智能化自主實驗平臺建設與管理探究

王新偉　朱先磊　劉雨霞　張強斌

［摘 要］ 學生自主實驗的安全有效管理是高校實驗室開放共享過程中的難點。鑒于學生自主實驗過程中存在的實驗室安全問題和教師指導管理問題，基于layui搭建的微信公眾號和小米監控系統，搭建了實驗室預約系統、自主學習平臺及師生遠程互動系統相結合的學生自主實驗管理平臺和創新性管理模式，實現了智能預約、網上學習、實驗室遠程管控、遠程互動和學生自主實驗。經過兩年多的建設與實踐，取得了良好的運行效果，提高了實驗室智能化共享和管理水平，可為全國實驗室開放管理提供應用示范。

［關鍵詞］ 自主實驗；預約系統；遠程互動；智能化

［基金項目］ 2020—2022年中國石油大學（北京）教學改革項目“環境科學專業創新型實驗室建設”（2020-2022）

［作者簡介］ 王新偉（1976—），女（蒙古族），內蒙古赤峰人，博士，中國石油大學（北京）化學工程與環境學院副教授，碩士生導師，主要從事環境生物學和能源與環境研究；朱先磊（1974—），女，天津人，博士，中國石油大學（北京）化學工程與環境學院副教授，碩士生導師，主要從事大氣環境化學研究；劉雨霞（1987—），女，甘肅金昌人，博士，中國石油大學（北京）化學工程與環境學院講師，碩士生導師，主要從事水環境化學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）07-0017-04［收稿日期］ 2022-04-13

引言

加強實踐教學建設，創新實踐教學方法已經成為高校開展教學改革的重點［1-2］。實驗室是培養學生實踐能力、科技創新能力的重要場所，是融教學與科研開展科技研究的重要基地。實驗教學在高校人才培養和教育中起著關鍵作用。近年來，我國不斷加大對高校實驗室的經費投入，實驗室環境及儀器設備的配制等有了很大的改善和提高，但是傳統的人工管理運行模式和有限的實驗教學課時已經不能滿足學生開展探究的需求，學生亟須一個能在課外時間自由開展科學探究實驗的平臺。有專家指出，目前我國高校本科人才培養模式所欠缺的是具有探索性、創新性的實踐活動［3］。習近平總書記在全國科技創新大會、中國科學院第十八次院士大會和中國工程院第十三次院士大會、中國科學技術協會第九次全國代表大會上指出：“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新同等重要的位置。”［4］因此，致力于培養大學生創新創造、自主學習與合作交流的能力，開發開放性、自主性、合作性與研究性的實驗平臺，既可以促進大學生的全面發展，又可以成為大學生理論與實踐相結合、學習與應用相統一的關鍵紐帶。

很多高校對實驗室開放管理方式進行了研究，從實驗預約、智能化、信息化等方面進行了實驗室平臺管理方法的有益探索［5-6］，但多是從教師角度進行的管理改革，學生的中心地位并未充分體現，而從學生的角度調動積極性才是改革之本。因此，為了有效滿足學生在課外開展科學探究實驗的需求，為了順利有序開展大學生科技創新活動，同時將實驗資源進行科學、有序的開放共享，構建智能化的實驗開放共享平臺勢在必行。

學生自主實驗面臨的主要問題是實驗室安全問題和教師指導管理問題［7］。一方面，要實現實驗室全天候、全方位對學生開放，會出現不同專業、不同基礎的學生在一起進行實驗，實驗者構成復雜，安全意識參差不齊。雖然我校實驗類專業的學生需要在大一進入實驗室前完成實驗室的安全考核，但仍存在少數學生安全意識較差、不按操作規范進行實驗的情況。此外，專業實驗室的安全問題與基礎化學實驗室的安全問題存在差異，如何保證專業實驗室的安全是要解決的重要問題。另一方面，學生自主開展的研發實驗或創新實驗，多是利用課余時間來完成，指導教師不可能一直在實驗室陪同學生，實驗項目的質量保證和實驗室安全是自主實驗難以開展的限制因素。如何實現自主實驗、如何有效對學生的自主實驗進行指導、教師對學生的管理問題等都是需要解決的關鍵問題。

針對上述問題，中國石油大學（北京）環境科學專業實驗室以簡單高效、安全第一為目標探索搭建了智能化自主實驗平臺，包括預約系統、學習平臺及遠程互動系統，實現了實驗室遠程管控、智能預約、遠程互動、網上學習和學生自主實驗。經過兩年多的建設，解決了自主實驗教學中教師、學生、實驗資源等受限的問題和在開放共享過程中存在的安全管理隱患問題，推進了專業實驗課的教學改革，提高了實驗室智能化共享和管理水平。

一、智能化自主實驗平臺建設

（一）實驗室預約系統

要想實現實驗室在空閑時段面向學生開放共享，需要在實驗前進行實驗預約，而如何確保預約學生的實驗安全和對設備規范使用，是需要解決的首要問題。很多高校進行了實驗預約平臺建設［6-8］，但平臺涉獵多樣、系統龐大、操作較為煩瑣，亦多未進行安全準入，如果能借助微信平臺進行掌上實驗室管理，將會使實驗室管理工作變得更加便捷。基于此，針對自主實驗的管理與運行現狀，建立了“石大環境科學實驗室”微信公眾號，開發完成了實驗室預約系統，并在預約前設置了實驗室安全知識和相關設備使用的考核功能。

預約系統利用java編程，使用springboot輕服務框架搭建了服務端后臺，基于layui搭建了公眾號管理可視化模塊，并基于Weui可視化組件構建了移動端用戶界面——“石大環境科學實驗室”微信公眾號，指導教師隨時在微信公眾號上進行審核，使用起來方便快捷。預約系統有兩大功能：考核與預約。預約的基本流程為學生信息填寫—考核—預習設備空閑時段查詢—預約—等待審核—審核情況查詢。

考核為預約設備時需要通過的考試，主要考核設備的使用方法和注意事項。因為預約服務主要是針對實驗室現有的設備預約，因此學生需要先行了解所預約設備的使用規程和注意事項，經過考核方可預約成功，目的是審核學生自學設備使用方法的效果，確保學生自主完成設備使用或具備使用設備的基礎，可節約技術人員對每一位學生的設備培訓時間，增加設備使用壽命，也提高了實驗室的安全性。石大環境科學實驗室公眾號和預約界面見圖1。

（二）學生自主學習平臺

為使學生能方便快捷地獲取開放實驗室的相關信息，學生自主學習平臺搭建在公眾號里。自主學習內容包括自制實驗設備使用方法視頻、實驗項目簡介及相關實驗室安全知識推送，形成了理論與實踐技術知識學習平臺，方便學生自學。我校環境科學實驗室類型包括生態環境實驗室、水環境實驗室及土壤環境實驗室，如生態環境實驗室開放的設備有顯微鏡、滅菌器、旋轉蒸發儀、植物培養架等，在學習平臺制作這些設備的使用視頻，供學生自學和復習。在掌握了使用方法和注意事項后，完成預約中的設備安全考核項，方可進行某一設備的預約使用。

（三）自主實驗遠程互動系統

在實驗室全方位開放共享過程中，由于缺乏管理人員，教師指導管理的問題成為實驗室開放的限制因素之一。建立嚴格的準入制度與遠程監控系統可以實現實驗安全監管和師生遠程互動。因此，自主實驗管理過程首先需要預約，預習系統通過后，再提交自主實驗方案，實驗方案通過后，方可進入實驗室進行自主實驗。在自主實驗過程中，隨時和指導教師交流設備的使用問題，試劑使用及自主實驗過程中的相關問題，可以隨時進行師生互動。

遠程互動系統包括小米智能門鎖、監控攝像頭、路由器及遠程監控軟件。智能門鎖可以實現學生進門的遠程密碼解鎖功能，每次學生進門系統產生隨機碼發給學生，學生輸入隨機碼即可自行開鎖進入實驗室。進入實驗室后，便進入小米監控攝像頭監控范圍，小米攝像頭可以監控整個實驗室的空間，并具有存儲視頻功能。學生在自主實驗過程中遇到問題時可與指導教師進行視頻互動，解決問題。此外，指導教師可在空閑時間回放存儲的視頻內容，檢查學生在實驗室操作過程中是否有有誤或不規范之處。學生自主實驗流程見圖2。

1.設備安全考核。此設備安全考核與預約系統中的設備預約考核為同一個窗口。學生進行自主實驗的前提是通過自主學習平臺完成實驗室對應的設備安全模塊學習，預約時先進行設備考核，只有考核合格的學生才有資格進行自主實驗申請。

2.實驗方案的提交和準入。學生進行自主實驗前需要先將實驗方案提交給負責實驗室安全的指導教師審核，指導教師需要判斷設備是否可用、試劑是否充足及實驗的其他耗材是否完備，這些實驗條件具備后可通過審核。審核通過后，學生根據實驗室的開放情況（如空閑設備型號、空閑時段等），繼續申請實驗室準入。這一步申請審核通過后，才能按預約時間進行自主實驗，此過程保障了自主實驗的可行性和學生實驗技能達標，確保了自主實驗的基本實施條件。

3.自主實驗與遠程互動。學生自主實驗申請成功后，在預約實驗時間的范圍內可進入實驗室進行自主實驗，監控系統可以全程看到學生做實驗的情況，所以指導教師無須時刻親自到現場指導。學生在實驗過程中遇到困難與問題，可以通過監考系統直接遠程與指導教師進行視頻通話，指導教師通過遠程方式幫助學生解決問題。學生自主實驗遠程互動系統見圖3。

二、自主實驗管理方法改革

為了保障學生自主實驗的良好運行，在搭建智能化自主實驗平臺的基礎上，對開放實驗項目和自主實驗教學方法進行了開發和改革。

（一）創新性實驗項目的開發

目前已經開發了多項綜合性及設計性實驗項目，并應用于相應的實驗室，具體實驗項目見表1。實驗項目基于環境污染問題和實驗室的條件，從目前的研究熱點出發，涉及無機污染物、有機污染物的污染過程及生物效應研究，研究對象涉及面廣。學生基于研究興趣自選污染物種類進行研究，不同實驗組基于相似的研究思路開展實驗設計，可以獲得不同的實驗結果，大大激發了學生的研究興趣和研究思維，同時，鍛煉了學生的動手能力、協作能力和實驗設計研究能力。

（二）學生自主實驗教學方法改革

在學生自主實驗預習的基礎上，進行線上實驗原理學習—線下學生自主實驗教學模式。線上項目簡介及實驗原理，總體上加強了線下學生自主學習能力的培養，充分利用線下實驗室的空間和空余時間，教師進行現場答疑，研究生做實驗輔助，大力培養學生從試劑準備到實驗結果分析的全過程的動手能力與系統性研究思維，完善了以實驗室開放為基礎的學生自主實驗教學方法改革，培養了學生的創新能力。最近兩年，學生獲得市級以上科技創新獎13項。

中國石油大學（北京）環境科學專業實驗室以簡單高效、安全第一為目標，探索搭建了基于微信公眾號和小米監控系統的智能化自主實驗平臺，系統以先進性、專業性及創意性為建設理念，包括預約系統、學習平臺及遠程互動系統。同時，對開放的實驗項目與自主實驗教學方法進行了開發和改革，實現了實驗室遠程管控、智能預約、遠程互動、網上學習及學生自主實驗。運行的相關規章制度及實驗室安全準入考核庫仍需進一步完善，如實驗室安全準入信息庫可分為通識類、電器安全類、試劑安全類、生物安全類、儀器安全類等。從總體上來看，智能化實驗開放共享平臺使得實驗室開放管理更加科學化、規范化和人性化，取得了良好的成效，同時，建立了可復制的智能化自主實驗平臺及運行管理機制，為我國的實驗室開放管理創新改革提供了示范應用。

參考文獻

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［8］蘇凱，李林瀟，衛飛飛，等.淺談高校實驗室安全準入體系的改進［J］.教育教學論壇，2022（4）：9-12.

Research on the Construction and Management of Intelligent Independent Experimental Platform

WANG Xin-wei， ZHU Xian-lei， LIU Yu-xia， ZHANG Qiang-bin

（College of Chemical Engineering and Environment， China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract： The safe and effective management of students independent experiment is a difficulty in the process of opening and sharing of university laboratories. In view of the laboratory safety problems and the guidance and management problems of students in the process of independent experiment， based on the WeChat official account and monitor system built by layui， we have built a student independent experimental management platform and innovative management mode combining laboratory reservation system， independent learning platform and teacher student remote interaction system. It realizes intelligent reservation， online learning， remote laboratory control， remote interaction and students independent experiment. After more than two years of construction and practice， the intelligent sharing and management level of the laboratory have been improved， which can provide an application demonstration for the laboratory opening management.

Key words： independent experiment; reservation system; remote interaction; intellectualization