智能實驗室信息化系統的建設與管理

章玥云

（江南大學實驗室與設備管理處 江蘇 無錫 214122）

0 引言

實驗室是高等教育實踐教學與科研的重要平臺，是培養創新人才的關鍵場所[1]。在大數據應用與普及的背景下如何提高實驗室的管理水平與使用效率，已成為各高校亟須解決的重要問題。傳統實驗室依托人工管理維持實驗室的日常運行，很有可能造成工作人員管理效率低下、對象不明、響應時長等問題，浪費大量人力、物力與時間[2]。此外，一方面是傳統實驗室定時定點的管理與使用模式沒有充分利用實驗器材，導致教學資源的閑置與浪費[3]；另一方面是僵硬的管理模式未能滿足學生個性化需求，不利于創新人才培養。實驗室僵化的管理模式與學生的個性化需求之間的矛盾刺激高校建設智能實驗室，深化管理體系改革，建設信息化管理平臺，從而提高實驗室管理效率，科學合理地配置實驗室資源，滿足學生個性化需求，實現實驗室的智能管理。

1 傳統實驗室管理機制存在的問題

國內高校實驗室多按專業分類管理，形成“校－院－系”三級管理模式。傳統的管理模式配合了學校的專業化教學，但面對當前高等教育改革的新形勢與培養創新型人才的重要任務[4]，傳統實驗室管理模式的弊端日益明顯，嚴重阻礙當代大學教研的發展。

1.1 管理體系不健全、模式落后

傳統的實驗室管理按專業劃分進行分散式管理模式，規模小、功能簡單且各專業實驗室之間無統一科學管理機制，使各部門之間職責不明。在傳統實驗室管理體系方面，僵化的管理策略脫離學生實際需求。學生需要定時定點的預約實驗室，但學生下課時間與實驗室管理人員上班時間不重合，在實際操作中常出現學生課余時間并不完全吻合管理人員上班時間的現象。學生上下課時間的一致性，造成實驗室爆滿或無人問津兩種極端現象，也演化出實驗室資源調度不匹配的問題。實驗室激勵機制方面，管理系統缺乏積極有效的激勵機制，導致實驗室管理人員工作積極性不足，學生參與度低，造成實驗室設備儀器使用率低的問題。

1.2 實驗室管理隊伍思想固化，管理能力不足

受重理論、輕實踐傳統觀念的影響，實驗室管理人員理念跟不上現代教育的發展需求。管理隊伍問題主要體現在以下幾個方面：一是實驗設備采買方面，管理人員缺乏長遠規劃，導致采買實驗設備的專項經費應用于功能相近且品質一般的實驗儀器設備等問題。二是實驗室評估機制方面，缺乏有效的設備管理與維護的評估機制。高校采取“一刀切”式的僵化的實驗室設備淘汰機制，根據器材使用年限，報廢同批次的器材，造成使用率低、易損壞的儀器大量積壓，不但占用實驗室空間，造成“物不盡其用”的浪費，形成使用率低的儀器被閑置、而使用率高的儀器用之不足的矛盾境況。而在實驗室管理方面，存在管理體系嚴重固化、管理模式古板不靈活等問題。忽視互聯網環境與培養創新型人才的重要任務，依舊使用傳統的實驗室管理體系且不知變通，落后的管理模式嚴重降低了實驗室的儀器使用率，妨礙了學生的個性化需求與發展。

1.3 缺乏信息化管理平臺

隨著國家與高校對實驗室建設的重視，高校在科研設備上的投入大大增加，改善了實驗室的科研環境。但不可否認的是實驗室管理人員不熟悉信息技術，更無意識搭建信息化管理平臺來更好地管理實驗室運轉，導致實驗室的信息化平臺建設一拖再拖，而傳統固化、僵硬的管理機制造成實驗室利用不充分、學生需求得不到滿足等問題。分散化的管理模式使各院系之間沒有達成統一的信息化管理平臺，各自為政的管理模式也導致信息不通、消息不明，學生登錄實驗室系統的重復性申請與操作，造成時間與精力的浪費。系統的分散化管理也使得實驗室管理人員對實驗設備與學生的信息掌握不全，造成工作效率低下與響應時間較長的問題 。

2 智能實驗室信息化系統建設的可行性

為解決上述問題，本文提出了一種基于智能實驗室管理數字化、信息化的管理機制。

2.1 智能實驗室是一種基于大數據應用背景下的新型實驗室管理方式

智能實驗室是指在信息技術的催化下實現環境、設備、資源和實驗教學等的智慧化管理，實現信息融合與技術融合，并加強實驗教學中師生的交流與互動的管理[5]。一方面，隨著互聯網信息技術的發展，學生在網上搜索與瀏覽的碎片化行為被收集、分析并存儲起來，將這些看似毫無關聯的小數據整合生成有價值的大數據[6]。大數據描繪了學生的特征全貌，形成“用戶畫像”[7]，反映學生的個性化需求。另一方面，基于大數據信息技術，智能實驗室可以將實驗室各種實驗設備、實驗操作行為進行數字化處理，對其進行電子標簽化，形成規格統一的信息化管理。因此在構建智能實驗室時，基于學生的訪問數據與實驗室其他數據的融合，計算機的深度學習構建推薦模型，滿足學生的個性化需求，為建設智能實驗室奠定基礎。

2.2 技術的成熟是智能實驗室信息化系統建設的基礎

感知技術、存儲技術與云技術等信息技術是建設智能實驗室的基礎。在智能實驗室構建的過程中，感知技術、存儲技術與云技術三者相輔相成。感知技術與存儲技術保障了大數據信息的收集與存儲，而云計算對所收集、存儲的信息數據進行分析處理，以應用數據為目標，實現智能實驗室的個性化推薦與服務，讓這些數據有意義與價值。云計算讓收集與存儲技術所得到的數據有了用武之地，而數據的收集與存儲也讓分析技術更好地發揮其價值。現如今，隨著信息技術的發展與成熟，大數據的沉淀與處理顛覆了傳統實驗室的管理模式與理念，越來越受到管理者的重視。

2.3 個性化需求是建設智能實驗室信息化系統的源動力

傳統實驗室固定時間、固定地點的使用方式限制了大學生對實驗室的使用，實驗室使用高峰或低峰的信息不對稱也造成了學生在預約實驗室時出現了實驗室預約擁擠或者無人問津的尷尬情境。而隨著網絡層大數據信息分析與統計技術的發展，手機APP 的應用與普及，越來越多的大學生對實驗室信息的及時性、準確性與個體性提出越來越高的要求。根據智能實驗室APP 開放平臺的打造，學生期望通過APP 實時掌握實驗室的預約與使用情況，能夠自主地預約實驗室。此外，學生在智能實驗室APP 的平臺預約成功后，憑學生證件刷卡即可進入實驗室進行實驗操作，無須二次登記。在實驗過程中，一方面，學生可隨時登錄手機APP 反饋實驗器材的使用情況，如遇到實驗儀器故障可隨時通過智能平臺上報；另一方面，實驗室管理人員也可以通過對手機APP 后臺管理實時監控實驗室運轉，及時上報需要維修的實驗設備，真正實現智能實驗室的信息共享與平衡，滿足了學生個性化自主預約并使用實驗室的需求，提高了學習效率，有利于實現科研創新。

3 構建智能實驗室信息化系統的舉措

構建智能實驗室信息化系統主要分為管理、系統設計與監管三大部分。

3.1 智能實驗室管理層面

傳統實驗室以專業劃分分散管理，不利于信息化平臺的數據與資源的整合，構建智能實驗室應探索合作共榮的管理模式。首先加強實驗室信息化、數字化建設。傳統的管理模式已滿足不了智能實驗室的管理需求，為更有效地滿足師生科研需求，提升管理效率，需加強實驗室的智能建設。智能實驗室依托大數據信息技術，搭建信息化智能平臺，鼓勵管理人員信息化、數字化管理實驗室，學生個性化使用實驗室，從而提高管理人員的工作效率、儀器設備的使用效果。其次更新管理體制建設。從學校視角出發，全面規劃推進智能實驗室開放機制管理建設，統一規范學生對實驗室的個性化預約與使用、實驗室管理人員和設備更新與淘汰等日常管理工作，制定科學、合理的規章制度，減少因分散管理導致的各部門重復管理、低效管理等問題，實現實驗室的專業化管理。同時促進各學院、各個專業之間的交流與合作，實現實驗室數據庫的資源共享，革新實驗室平臺管理策略，為提高學生科研創新保駕護航。

3.2 智能實驗室系統設計層面

智能實驗室管理系統包括無限傳感器網絡、網關、服務器和手機APP 等4 個部分。智能實驗室一方面通過信息與技術的融合搭建信息化平臺，借助PC 端與手機移動客戶端實時收集實驗室內部數據，再上傳至數據庫對不同類型數據進行深度分析與融合，并將整合后的精準、有效的數據應用到實際管理，從而形成智能實驗室開放的管理系統。另一方面，智能實驗室基于所搭建的信息化平臺，通過深度學習的智能推薦算法向學生提供個性化服務。

如圖1所示，學生方面：學生在PC 端或手機端操作發出個性化預約申請后，可隨時隨地刷卡進入實驗室，進行實驗操作。當發現實驗設備發生故障時，可登錄智能實驗室的信息化平臺，上報故障信息記錄實驗設備情況。服務器會積極提取并分析學生的請求數據，對每一個學生的實驗設備與目標對象進行可識別編碼與標注，追蹤設備使用信息，建立個人實驗室使用標簽。同時充分利用手機APP 對每個學生有針對性地推送實驗室相關信息。此外，實驗室管理人員方面，管理人員可以通過對信息化平臺的后臺管理隨時查看學生的實驗室預約與儀器使用情況，記錄統計實驗室儀器設備與資源的配置情況，及時上報并反饋發生故障的實驗器材，對實驗設備進行數字化統計與標記。基于此，依托大數據信息技術搭建信息化管理平臺，通過網絡層對學生實驗室使用的信息數據與管理人員的實驗室設備與信息反饋數據進行統計與分析，最終生成總結性內容，不斷完善信息化平臺的數據庫信息與功能，以備后期的持續有效管理。

圖1 智能實驗室系統結構圖

3.3 智能實驗室的監管層面

構建安全有效的智能實驗室需要對其進行系統性的監督管理，因此為智能實驗室更加科學運轉，需通過信息化平臺依托信息技術對實驗室進行統一監管，積極搭建意見反饋渠道，賦予學生、管理人員提出問題的權利。

如圖2所示，首先對智能實驗室的儀器設備進行實時監管。借助信息化技術搭建實驗室遠程監管系統，實現智能實驗室的智能化、自動化的自我監管，對實驗設備、使用情況等進行實時監管，動態掌握實驗室的使用情況。為保障對實驗室儀器的監控，安裝傳感系統實時監控實驗室的使用情況，對故障設備自動上報處理。學生可通過信息化平臺隨時上報并反饋儀器故障，真正實現實驗室對儀器設備與實驗室使用情況的實時遠程監控。其次對學生與管理人員進行實時監管。雖然實驗室采用開放式預約管理，為保障實驗室的高效運行與安全管理，實驗室采取門禁系統，每個刷卡器均可實時記錄實驗室的使用情況，并根據學生的刷卡情況自動生成學生的個人數據庫以及實驗運行記錄，一方面是形成學生的實驗室電子標簽，對學生進行個性化推薦實驗室相關信息，提高實驗室使用率；另一方面是監管學生規范使用實驗室儀器，避免安全事故。根據管理人員刷卡上班以及對實驗室儀器與信息化平臺的操作管理的記錄，生成管理人員的電子標簽，從而更好地對管理人員進行監管，提高管理人員的工作效率。此外，為保證實驗室的安全，智能實驗室需實時對實驗室的溫濕度、煙霧度以及安全狀態進行監管、檢測與分析[8-9]，如若發現異常及時報警處理，并將檢測數據上傳至信息平臺存儲與分析，以便后續管理[10]。

圖2 智能實驗室系統監管圖

4 結語

綜上所述，高校實驗室是教學、科研的重要場所。智能實驗室的建設與管理有利于合理配置實驗資源，滿足學生個性化使用實驗室的需求，提高實驗設備的利用率。基于數字化的信息平臺，建設數據融合的智能實驗室管理體系，打破傳統管理思維與體系，追求實驗室的統一、系統、科學的優化管理，真正實現智能實驗室的個性化開放與預約、智能系統的推薦與管理，使高校實驗室在深化教育體制改革、促進科研創新中發揮更加積極的作用。