開放式實驗室管理系統在電子實驗中的應用

吳琦 賴冬寅 羅明鳳

摘要??? 簡要分析了實驗室在高職實驗教學中的應用現狀，分析了開放式實驗室在電子實驗中應用的優勢，給出了所開發的開放式實驗室管理系統的主體架構，以及系統在電子實驗的應用流程，介紹了系統在電子實驗中的應用效果。

【關鍵詞】開放式實驗室 開放式實驗室管理系統 電子實驗

1 開放式實驗室管理系統的應用背景

1.1 實驗室在高職實驗教學中的現狀

目前大多數高職院校的實驗室開放程度都很低，都或多或少的存在著以下情況：

（1）大部分學生的實踐項目時間有限，學生實驗進度不一，所花費的時間也有差異，但由于實驗課的時間固定且相對短暫、同一時段實驗人數較多，無論硬件資源還是教師資源都是有限的，難以滿足所有學生的需求，從而導致實踐項目的實際效果一般都難以達到設計的預期目標;

（2）雖然在實驗課中設備的使用率都較高，但整體上大部分實驗室的設備利用率都處于一個較低的水平，甚至存在部分設備閑置的情況;

（3）學生渴望為他們創新想法的實施提供綜合性的實踐條件，但實驗課堂上主要以固定項目為主，學生感興趣的開放性項目較少，創新點缺乏，從而阻礙了學生創新能力的提高。

因此，要提高實驗質量、提升實驗室建設水平，實現資源的合理配置、高效共享，則必須實行實驗室的有效開放。

1.2 開放式實驗室在電子實驗中應用的優勢

實驗室開放是指各類實驗室在完成計劃內教學及科研任務的前提下，利用現有師資、儀器設備、設施等實驗條件，面向學生開放，為學生提供實踐學習條件。在實驗室開放的過程中，必須考慮到實驗項目的安全、實驗項目的實施時長等因素，除此之外還需要考慮能夠同時兼顧專業常規實驗項目和創新實踐項目的實施，為不同需求的學生提供不同的實驗條件和實驗時間。

由于電子實驗主要涉及模擬電子技術和數字電子技術，在開展開放式實驗中有著如下優勢：

（1）都是弱電實驗，實驗電壓一般在24V以內，常用電壓5V～12V，進行開放式實驗的安全性相對有所保障;

（2）實驗常用的設備有穩壓電源、焊烙鐵、示波器等，常用的耗材主要是芯片、電阻、電容等元器件，無論是設備還是耗材價格都不高，進行開放式實驗的條件容易滿足;

（3）與其他弱電課程相組合，容易開展創新實踐項目;

（4）無論是常規實驗項目還是創新實踐項目，實驗一般都容許打斷接續，可拆分成不同的時間段來完成。

雖然開放式實驗室在電子實驗中有著諸多優勢，但同時也需要采用物聯網等先進技術，緊密圍繞如何提高學生的實踐能力來設計對應的開放式實驗室管理系統，才能有效的達到以學生為中心的根本任務。

2 開放式實驗室管理系統

2.1 開放式實驗室管理系統的主體架構

基于網絡化的實驗室開放管理系統是實驗室開放高效運作的重要支撐。我校根據開放式實驗室管理的特點，圍繞實踐環節的流程，關注實踐過程所涉及到的學生、教師、實驗室管理員三個主要角色的真實訴求，設計了開放式實驗室管理系統，其主體架構如圖1所示。

其中，上位機網站分為學生用戶、管理員、教師用戶三個模塊。學生用戶可預約實驗室區域、查看預約記錄，學習報告上傳;管理員對學生的預約進行審核，為學生提前準備必要的實驗耗材，對實驗室區域進行監管，對實驗室的區域、設備的使用情況進行統計分析;教師用戶對學生所做實驗進行評分，對實驗項目成績進行統計分析，進而可修正調整實踐項目的內容。

下位機管理系統以ARM為核心進行架構，通過控制攝像頭和存儲模塊完成開放式實驗室現場的人臉識別功能，通過控制門禁和預約區域電源來完成對開放實驗室的現場管理。

2.2 系統在電子實驗應用中的主要流程

開放式實驗室管理系統在電子實驗應用中的主要流程，主要如下：

學生通過網絡在線提交姓名、班級、身份證號、手機號、學號以及本人的人臉圖像進行注冊→注冊通過后，學生在線選擇實驗區域、設備、實驗時間，填寫實驗耗材申請單，進行實驗預約→系統自動或管理員手動審核預約→預約成功后，學生在預約時間內到達實驗室現場進行人臉識別與預約系統比對，比對通過后，實驗室現場管理系統自動啟動門禁和預約區域的電源，學生可正式開展實驗→實驗結束或預約時間到后，實驗室自動關閉實驗電源，學生在線上傳和提交實驗數據。

3 開放式實驗室管理系統的應用效果

開放式實驗室管理系統采用“網絡預約+現場刷臉驗證+實時監控管理”的方式，將普通的電子實驗室改造為從早到晚、一周七天都開放的實驗環境，經過一個學期的試運行，將電子實驗室資源的利用率提高近20%，有近30%的學生在同一個項目進行2次以上的重復實驗，有近20%的學生開展了創新實驗項目，人數相對以往統計結果提升了1倍以上。

4 結束語

系統應用統計結果顯示，在電子實驗中使用開放式實驗室管理系統，有助于提高學生實踐動手積極性，提高實驗室設備資源的利用率，為學生實踐創新能力的培養提供了有力條件。但在實際應用中，隨著注冊預約的人數增加，還需要優化或重新編寫現場人臉識別算法，以大幅降低學生現場識別的時間，并且還需要根據系統統計結果進一步優化實驗室現場的設備區域劃分。

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