高校實驗室的自動化、信息化、開放式管理系統(tǒng)研究與實踐

施燕琴, 楊晉濤, 蔣梅燕, 陳靜怡, 王 旭

(浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310014)

高校實驗室的自動化、信息化、開放式管理系統(tǒng)研究與實踐

施燕琴, 楊晉濤, 蔣梅燕, 陳靜怡, 王 旭

(浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310014)

在目前高校實驗室儀器設(shè)備數(shù)量不斷增加，管理人員欠缺的背景下，根據(jù)多年儀器設(shè)備及實驗室管理經(jīng)驗，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一套面向師生開放的實驗室自動化、信息化、開放式管理系統(tǒng)，并在本校實驗室中實施。實施結(jié)果表明，該套系統(tǒng)不僅能夠緩解高校實驗室管理人員欠缺的問題，同時對保證儀器設(shè)備的正常操作使用，提高儀器設(shè)備的使用率，保障儀器設(shè)備的完好率具有重大的推動作用。該系統(tǒng)的開放式管理培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，提高了儀器操作水平和操作能力，強(qiáng)化了理論知識的理解，為培養(yǎng)高素質(zhì)的優(yōu)秀高校畢業(yè)生奠定了堅實的基礎(chǔ)。

實驗室管理系統(tǒng)； 自動化； 信息化； 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)； 儀器設(shè)備管理

0 引 言

高校的高等教育主要目的是培養(yǎng)知識面廣、動手能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的優(yōu)秀人才，為社會發(fā)展做貢獻(xiàn)。不管是教學(xué)還是科研，其培養(yǎng)的人才都是專業(yè)性較強(qiáng)的人才，其主要特征在于具有較強(qiáng)的動手能力、創(chuàng)新能力和解決問題的能力。特別是工科學(xué)生，動手能力的培養(yǎng)在整個高等教育中占據(jù)了重要地位。學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識的夯實，創(chuàng)新能力的發(fā)揮，需要通過動手操作來體現(xiàn)。因此，動手能力的培養(yǎng)是工科學(xué)生其他能力發(fā)展的基石。而高校實驗室是培養(yǎng)學(xué)生動手能力的主要場所，承擔(dān)了基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗等實驗教學(xué)外，主要為高校的科學(xué)研究服務(wù)，為培養(yǎng)優(yōu)秀的研究型人才服務(wù)[1]。因此，高校實驗室是培養(yǎng)動手能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的優(yōu)秀研究型人才的搖籃[2]。

在高校實驗室中，儀器設(shè)備是實驗室的支柱[3,4]。不管是教學(xué)實驗室、科研實驗室，都需要儀器設(shè)備來支撐，需要通過儀器設(shè)備來制備樣品、測試樣品性能等。因此，如何管理好高校實驗室的儀器設(shè)備是實驗室價值體現(xiàn)的基礎(chǔ)[5]。要管理好高校實驗室，首先必須了解目前實驗室存在的問題，進(jìn)而根據(jù)問題有針對性的進(jìn)行改革。

隨著國家對高校教育和研究型人才培養(yǎng)的重視，對高校教學(xué)和科研的資金投入大幅增加，其中較大一部分用于購置教學(xué)和科研設(shè)備[6]。因此，高校實驗室儀器設(shè)備種類和數(shù)量急劇增加。而實驗室管理教師隊伍受到編制等的影響，不能隨設(shè)備的增加而增加，故管理隊伍不能跟上儀器設(shè)備的急劇增長，成為了實驗室儀器設(shè)備管理的一個瓶頸所在。

1 自動化、信息化、開放式管理的必要性

目前，實驗室管理主要通過人員管理，實驗室管理教師實行坐班制。上班期間，學(xué)生可以前往實驗室進(jìn)行實驗，教師主要工作為維持實驗秩序、登記記錄、維護(hù)設(shè)備、解決實驗過程中出現(xiàn)的問題、培訓(xùn)學(xué)生如何使用、對外服務(wù)等，其工作較為繁瑣和復(fù)雜。由于實驗室設(shè)備眾多，導(dǎo)致了實驗室管理人員欠缺。

很多學(xué)者對實驗室儀器設(shè)備的管理進(jìn)行了研究和改革，提出了很多改革方案。其中較多的研究提及了利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)一步提高實驗室管理水平[7-9]，例如實驗室信息化管理[3,10]，實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計[11]，智能實驗室管理系統(tǒng)[12]，開放式實驗室管理系統(tǒng)[13,14]等。

在綜合上述研究基礎(chǔ)上，根據(jù)多年實驗室管理經(jīng)驗，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建了一套實驗室管理系統(tǒng)，并在材料學(xué)院實驗中心實施，效果顯著。此套管理系統(tǒng)包含了自動化、信息化、開放式3個模塊。自動化是指系統(tǒng)自動安排實驗順序、自動給予門禁權(quán)限、自動記錄測試時間、自動計算測試費用等。信息化是指實驗室儀器設(shè)備信息化、培訓(xùn)、預(yù)約、測試記錄、測試費用信息化等。開放式是指經(jīng)嚴(yán)格培訓(xùn)授權(quán)后，學(xué)生自行上機(jī)操作，且不受實驗室教師上班時間的限制，可全天候使用儀器設(shè)備。

通過上述實驗室自動化、信息化、開放式管理系統(tǒng)的使用，可減少教師安排實驗、計算測試費用、回答儀器設(shè)備咨詢等瑣碎工作，轉(zhuǎn)而將精力全部用于儀器培訓(xùn)、儀器維護(hù)、儀器功能開發(fā)、對外服務(wù)等需要腦力勞動的環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮實驗教師的專業(yè)才能。同時，開放式的管理，學(xué)生可自行操作設(shè)備，自主預(yù)約實驗時間，不僅鍛煉了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，而且掌握了一門技能，使其對科學(xué)研究有了更加詳細(xì)、深入的認(rèn)識。且開放式管理的無時間限制有利于發(fā)揮儀器的最大潛能，提高儀器設(shè)備的利用率。

2 構(gòu)建自動化、信息化、開放式實驗室管理系統(tǒng)

針對實驗室教師人員欠缺，儀器設(shè)備數(shù)量增長的現(xiàn)狀，以提高實驗設(shè)備在人才培養(yǎng)、科學(xué)研究領(lǐng)域作用的發(fā)揮為前提，以服務(wù)廣大師生為宗旨，開發(fā)了一套自動化、信息化、開放式儀器設(shè)備管理系統(tǒng)，包括注冊系統(tǒng)、培訓(xùn)系統(tǒng)、預(yù)約使用系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等。

2.1注冊系統(tǒng)

所有儀器設(shè)備使用人員必須注冊，提交姓名、學(xué)號、聯(lián)系電話、郵箱、導(dǎo)師等信息，為后續(xù)儀器設(shè)備培訓(xùn)、預(yù)約和收費建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

學(xué)生提交注冊信息后，需要經(jīng)過實驗室公共基礎(chǔ)知識考試，相當(dāng)于實驗室的準(zhǔn)入考試，主要涉及實驗室的一些基礎(chǔ)常識。考試試題為題庫中隨機(jī)抽取，考試成績需要達(dá)到一定分?jǐn)?shù)方可通過。考試次數(shù)不限，但每次考試試題不一致。通過實驗室準(zhǔn)入考試，強(qiáng)化了學(xué)生的安全常識，降低實驗室安全事故發(fā)生概率。

學(xué)生考試合格后，經(jīng)導(dǎo)師審核和系統(tǒng)管理員審核通過后，即可完成注冊。

2.2培訓(xùn)系統(tǒng)

由于儀器設(shè)備的高、精、尖特性，使很多儀器設(shè)備的操作步驟較多，且操作水平要求較高，不可隨意操作，亦不可更改操作步驟。因此，對儀器設(shè)備操作人員的嚴(yán)格培訓(xùn)是十分必要的[15-16]。通過儀器設(shè)備的培訓(xùn)，使操作人員熟悉儀器設(shè)備工作原理，操作方法及其注意事項，防止人為操作失誤造成儀器設(shè)備的損壞，減少錯誤測試結(jié)果的產(chǎn)生，甚至人身傷害事故的發(fā)生，有利于提高儀器設(shè)備的測試準(zhǔn)確度，提高儀器設(shè)備使用壽命，以及減少儀器設(shè)備和人員傷害事故的發(fā)生。

培訓(xùn)系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 培訓(xùn)系統(tǒng)流程圖

培訓(xùn)項目信息由儀器管理教師在系統(tǒng)中發(fā)布，學(xué)生登錄系統(tǒng)后即可看到目前可參加的培訓(xùn)項目及其培訓(xùn)時間和地點，實現(xiàn)了系統(tǒng)的信息化功能。學(xué)生選擇培訓(xùn)項目后，通過觀看視頻了解儀器設(shè)備構(gòu)造、工作原理和操作步驟等基礎(chǔ)知識，并通過儀器設(shè)備專項知識考試進(jìn)一步強(qiáng)化對儀器設(shè)備知識了解。該專項考試要求學(xué)生全部答對所有儀器設(shè)備知識，但不限答題次數(shù)，目的在于強(qiáng)化學(xué)生對儀器設(shè)備知識的了解，為后續(xù)培訓(xùn)奠定基礎(chǔ)。學(xué)生報名成功后，生成培訓(xùn)報名信息，學(xué)生賬戶、儀器管理員均可看到培訓(xùn)報名信息。

學(xué)生根據(jù)預(yù)定的培訓(xùn)時間和培訓(xùn)地點進(jìn)行實地培訓(xùn)。通過儀器管理員結(jié)合儀器設(shè)備現(xiàn)場講解儀器構(gòu)造、儀器工作原理，操作方法等，進(jìn)一步強(qiáng)化對儀器設(shè)備的認(rèn)知和了解。儀器管理員通過操作演示、操作講解、注意事項強(qiáng)調(diào)后，學(xué)生在管理員監(jiān)督下進(jìn)行現(xiàn)場操作并回答相關(guān)問題，管理員對學(xué)生操作和學(xué)生回答進(jìn)行評估，給予通過或不通過的培訓(xùn)結(jié)論。若學(xué)生通過培訓(xùn)，管理員在系統(tǒng)中點擊通過，該學(xué)生就自動獲得預(yù)約該儀器設(shè)備的權(quán)限。

2.3預(yù)約使用系統(tǒng)

學(xué)生獲得預(yù)約權(quán)限后，即可進(jìn)入儀器設(shè)備預(yù)約系統(tǒng)，儀器設(shè)備預(yù)約流程見圖2。

圖2 儀器設(shè)備預(yù)約流程圖

預(yù)約系統(tǒng)具有自動檢索已有預(yù)約時間功能，具有重復(fù)時間段的預(yù)約均不能提交，且可查看該設(shè)備的已有預(yù)約時間段，進(jìn)而調(diào)整自己的預(yù)約時間。導(dǎo)師審核為確認(rèn)該學(xué)生進(jìn)行某項測試或試驗，保證了教師可以掌握學(xué)生對實驗進(jìn)程的安排，并對其實驗進(jìn)行指導(dǎo)。管理員根據(jù)樣品信息和測試條件進(jìn)行審核，判斷該樣品是否可在該設(shè)備上進(jìn)行測試，或測試條件是否合適，有無超出儀器測試條件限制等。

完成預(yù)約后，預(yù)約人可在預(yù)約時間段內(nèi)前往儀器所在測試房間進(jìn)行測試。所有房間均采用門禁系統(tǒng)進(jìn)行控制，即預(yù)約人可在預(yù)約時間段內(nèi)用自己的校園卡打開所在儀器房間的門禁，進(jìn)入實驗室進(jìn)行測試操作。在預(yù)約時間段內(nèi)可多次開啟門禁，但未在預(yù)約時間段內(nèi)，預(yù)約人校園卡即無法開啟實驗室門禁。

當(dāng)預(yù)約人進(jìn)入實驗室后，儀器設(shè)備均安裝有電源控制系統(tǒng)，預(yù)約人登錄系統(tǒng)后，點擊開始按鈕，電源控制器即給測試設(shè)備或相應(yīng)的控制電腦供電，系統(tǒng)自動記錄實際測試開始時間。預(yù)約人完成測試后，需要點擊完成按鈕，確認(rèn)結(jié)束時間，并填寫實際測試樣品數(shù)。

通過預(yù)約使用系統(tǒng)，只有通過培訓(xùn)的人員方可預(yù)約使用培訓(xùn)過的設(shè)備，保證了儀器設(shè)備的正確操作，防止儀器設(shè)備的人為操作損傷和人員傷害事故。同時對每臺儀器設(shè)備的使用時間進(jìn)行了有序自動化管理，使用人登錄系統(tǒng)即可掌握某設(shè)備的已預(yù)約時間，實現(xiàn)了已預(yù)約時間的信息化，進(jìn)而根據(jù)自己的時間表預(yù)約設(shè)備進(jìn)行實驗。該預(yù)約使用系統(tǒng)的門禁設(shè)備，開放了儀器設(shè)備的使用時間，一周7 d 24 h均可預(yù)約使用，大大增加了設(shè)備的服務(wù)機(jī)時，提高了設(shè)備的使用率，使設(shè)備盡可能的發(fā)揮最大的作用。儀器設(shè)備電源控制系統(tǒng)則進(jìn)一步提高了儀器設(shè)備使用機(jī)時的精確度，對儀器設(shè)備使用機(jī)時和費用的統(tǒng)計更加精準(zhǔn)。且機(jī)時和費用統(tǒng)計實現(xiàn)了自動化，無需人工統(tǒng)計，即可上報各儀器設(shè)備使用機(jī)時和收費情況，大大減少人工投入，節(jié)約大量人力資源。

2.4數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

在實驗室內(nèi)部建立局域網(wǎng)，局域網(wǎng)擁有自己的服務(wù)器，所有數(shù)據(jù)通過服務(wù)器傳達(dá)到各門禁控制器、電源控制器、監(jiān)控系統(tǒng)。門禁控制器數(shù)據(jù)、電源控制器數(shù)據(jù)和監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)也上傳至服務(wù)器保存，避免了與外界網(wǎng)絡(luò)交互產(chǎn)生數(shù)據(jù)的丟失或錯誤代碼問題。

同時，為了避免系統(tǒng)設(shè)備受到外界病毒的感染，導(dǎo)致軟件或硬件無法運行，在內(nèi)部服務(wù)器上建立FTP系統(tǒng)。每臺設(shè)備測試數(shù)據(jù)直接上傳到FTP上，然后內(nèi)部服務(wù)器將這些數(shù)據(jù)同步到外部服務(wù)器，測試人員直接到外部服務(wù)器中的FTP下載測試數(shù)據(jù)。

2.5收費系統(tǒng)

系統(tǒng)根據(jù)實際使用時間或?qū)嶋H測試樣品數(shù)和系統(tǒng)中設(shè)定的儀器設(shè)備單價，計算某個預(yù)約使用所產(chǎn)生的費用，該費用經(jīng)管理員確認(rèn)后，即可在系統(tǒng)中顯示。測試費用信息在預(yù)約人、導(dǎo)師和管理員賬號中均可見，實現(xiàn)了收費制度的透明化和信息化，防止了因儀器設(shè)備收費而產(chǎn)生糾紛。在方便儀器管理員機(jī)時和費用統(tǒng)計的同時，也方便了教師對測試費用的查詢。

收費系統(tǒng)實現(xiàn)了各儀器設(shè)備收費的自動化，且自動計算費用綜合，減少了實驗室管理員的人工投入，極大的緩解了實驗室人員緊張問題。

2.6其他輔助系統(tǒng)

其他輔助系統(tǒng)主要包括了人員管理系統(tǒng)、儀器管理系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)、視頻管理系統(tǒng)等。

人員管理系統(tǒng)對注冊人員信息進(jìn)行匯總，可隨時查看注冊教師和學(xué)生信息，并對具有重大操作失誤的預(yù)約人進(jìn)行黑名單管理。

儀器管理系統(tǒng)是對現(xiàn)有儀器設(shè)備信息的匯總，包括了型號、生產(chǎn)廠家、配件、儀器參數(shù)等信息。儀器設(shè)備信息可查詢，實現(xiàn)了信息自動化，并對儀器設(shè)備是否處于正常狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，如正常即可預(yù)約，如不正常即不可預(yù)約。門禁管理系統(tǒng)對每個門禁的有效校園卡進(jìn)行實時更新，保證了新預(yù)約可在預(yù)約時間段內(nèi)開啟相應(yīng)實驗室門禁。

視頻管理系統(tǒng)是指在每個實驗室房間安裝攝像頭，對學(xué)生的實驗操作過程進(jìn)行錄像，在儀器設(shè)備出現(xiàn)問題時，可通過錄像查找原因，判斷是否因某些操作引起，進(jìn)而有針對性地、快速地解決問題，防止儀器進(jìn)一步損傷。

3 自動化、信息化、開放式管理成效

通過實驗室自動化、信息化、開放式管理系統(tǒng)的實施，實現(xiàn)了儀器信息、預(yù)約信息、培訓(xùn)信息在系統(tǒng)中的可查詢。最重要的是通過上述系統(tǒng)，實現(xiàn)了儀器預(yù)約使用的自動化、信息化，減少了人工管理，擴(kuò)大了儀器開放時間，提高儀器設(shè)備的利用率，更好地發(fā)揮儀器設(shè)備在教學(xué)、科研中的促進(jìn)作用。上述系統(tǒng)減少了人工在儀器使用過程、實驗室開門關(guān)門、費用統(tǒng)計、機(jī)時統(tǒng)計等方面的人工投入。在人員緊缺的環(huán)境下，將人力資源應(yīng)用于儀器現(xiàn)場培訓(xùn)、對外服務(wù)、功能開發(fā)等需要智力的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了儀器設(shè)備的有序、良好管理，減少了儀器設(shè)備的故障幾率，更好的維護(hù)了設(shè)備的正常使用，延長儀器設(shè)備使用壽命，最大程度的發(fā)揮儀器價值。同時，實驗室的開放式管理，學(xué)生自行操作儀器設(shè)備，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和科學(xué)研究能力，強(qiáng)化了學(xué)生理論知識與實踐的結(jié)合，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

結(jié)合本校實際情況，介紹了自動化、信息化、開放式管理系統(tǒng)的框架和流程，具有良好的可操作性，并在本校實施使用，使用效果良好，極大地解決了目前實驗室人員緊缺的問題。且通過自動化、信息化、開放式實驗室管理，方便了學(xué)生信息的查詢、儀器設(shè)備的預(yù)約、費用的查詢等操作。自主預(yù)約儀器設(shè)備使用時間，自行操作儀器設(shè)備，提高了學(xué)生實驗安排的自主性，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的動手實踐能力，在保障儀器設(shè)備正確、有序使用前提下，發(fā)揮儀器的最大使用效率，減少實驗室人員的人工投入。同時，為培養(yǎng)高素質(zhì)的科學(xué)研究人員奠定了良好的基礎(chǔ)。綜上所述，實驗室自動化、信息化、開放式管理系統(tǒng)能夠解決實驗室人員短缺問題，并在人才培養(yǎng)、儀器管理、科學(xué)研究等方面發(fā)揮重大推動作用。

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·名人名言·

知識是珍寶，但實踐是得到它的鑰匙。

——托馬斯·富勒

ResearchandImplementationofAutomatic,InformationalandOpenManagementSystemforUniversityLaboratories

SHIYanqin,YANGJintao,JIANGMeiyan,CHENJingyi,WANGXu

(College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Under the background that the number of large-scale equipment increases but laboratory personnel do not increase, an auto matic, information a land open management system was designed according to the authors’ experience and modern network technology, and carried out inlaboratories of College of Materials Science and Engineering. In this paper, the content, function and the operational result are introduced indetail. The application results showed that the automatic, informational and openmanagement system could solve the problem of laboratory worker shortage. It alsohad the ability to ensure the proper operation, enhance the utilization rate and coefficient of availability of the instruments. The operation alability, the level and ability for operating instruments and the under standing of the theory know ledge of the students were also enhanced by using the laboratory management system, hence, it is benefit tocultivate out standing students.

laboratory management system; automation; informatization; network technology; equipment management

G 642.0

A

1006-7167(2017)09-0236-04

2016-12-22

施燕琴(1983-),女，浙江嘉興人，碩士，實驗師，研究方向: 實驗室管理，高分子材料改性、加工研究。Tel.: 0571-88320392； E-mail: shiyanqin@zjut.edu.cn

王 旭(1966-)，男，浙江東陽，博士，教授，執(zhí)行院長，研究方向: 聚合物材料合成、加工、改性研究。Tel.: 0571-88320855；E-mail: wangxu@zjut.edu.cn