“雙創(chuàng)”背景下高校實驗室智能管理系統(tǒng)研究

摘要：在“互聯(lián)網(wǎng)+”的基礎(chǔ)上，利用信息采集、無線通信和數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)，從實驗室人員、實驗安全、實驗教學(xué)管理、設(shè)備、耗材、實驗教學(xué)資源等方面進(jìn)行智能化建設(shè)，提高高校實驗管理工作的智能化及自動化水平。對高校實驗室管理現(xiàn)狀進(jìn)行分析，探索智能管理系統(tǒng)建設(shè)思路，研究實驗室智能管理系統(tǒng)的建設(shè)要點，既要保證正常實驗教學(xué)和相關(guān)管理工作的高效開展，又能實現(xiàn)以學(xué)生為本的真正的全方位開放式實驗教學(xué)。

關(guān)鍵詞：高校實驗室；智能管理；雙創(chuàng)

一、前言

“雙創(chuàng)”教育即創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，是國家在實現(xiàn)創(chuàng)新型發(fā)展過程中對人才培養(yǎng)提出的新要求，旨在通過高等院校培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維、創(chuàng)業(yè)意識、創(chuàng)新能力的“雙創(chuàng)”人才。實踐教學(xué)作為教育教學(xué)的重要組成部分，是實現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生能力和綜合素質(zhì)提高方面有著其他教學(xué)手段無法比擬和替代的獨特作用。實驗室管理水平直接影響實踐教學(xué)的開展、科研成果的產(chǎn)出和人才培養(yǎng)的質(zhì)量。高校實驗室管理工作具有一定的復(fù)雜性和綜合性，涉及人員管理、環(huán)境管理、設(shè)備管理、教學(xué)組織管理和數(shù)據(jù)管理等。在智能化時代下，以智能管理系統(tǒng)為依托，提高高校實驗室管理水平，解決傳統(tǒng)人工模式下的局限性問題，實現(xiàn)高校實驗室在“雙創(chuàng)型”人才培養(yǎng)中的核心作用[1]。2018年10月，教育部發(fā)布了《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》（簡稱“意見”）。在意見中提出，要加強實踐育人平臺和校內(nèi)實驗教學(xué)資源建設(shè)，構(gòu)建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學(xué)平臺[2]。

二、高校實驗室管理現(xiàn)狀

傳統(tǒng)實驗室教學(xué)管理一般采用人工管理模式。按照統(tǒng)一的實驗課表開展實驗教學(xué)，實驗室要配備專門的人員對實驗場所、實驗設(shè)備和耗材進(jìn)行管理，管理工作繁雜，效率低下。學(xué)生在課堂內(nèi)外創(chuàng)新能力培養(yǎng)條件有限。課堂教學(xué)中，教師要利用大量的時間和精力去把控學(xué)生的實驗紀(jì)律、實驗設(shè)備的使用情況，實時了解實驗效果，不利于開展創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)。課外開放性實驗基本處于無序狀態(tài)，實驗預(yù)約、實驗安全和教師的指導(dǎo)問題日益突出。各學(xué)院實驗資源不共享，綜合利用效率低，不利于跨學(xué)科的交叉滲透，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新思維。各種實驗教學(xué)和管理數(shù)據(jù)缺乏有效監(jiān)控。實驗教學(xué)過程數(shù)據(jù)是實驗課堂教學(xué)的核心要素，傳統(tǒng)教學(xué)管理過程中無法實時保存，而實驗室管理數(shù)據(jù)更是教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控中必不可少的一環(huán)，人工管理下的數(shù)據(jù)填報工作繁重且極易出現(xiàn)錯誤，不能為實驗教學(xué)考核、教學(xué)評價和教學(xué)改革提供有力保障。

三、高校實驗室智能管理系統(tǒng)建設(shè)思路

當(dāng)前高校實驗室發(fā)展現(xiàn)狀已經(jīng)無法適應(yīng)新時期創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，必須在“互聯(lián)網(wǎng)+”的基礎(chǔ)上，加快信息技術(shù)融合，以智能管理系統(tǒng)為依托，從人員管理、環(huán)境管理、實驗教學(xué)、課外開放實驗管理等方面探索更高效的管理模式并進(jìn)一步實施。智能管理系統(tǒng)輔助管理人員對實驗室進(jìn)行更為系統(tǒng)化、數(shù)字化的管理，以提高實驗室管理效率及管理水平，為各項實驗工作的實施提供保障，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才做好準(zhǔn)備。

（一）智能管理系統(tǒng)需求分析

為促進(jìn)現(xiàn)代高校學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，需推動多元化、開放式的實驗教學(xué)模式。建設(shè)一批智能化實驗室，面向?qū)W生全面開放，為其完成自主創(chuàng)新、研發(fā)和創(chuàng)業(yè)提供實驗條件[3]。高校實驗室智能管理系統(tǒng)需要從實驗室人員、實驗安全、實驗教學(xué)過程管理、設(shè)備、耗材、實驗教學(xué)資源管理等方面進(jìn)行全面的智能化建設(shè)，提高實驗管理工作的智能化及自動化水平。系統(tǒng)主要功能框圖如圖1所示。

1.人員準(zhǔn)入管理

管理員根據(jù)不同用戶身份分配不同權(quán)限。學(xué)生和教師可通過一卡通或人臉識別進(jìn)入實驗室。

2.實驗環(huán)境管理

通過智能門禁系統(tǒng)保證正常實驗教學(xué)的開門、學(xué)生考勤記錄和教師教學(xué)記錄。同時針對課外開放實驗?zāi)軌蚋咝Ч芾恚瑢W(xué)生應(yīng)提交課外實驗預(yù)約申請，在規(guī)定時間得到準(zhǔn)入權(quán)限和設(shè)備使用權(quán)限。通過環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測實驗室環(huán)境，包括溫濕度、有害氣體等信息，保障實驗室的安全運行。

3.實驗教學(xué)管理

本系統(tǒng)對課內(nèi)實驗和開放實驗都可實現(xiàn)預(yù)約管理模式，包括計劃內(nèi)、個性化和開放式三個部分。管理員在系統(tǒng)中對實驗教學(xué)計劃進(jìn)行安排，后續(xù)學(xué)生進(jìn)入實驗室實行預(yù)約管理。師生從準(zhǔn)備實驗、進(jìn)入實驗室、開展課堂實驗到課外開放實驗都能在智能系統(tǒng)中進(jìn)行管理。

4.設(shè)備和耗材管理

實時采集各實驗設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，管理人員根據(jù)參數(shù)及時了解設(shè)備使用情況和狀態(tài)，在為使用人員提供個性化服務(wù)的同時，避免了設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)丟失和破壞的狀況。對于實驗耗材的申請、領(lǐng)用登記都在平臺中完成，減小了紙質(zhì)化處理存檔和后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計的工作量。

5.教學(xué)資源管理

線上線下實驗相結(jié)合，虛擬實驗與課堂實驗相結(jié)合。本地資源管理主要是針對課堂教學(xué)，課堂實驗教學(xué)數(shù)據(jù)實時上傳系統(tǒng)，對實驗過程考核評價提供依據(jù)，有利于教師對課堂質(zhì)量的把控，為開展個性化教學(xué)提供條件。線上資源管理給學(xué)生提供虛擬實驗平臺，打破時間和空間的限制。所有的實驗室管理工作數(shù)據(jù)都可以通過平臺自動統(tǒng)計，為后續(xù)教學(xué)管理和開展教學(xué)改革提供可靠依據(jù)。

（二）智能管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展背景下，利用信息采集、無線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理與分析等關(guān)鍵技術(shù)對實驗室的整個運行過程進(jìn)行監(jiān)控。智能管理系統(tǒng)設(shè)計時可將校園一卡通、 微信公眾號與實驗室智能管理系統(tǒng)連接起來，構(gòu)建出一種新型高效的智能管理模式[4]。智能管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，由感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個結(jié)構(gòu)組成[5-6]。

感知層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端，由各種環(huán)境傳感器、報警器、智能門禁、視頻監(jiān)控等部分組成。感知層能對實驗室監(jiān)控信息、人員進(jìn)入情況、環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，并將其傳送至傳輸層，管理員可以及時掌握實驗室環(huán)境安全情況和使用情況。

傳輸層是系統(tǒng)的通信層，包括各種協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)設(shè)備，它主要完成上下層數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)接入的功能，可提供包括ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙、移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)接入方式。該系統(tǒng)中的環(huán)境傳感器采集的數(shù)據(jù)可通過ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙等通信方式接入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)傳輸至相關(guān)服務(wù)器進(jìn)行存儲，用戶可通過移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問和控制。

應(yīng)用層是對傳輸層傳送的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和處理，包括系統(tǒng)界面、數(shù)據(jù)存儲、業(yè)務(wù)邏輯和中間控制件等部分。應(yīng)用層可通過大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)構(gòu)建智能、高效的實驗教學(xué)管理系統(tǒng)，完成人員管理、實驗室安全管理、教學(xué)管理、設(shè)備耗材管理和資源管理等方面的功能。

四、高校實驗室智能管理系統(tǒng)建設(shè)

實驗室智能管理系統(tǒng)需要在實驗室安裝智能化設(shè)備，開發(fā)相應(yīng)的管理軟件，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)教師端、學(xué)生端、設(shè)備端和管理端的互通，從而達(dá)到真正的、安全的開放式實驗。智能管理系統(tǒng)需要完成智能實驗室和實驗教學(xué)管理系統(tǒng)兩個方面的建設(shè)。

（一）智能實驗室建設(shè)

智能實驗室建設(shè)主要是硬件方面的建設(shè)，即智能監(jiān)控系統(tǒng)，包括實驗室各種環(huán)境傳感器（包括溫濕度、煙霧、氣體等傳感器）、智能門禁卡、智能攝像頭、儀器設(shè)備RFID標(biāo)簽、報警器等，方便實驗室的遠(yuǎn)程監(jiān)控，以期能夠及時準(zhǔn)確地了解實驗室的人員進(jìn)入、設(shè)備使用和環(huán)境安全情況。

1.環(huán)境監(jiān)測

系統(tǒng)可以通過實驗室內(nèi)布置的各種環(huán)境傳感器實時監(jiān)測實驗室溫濕度、煙霧、有害氣體濃度，對超過安全值的情況實時進(jìn)行現(xiàn)場報警，并將信息傳送給管理人員，及時進(jìn)行干預(yù)。

2.智能門禁

實驗室管理人員在開課學(xué)期為學(xué)生開通權(quán)限后，學(xué)生可以使用校園一卡通刷卡或人臉識別進(jìn)入實驗室。智能門禁系統(tǒng)能保證正常實驗教學(xué)的開門、學(xué)生考勤記錄，教師教學(xué)記錄。同時為了課外開放實驗也能高效管理，學(xué)生應(yīng)提交課外實驗預(yù)約申請，在規(guī)定時間得到準(zhǔn)入權(quán)限。

3.智能監(jiān)控

通過實驗室安裝的高清攝像頭可以實時記錄實驗室動態(tài)狀況，實驗室管理員可通過智能管理系統(tǒng)或手機App，遠(yuǎn)程查看實驗室監(jiān)控視頻，實現(xiàn)對實驗室的可視化管理。

4.儀器設(shè)備智能管理

儀器設(shè)備的智能管理可通過每臺設(shè)備上的RFID裝置完成，可上傳設(shè)備ID、使用信息、當(dāng)前位置、設(shè)備完好情況，從而實現(xiàn)對該設(shè)備的實時監(jiān)控。為后續(xù)的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、儀器設(shè)備的管理、維護(hù)與采購提供精準(zhǔn)依據(jù)。

（二）實驗室智能管理系統(tǒng)軟件建設(shè)

1.人員準(zhǔn)入管理模塊

人員準(zhǔn)入管理模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，可以與學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)對接，對師生的基本信息進(jìn)行采集和存儲，主要有教師和學(xué)生兩類用戶，教師又分為實驗指導(dǎo)教師和管理人員，根據(jù)賬戶類型對教師設(shè)定相應(yīng)權(quán)限。人員管理模塊可以滿足管理人員的信息添加、修改、刪除和查詢等要求，還能針對實驗室使用人員的信息變化情況進(jìn)行實時調(diào)整，為開展課內(nèi)實驗教學(xué)和開放式實驗提供保障，提高智能實驗室的動態(tài)化管理水平。

2.實驗環(huán)境管理模塊

實驗環(huán)境管理模塊主要是對出入實驗室人員、實驗室環(huán)境監(jiān)測、實驗室動態(tài)狀況三個方面進(jìn)行管理，分別由智能門禁、環(huán)境監(jiān)測和智能監(jiān)控完成。

系統(tǒng)與教務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行對接，根據(jù)實驗課表確定本學(xué)期進(jìn)入實驗室的師生權(quán)限，教師和學(xué)生可以通過刷卡或刷臉的方式進(jìn)入實驗室，實現(xiàn)了不同班級和使用人員的有效協(xié)調(diào)。其他需要進(jìn)入實驗室開展課外實驗的同學(xué)通過預(yù)約功能也可以申請進(jìn)入的權(quán)限，提高實驗室管理效率。環(huán)境監(jiān)測信息和視頻監(jiān)控信息會實時上傳至系統(tǒng)，管理人員可以及時掌握實驗室運行狀態(tài)，對于突發(fā)狀況可以第一時間做出處理，確保實驗室的安全、高效管理。

3.實驗教學(xué)管理模塊

實驗教學(xué)管理模塊包括教學(xué)計劃內(nèi)實驗管理、個性化實驗管理和開放式實驗管理。教學(xué)計劃內(nèi)實驗管理部分包括實驗安全學(xué)習(xí)、考勤記錄、實驗教學(xué)資料、實驗報告和實驗成績等內(nèi)容，其中，考勤記錄由智能門禁系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計上傳至該模塊。教師上傳實驗教學(xué)資料，學(xué)生上傳實驗報告，教師在線批改實驗報告，實時給出該實驗項目成績。個性化實驗管理主要針對課內(nèi)實驗不能按時完成的學(xué)生，可以利用課外時間繼續(xù)進(jìn)行實驗，學(xué)生需要提交實驗預(yù)約申請，自主進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗。開放式實驗管理主要針對有課外自主學(xué)習(xí)、開展創(chuàng)新項目研究、學(xué)科競賽等需求的學(xué)生，該部分包括實驗安全學(xué)習(xí)、創(chuàng)新項目或?qū)嶒烅椖糠桨笇徍恕嶒烆A(yù)約申請和指導(dǎo)教師審批等內(nèi)容。學(xué)生需要在系統(tǒng)中提交項目實驗方案，由指導(dǎo)教師審批通過后，提交實驗預(yù)約申請。開放式實驗申請成功后，只要在預(yù)約實驗時間范圍內(nèi)就可以進(jìn)入實驗室并取得設(shè)備使用權(quán)限。開放式實驗的教學(xué)管理流程如圖3所示。

4.設(shè)備和耗材管理模塊

設(shè)備管理模塊包括設(shè)備基本信息、設(shè)備使用預(yù)約、設(shè)備報修等部分。本系統(tǒng)與學(xué)校資產(chǎn)管理系統(tǒng)對接，每套設(shè)備分配一個身份碼，學(xué)生通過預(yù)約系統(tǒng)進(jìn)入實驗室時可以同時預(yù)約實驗設(shè)備的使用權(quán)限，使用過程中出現(xiàn)問題可以直接通過系統(tǒng)進(jìn)行故障申報。該系統(tǒng)對設(shè)備從進(jìn)入實驗室到報廢實行全方位監(jiān)控。“雙創(chuàng)”環(huán)境下，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求靈活預(yù)約實驗設(shè)備，在自主實驗過程中，教師和管理人員又可以實時掌握學(xué)生的實驗情況。

耗材管理模塊主要是對耗材的購置日期、型號規(guī)格、入庫和出庫信息、各耗材的庫存量進(jìn)行管理，方便實驗室管理人員根據(jù)系統(tǒng)中的信息及時補充和更新相關(guān)實驗耗材，使實驗室管理工作更加精準(zhǔn)化、智能化。

5.資源管理模塊

資源管理模塊包括本地資源管理和線上資源管理兩個部分。本地資源主要涉及計劃內(nèi)的實驗項目，包括各種教學(xué)資料和教學(xué)數(shù)據(jù)的管理，對于所有的實驗數(shù)據(jù)，通過存儲終端進(jìn)行保存，更便于查詢，精準(zhǔn)度和安全性更高，可為教學(xué)科研提供更科學(xué)的依據(jù)。

線上資源管理就是在系統(tǒng)中引入各種學(xué)習(xí)資源鏈接。各種教學(xué)平臺上都提供了優(yōu)質(zhì)的實驗教學(xué)視頻和實驗操作視頻資源，對于一些高危險性、高成本和創(chuàng)新性的實驗項目，各種虛擬實驗平臺也成為各高校的教學(xué)選擇。通過智能管理系統(tǒng)，學(xué)生可以方便地訪問各教學(xué)平臺和虛擬實驗平臺，根據(jù)需要選擇適合自己的學(xué)習(xí)資源，從而獲得更大的自主學(xué)習(xí)空間，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

五、高校實驗室智能管理系統(tǒng)應(yīng)用前景

在智能化時代，將現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合到實踐教學(xué)管理過程中，營造智慧實驗環(huán)境，探索實施個性化的實踐教學(xué)。一方面可以保證正常實驗教學(xué)和相關(guān)管理工作的高效開展，另一方面可以為全方位開放式、協(xié)同式實驗?zāi)Ｊ降挠行嵤┨峁┍Ｕ稀１鞠到y(tǒng)在推進(jìn)新工科建設(shè)的過程中，以學(xué)生為本，堅持知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念，旨在提高高校實驗室管理水平，解決傳統(tǒng)人工模式下的局限性問題，真正為學(xué)生開放實驗室，真正體現(xiàn)實驗室的核心價值及作用。

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基金項目：荊楚理工學(xué)院科研項目“‘雙創(chuàng)’背景下高校實驗室智能管理模式研究與構(gòu)建”（項目編號：YB202302）

作者單位：荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院

責(zé)任編輯：王穎振、鄭凱津