基于物聯網的開放式實驗室管理系統的設計

張　歡（南京林業大學　江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇　南京　210037）

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基于物聯網的開放式實驗室管理系統的設計

張歡
（南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇南京210037）

摘要：為了實現開放式實驗室管理，提出了一種實驗室智能管理終端設計。基于物聯網的智能管理終端，可以通過學生端與教師端進行教學科研。終端可以通過授權一卡通對實驗室進行綜合管理。利用物聯網技術實現門禁開啟，考勤匯總，預約使用，錄制上課過程，成績查詢等功能。基于物聯網開放式實驗室管理可以提高實驗室使用效率，實現實驗室開放式管理。

關鍵詞：物聯網開放式實驗室設計

0　前　言

實驗室是提高學生實踐、創新能力的重要實踐環境。其在高校的不可或缺的地位是毋庸置疑的。開放式實驗室為學生動手解決實際問題，提高科研素質和創新精神提供了一個更為廣闊、自由的空間。其可以激發學生學習的主動性，也可以鼓勵教師開出更多高水平的科研課題，對提高實驗室資源利用率非常有效。實現實驗室開放也是教育部《普通高校教學水平評估指標體系》的要求。

1　開放式實驗室的必要性

一直以來，實驗室教學通過驗證性實驗雖然能加深學生對理論知識的掌握和理解，但不能夠培養學生的創新思維，而開放式實驗室有利于以學生為本，激發學生的學習、動手科研興趣，自主學習[1]，培養出創新型人才和應用型人才[2]。實行開放式實驗室，教師只需要給予學生指導，具體由學生自己制定實驗步驟和方法，長久以往，有利于不斷對實驗內容進行改革和完善，促進教學實驗的改革。

此外，實驗室完全開放，可以整合實驗室資源，提高儀器設備的使用率，降低儀器設備的重復購置率，完全發揮設備效能，提高投資效益。開放式實驗室不僅是對本院校開放，還可以實現不同高校之間的開放，實現資源互補，可以有效促進資源共享，以及高校之間的交流溝通[3]。

通過現代化的方法實行開放式實驗室管理，可以將實驗教師從常規的實驗室管理工作中解放出來，避免了實驗教師長期的重復性勞動，使其有更多的時間用于實驗室規范化管理，有利于實驗教師自身的水平提高以及實驗室的長遠發展規劃。

在過去的實驗教學過程中，學生參與教師課題研究這樣的模式已經無意識地在實行實驗室開放。“開放”是今后實驗室的工作主題。現在需要我們理清思路，有意識地有規章制度地進行開放式實驗室管理的實踐與探索。

2　開放式實驗室的管理

目前，越來越多的大學自主制定了適合本院校、專業的開放式實驗室管理措施。如：東北林業大學、哈爾濱工業大學、浙江師范大學、魯東大學、山東工業職業學院等。實驗室開放式管理是一項需要長期不斷探索的工作，需要實踐的不斷總結。

（1）開放式實驗室以學生為本。學生自主實驗，較為零散，且學生的實驗操作水平、儀器的操作水平高低不同，給開放式實驗室管理帶來了一定難度。因此，在施行開放式實驗室之前，要對學生進行統一的儀器設備使用培訓，并提出一定的規章制度，便于統一管理。對一些陳舊的實驗內容進行改革、合并或停開；開放式實驗內容要反映新技術、新知識、提高注重培養創新能力為主的實驗內容。最終，使實驗課程體系得到優化與整合。每學期結合教學大綱設置一定數量的開放性實驗內容，針對開放性實驗設置相應的學分，鼓勵學生積極參加，培養學生學習主動性、創新性、動手實踐能力。

學生實驗分為教學計劃內實驗和開放性自主實驗[4]。前者在實行時參照傳統實驗室運行制度，將教學計劃下達到學生手中，在規定的時間內必須完成。后者在不影響教學大綱規定的實驗內容的前提下，學生預約使用實驗室儀器設備，在規定時間段內進行實驗。

（2）開放式實驗室“物”的管理。開放式實驗室的“物”主要指儀器、設備等。實驗室完全開放后，可以避免儀器設備的重復購置，大大提高設備使用效率，同時，要加強儀器設備管理。

使用物聯網技術對儀器設備監管，形成網絡化管理。儀器設備從購置、使用、維護、維修到報廢，都要進行有效的控制。加強儀器設備的責任落實到人，要求實驗師有專業的技術知識、高度責任感。建立大型設備共享平臺，儀器設備對外使用時，采取有償使用制度，收取的費用可用于學生開放式實驗課題的經費來源[5-8]。

3　基于物聯網的開放式實驗室的設計

開放式實驗室的管理制度需要在實踐中不斷總結摸索，其最終實現離不開技術支持。如今，物聯網技術越來越多地滲透到生活的每個角落。不僅僅是開放式實驗室，大到智慧校園（校園信息的智能化采集、運輸、管理、控制、顯示、推送等，最終實現全校各部門，子系統信息融合，互聯互通）都以物聯網云計算為核心。基于物聯網的開放式實驗室技術，可以有效解決實驗室管理中的信息更新滯后，人力資源不足或浪費，設備冗余，重復投入等現狀，也可有效實現開放式實驗室需要的科學決策，完全開放，及時管控，方便快捷要求。

（1）基于物聯網的開放式實驗室管理系統的設計。通過使用物聯網技術，為實驗室完全開放提供了保障，為開放式實驗室管理制度的探索提供了技術支持。從課程實驗管理子系統和開放實驗管理子系統這兩個部分來進行基于物聯網的開放式實驗室建設。

①物聯網課程實驗管理子系統設計。對于開放式實驗室，課程實驗管理即傳統的教學大綱要求的實驗內容。將其連上物聯網后，實驗課老師可從教師端對該堂實驗課進行實驗地點及時間預約，并上傳實驗內容和步驟，學生可從學生端對老師上傳內容進行預習。具體系統設計見圖1。

圖1　課程實驗中管理

該設計功能：門禁管理可以授權學生一卡通開啟門禁；考勤匯總可以自動生成考勤表，用于出勤人員的統計（代替學生上課報到）；視頻管理可以實時視頻錄制備案上課過程，見圖2。

圖2　課程實驗后管理

將物聯網技術用于課程實驗管理，便于管理效率的提高以及信息的智能采集。學生課前預習、課中實踐、課后報告提交全程記錄，提高學習效率。儀器設備由任課老師監管授權使用，自動建立設備使用記錄，方便數據統計，責任落實到人，也可減少實驗師工作量。

②物聯網開放實驗管理子系統設計。開放創新型實驗室開放式實驗不可或缺的部分，也是實行開放式實驗室的最終目的。圖3為物聯網用于開放創新實驗管理系統設計。

圖3　物聯網用于開放創新實驗管理系統設計

該設計功能：實現開放式實驗室的預約使用權（預約時間、實驗內容及地點）；授權學生一卡通[9]，學生可在預約時間段享受開放實驗室的權利，完成自主實驗。

該設計優點：設計可減輕老師負擔，提高學生動手能力；自動建立設備使用和器件消耗情況記錄，方便數據統計與分析；提高開放式實驗室的利用率，提高設備使用率，對設備臺賬管理（維修，維護，報廢）提供依據；視頻監管為開放式實驗室提供安全保障[10]。

（2）基于物聯網的開放式實驗室儀器設備的設計[11]。將物聯網技術用于實驗室儀器設備管理，對儀器設備的使用情況進行數據實時采集和記錄，最終可實現設備儀器從購買、使用、維修、維護、報廢整個生命周期的實時管理。

基于物聯網的儀器設備管理系統主要包括：用戶管理、采購流程管理、驗收流程管理、使用過程管理、貴重設備儀器管理、維修管理、報廢管理以及供應商管理。

①基于物聯網的儀器設備用戶管理[12]。學校的實驗室管理基地（包括處長、到實驗室主任、實驗員）人員均可進入系統，對儀器設備進行信息查詢，管理和跟蹤。

②基于物聯網的儀器設備采購管理。負責儀器設備采購的相關人員在物聯網上登記采購項目、招標信息等，使采購過程公開透明化。

③基于物聯網的儀器設備驗收流程管理。組織驗收后在物聯網上對儀器設備進行注冊，貼上RFID標簽，自動形成報表（包括儀器設備名稱、型號、數量、圖片、供應商信息等）。

④基于物聯網的儀器設備使用過程管理。通過遠程在線采集儀器設備使用時間、次數、人員等信息，記錄儀器設備使用狀況，是否損壞、違章操作，是否有維修保養記錄等。

⑤基于物聯網的貴重儀器設備管理。主要針對大型貴重儀器設備進行的對外使用率、借還記錄、授權使用、看護管理等。

在整個過程中，AS轉化為結構型膠質細胞，早期具備的有益功能逐漸減退或消失，反而分泌有害因子，形成膠質化學性和機械性屏障，抑制了軸突的再生和延長。Fitch等通過研究發現反應性AS、少突膠質細胞、脊膜細胞及小膠質細胞等均參與了膠質瘢痕形成，這些細胞既分泌抑制神經元軸突生長的因子，又構成阻礙軸突再生的三維立體結構。這些抑制因子有ephrins、蛋白多糖、semaphorins等，SCI后傷口內存在多種不同的抑制性因子，十分不利于脊髓的軸突再生。[12]另外，反應性AS還會產生大量的NO，通過對大分子的修復產生毒性作用，可以促使神經元發生遲發性壞死。

⑥基于物聯網的儀器設備維修管理。若儀器設備需要維修，當時的使用負責人從申請維修、維修登記、維修結束均在物聯網登記記錄備案。

⑦基于物聯網的儀器設備報廢管理。若儀器設備需要報廢，管理人員可將報廢申請、報廢評估、報廢注銷等信息記錄。

⑧基于物聯網的儀器設備供應商管理。對供應商合同信息、設備優劣信息、售后服務信息進行記錄，為學校下次采購儀器設備提供參考。

4　結束語

開放性實驗室是今后的趨勢，實驗室開放最終可以實現設備的高效合理使用，學生實驗動手能力、創新思維的提高等，但是如何真正實現這一目的還需要一段時間的研究和探索實踐。然而，基于物聯網的開放式實驗室管理，為實驗室開放創造了一個非常切實、安全有效的運行維護管理環境，是實現實驗室開放的一個可行方案。基于物聯網這一技術手段，對實驗過程前后進行監控管理等遠程控制。

參考文獻：

[1] 張紅光,孫曉娜,紀常偉,等.開放實驗室,培養大學生的創新精神和實踐能力[J].實驗技術與管理,2011, 28(6):16-19.

[2] 陸源,厲旭云,葉治國,等.自主學習、自主實驗、自主創新教學的研究[J].實驗技術與管理,2012,29(6):11-16.

[4] 王麗梅.基于創新性應用型人才培養的實驗教學方法研究[J].實驗技術與管理，2014,31(1):19-21.

[5] 阮尚全.開放式實驗教學探索[J].實驗科學與技術, 2005(3):121-124.

[6] 許江.高校開放實驗室管理模式探索[J].西華師范大學學報:自然科學版,2006,27(2):229-232.

[7] 杜林岳,馬瑞,徐應濤,等.高校大型儀器設備全壽命周期管理系統的設計與實現[J]福建電腦, 2012(6):6-8.

[8] 吳守輝,聞星火,薛為,等.大型設備共享服務校級平臺建設探索和實踐[J],實驗技術與管理,2011,28(4): 182-185.

[9] 周偉強,陳燦華,李淑娟. 基于Cacti和Nagios的校園一卡通監控系統研究[J].實驗技術與管理,2011,28(4): 246-249.

[10] 任曉莉.基于ZigBee的開放式實驗室管理終端設計[J].微處理機,2011(4):67-69.

[11] 黃崢,古鵬.物聯網實驗室建設研究與探討[J].實驗技術與管理,2012,29(2):191-195.

[12] 吳文華,楊慶,沈新元,等.智能實驗室管理系統下的實驗室開放管理[J].實驗技術與管理,2011,28(2): 172-176.

張歡（1988—）女江蘇揚州碩士初級實驗員，從事實驗室建設與管理工作及研究。

聯系電話：13776501324

E-mail:zh902620@163.com

The Open Labs Management System Design Based on Internet of things

ZHANG Huan
(Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

Abstract:In order to implement the open labs management, an intelligent management terminal design for the open labs is proposed. The intelligent management terminal based on internet of things, it can work on teaching, reaching through student port and teacher port. This terminal can management the lab intergrated by authorized one-card. Functions such as door open, attendance summary, booking, class recording, score search can realized by internet of things. The open labs based on the internet of things c an improve the efficiency of the labs, and make the open labs come true.

Keywords:Internet of things; open labs; design

作者簡介：