇設置儀器通電時間、實驗數據上傳、儀器報修、關閉儀器等功能。

2.2儀器使用系統。學生一旦掃碼后數據中心即可收到信息并記錄相關數據，同時將數據傳輸至管理層，管理層工作人員可以實時查看儀器誰在用，用了多久，有無異常等。學生上報的實驗數據通過數據中心智能分析后，如遇數據出入較大，系統通過微信平臺直接反饋給學生，從而提升學生實驗效率。該系統替代了傳統的手工簽到、簽退、點名等工作，可以自動生成數據報表。何時何人在用這臺儀器一目了然，實現對儀器使用追溯。

2.3考試系統。該系統包含系列考試，實驗室安全考試，預習測試，實驗單項測試，綜合測試等，根據考試需要設定考試形式，可以是開放式隨時考，也可以是統一考試。實驗單項測試可以在實驗室里邊做實驗邊完成考試，檢驗學生動手能力。該系統根據教師設定的規則自動評判學生平時成績，更加科學公平。

2.4實驗數據存儲及評分系統。數據存儲分析涉及大數據和人工智能，系統通過收集學習實驗數據，綜合研判當前溫濕度環境下實驗合理數值，智能識別編造數據、抄襲數據，讓學生養成自己動手測量的好習慣。

2.5實驗室監測系統。采用高清攝像頭搭配各類傳感器完成硬件鋪設，監測系統 360 度云臺遠程操控。智慧實驗室的攝像頭不是單純的錄像功能，通過 AI 人臉識別算法可以實時識別實驗室內人數。在出現火災等險情時能夠與管理層智能聯動，在非實驗時段自動進入偵測報警模式，只要有人或者動物進入就會發出警報，同時將畫面傳至管理員手機及郵箱里，可以有效防盜和防入侵。

2.6資產管理子系統。資產管理系統與儀器使用系統連通，包含儀器設備分布情況、使用情況、維修次數等功能。實現任何一臺儀器使用情況溯源，維修情況溯源，智能分析儀器老化程度。

3? 結語

知識社會環境下的智慧實驗室是繼實驗室信息數字化之后即將發展起來的高級形態。智慧實驗室對提升實驗管理水平、教學效果，打造實驗金課有很大的輔助作用，是實現實驗室高效智能運轉的最好辦法。對現有教學實驗室的改造升級，通過加裝智能設備，利用信息化平臺快速構建智慧型實驗室有著較大的社會需求，希望本文所介紹的方案對教學型實驗室的改造升級有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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