智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)的思考

方宏件

摘? 要 根據(jù)中小學實驗教學與管理現(xiàn)狀，分析梳理智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)的內涵與特征，闡述智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)的實際需要。在此基礎上，對其進行架構，闡明各個功能模塊的需求，給出關于智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)的幾點思考與建議。

關鍵詞 教育信息化;智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng);智慧教育;人工智能;實驗室;危化品室

中圖分類號：G482? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）03-0012-03

1 引言

強化實踐教學，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力以及科學素養(yǎng)的綜合型人才是新時代的要求。隨著教育信息化2.0的實施和智慧學校建設的不斷深入，將進一步推動現(xiàn)代信息技術與教育教學深度融合，對促進教育公平，提高教育質量，培養(yǎng)現(xiàn)代化建設所需高素質人才提供強有力支撐。

據(jù)調查，筆者所在的安徽省的絕大多數(shù)學校對實驗教學、實驗室日常管理工作仍處于手工階段，僅有極少數(shù)學校能運用信息化手段進行管理，也取得了一定的成效，但仍處于探索和試點階段。因大多數(shù)管理系統(tǒng)僅考慮實驗教學與管理工作的部分因素，未能形成智能一體化效應，影響了使用效果。

2 智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)的設計理念

實驗室作為實踐教學中的重要場所，在學校的教學中扮演了重要的角色，實驗室的儀器、耗材、低值品等的需求也越來越大。隨著現(xiàn)代實驗室管理工作與教學檔案資料建設的開展，傳統(tǒng)手工紙質的登記管理方式，已經跟不上教育信息化發(fā)展的需求。縱觀國內大多數(shù)通用中小學的實驗室管理軟件，其功能主要針對儀器設備、藥品耗材的管理，忽略了對實驗教學內容、教學過程的管理，而將兩者緊密結合，實現(xiàn)實驗教學與管理的綜合性軟件少之又少。

隨著信息技術的發(fā)展，物聯(lián)技術的逐漸成熟，信息技術與實驗教學、學科應用融合程度越來越高，其發(fā)揮的作用也越來越大。實驗教學與管理迫切需要以信息技術為支撐，形成事聯(lián)、人聯(lián)、物聯(lián)“三位一體”的綜合管理應用信息系統(tǒng)。要實現(xiàn)中小學理科實驗室管理與應用的“四化”目標，即實驗室管理更加標準化，實驗教學內容更加規(guī)范化，實驗室預約安排及儀器設備領用流程更加智能化，危化品領用歸還真正落實“雙人制度”，各項實驗資料實現(xiàn)電子化。學校及教育主管部門要及時了解各校實驗課程開設及完成情況，用標準讓教師有據(jù)可依，用智能技術讓教師減負增效，從而推動實驗教學的開展，培養(yǎng)學生的動手能力，促進城鄉(xiāng)教育均衡發(fā)展。

3 智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)的需求

智慧教育是教育信息化的發(fā)展趨勢，必須以先進的理念支撐正確設計智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)，一方面要改造學校實驗室、儀器（藥品）室的環(huán)境和軟硬件設施;另一方面要引入云計算、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)、人工智能等新技術，實現(xiàn)教學與管理模式的變革與創(chuàng)新，構建一個從設備到數(shù)據(jù)全面打通，從教學活動、器材管理到數(shù)據(jù)評價全面融合的整體框架。智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)必須滿足以下需要。

明確職責，分工協(xié)作? 能結合實際情況設置系統(tǒng)管理員、實驗室管理員、學科教師、危化品管理員、分管領導及主管部門角色，既明確角色工作職責，又能協(xié)同管理。

系統(tǒng)管理員擁有最高權限，能對系統(tǒng)的初始化設置、人員角色、功能權限、教材版本、實驗（儀器）室、器材標準、工作流程等進行全方位管理。

學科教師根據(jù)所帶學科、班級、課程表等信息，自主進行實驗室（器材）的預約、查詢等功能，自動形成實驗教學過程性資料。

實驗室管理員針對實驗儀器的采購、入庫、標定（上架入櫥）、報損，以及開展實驗教學時實驗室安排，實驗儀器藥品的領用、歸還、報損等方面進行管理，能同步查詢、統(tǒng)計及打印。

危化品管理員能針對危化藥品的存儲、使用、處置環(huán)節(jié)重點審核，利用不相容權限設置，落實雙人收發(fā)、雙人記賬、雙人雙鎖的管理制度。

學校及教育主管部門能實時對實驗教學開展、實驗室管理、危化品使用等情況進行查詢，對相關指標進行統(tǒng)計分析。

實驗器材規(guī)范管理

1）教學內容規(guī)范化。組織學科工作室根據(jù)課程標準的要求，將各學科實驗教學內容及所需實驗器材逐項梳理后預置系統(tǒng)內，既可供教師參考，也能快速預約安排，還可以提供個性化實驗需求。

2）實驗管理規(guī)范化。根據(jù)教育部實驗室裝備規(guī)范配置各學科實驗教學中所需的儀器用品、藥品耗材;能根據(jù)日常實驗教學使用情況實現(xiàn)實驗儀器耗材的庫存預警，自動形成采購計劃;能根據(jù)中小學實驗室規(guī)程對教學儀器進行合理分類、規(guī)范存儲、標定上柜;能滿足學校資產管理、數(shù)據(jù)匯總等要求。

3）危化藥品規(guī)范化。以信息手段綜合人防、物防、技防措施，建立中小學實驗室危險化學藥品管理的長效機制，消除安全隱患。設置不相容職務管理權限，落實雙人協(xié)同管理危化品制度，實時采集危化品室人員出入音視頻信息，上傳危化品領用歸還處理信息，對危險化學品監(jiān)管等進行全程綜合管理。

4）流程管理規(guī)范化。能根據(jù)不同規(guī)模學校設定管理流程，把控重點工作流程，減少輔助流程和環(huán)節(jié);把以人為主體的分工模式轉變?yōu)橐月毮転橹黧w的分工模式，限定不相容職務管理權限;將高效的管理制度固化，將合理的流程進一步優(yōu)化，將實驗教學工作與實驗室管理工作無縫銜接;讓學科教師與實驗室管理員能在每個環(huán)節(jié)上分工協(xié)作、協(xié)同處理，實現(xiàn)全程一體化管理，提升學校實驗教學與管理水平。

檔案資料自動留存? 各學科教師在通過系統(tǒng)軟件開展實驗教學時產生的教學計劃、預約申請、實驗安排、儀器領用（歸還）、教學完成情況的記錄，實驗室管理員對實驗儀器藥品的采購、入庫、登記、上架、借用、歸還、報損、處置等環(huán)節(jié)的記錄，其他管理員協(xié)同處理的記錄，以及通過門禁、視頻等方式實時抓取的音視頻、圖片等數(shù)據(jù)，都將實時同步上傳到服務器，實現(xiàn)實驗教學與管理工作檔案資料的電子化，實現(xiàn)各類表單、賬冊的數(shù)據(jù)一致化，實現(xiàn)賬物動態(tài)實時化，既能減輕各學科教師、管理員的工作負擔，也可有效提高工作效率。

教學管理監(jiān)督分析? 因所有實驗教學與管理工作的相關數(shù)據(jù)均能實時上傳到服務器中，數(shù)據(jù)價值能得到充分體現(xiàn)。首先要滿足各學科教師和實驗室管理員對實驗教學計劃、教學內容、課程開設、完成情況等進行查詢、對比;學校及教育主管部門能夠及時了解各中小學實驗課程開設及完成情況、實驗室日常管理工作情況，可實現(xiàn)全方位、多角度、無盲區(qū)的有效監(jiān)管;還可利用大數(shù)據(jù)及人工智能技術深度挖掘數(shù)據(jù)有效價值，展開橫向、縱向對比分析，實現(xiàn)區(qū)域間數(shù)據(jù)共建共享，促進區(qū)域實驗教學與管理工作的整體提升。即使出現(xiàn)實驗教學與管理工作意外事件也可追本溯源，查找事故真實原因。

4 智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)的開發(fā)架構

考慮區(qū)域協(xié)同及管理需求，采用C/S架構，利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務合理分配到服務器（Server）端和客戶（Client）端來實現(xiàn)，實現(xiàn)一平多端使用模式。

1）服務器端使用硬件服務器，架設MS-SQL Server數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，設置軟件版本、教材版本、用戶信息、學校及班級、學校實驗室、實驗設備采購、設備位置、設備庫存信息、實驗目錄、儀器目錄、實驗教學等信息表單。

2）客戶端使用VB 6.0編程語言，設置實驗管理、儀器管理、學校信息、信息查詢、基礎信息、系統(tǒng)維護等功能模塊。

5 智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)的功能設計

為更好地實現(xiàn)智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)的功能需求，必須充分利用云計算、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、無線互聯(lián)、人工智能等新一代技術手段，形成事聯(lián)、人聯(lián)、物聯(lián)“三位一體”的綜合管理應用信息系統(tǒng)。

智能感知? 通過人臉識別，在教師開展實驗教學時可自動抓拍并上傳圖像，做好過程性資料收集。在進入危化品室時，能通過紅外設備感知，人進燈亮、通風排氣扇自動打開，視頻監(jiān)控自動抓拍人臉圖像。

多端應用? 要能滿足教師、管理員在有線、無線環(huán)境下，用電腦、平板、手機端等方式進行登錄應用，既能在局域網內使用，也能通過互聯(lián)網操作。

物聯(lián)網技術? 因實驗儀器設備、藥品耗材品種數(shù)量繁多，要實現(xiàn)信息化管理，可使用條碼掃描技術，利用不干膠標簽紙打印條形碼及附注的標簽進行定位、管理;有條件的學校還可以利用RFID（無線射頻識別）標簽等物聯(lián)網技術來對高價值的設備、危險化學藥品等進行無感知定位和管理。

智能環(huán)境集控? 實驗室、危化藥品室安裝有視頻監(jiān)控設備進行圖像、音視頻的收集。危化品室還可安裝溫度、煙霧、紅外等傳感器及定時通風排氣設施，利用指紋、人臉識別等生物信息或密碼鎖的方式落實雙人管理制度。

教學資源支撐? 能根據(jù)現(xiàn)行教材版本列出所有實驗目錄，細化每項實驗內容所需儀器藥品的規(guī)格型號及品種數(shù)量，并將之規(guī)范化、標準化后作為初始化默認模板信息共享，提供個性化實驗內容、儀器藥品等個性化選擇。

大數(shù)據(jù)與人工智能? 能根據(jù)實驗安排與實驗內容等基本信息，自動生成實驗記錄和教學日志;能同步記錄儀器藥品出入庫、登記賬表，智能庫存預警，提供儀器藥品動態(tài)信息。通過教學計劃、課程安排、實驗開展、儀器（藥品）領用情況，統(tǒng)計實驗開出率、完成率;通過人臉識別技術和學生行為數(shù)據(jù)，對教學效果進行分析;還可展開教師、學科、學校間橫向、縱向等多維度的對比分析，實現(xiàn)區(qū)域間的數(shù)據(jù)共建共享。

權限制約? 危化品室可利用指紋、人臉等不可替代的生物檢測技術來設置雙鎖，分由雙人管理，輕松實現(xiàn)不相容職務分離，防止雙人管理制度落空。

6 智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)的幾點思考

智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)要保持長久的生命力，需要及時更新數(shù)據(jù)，提升專業(yè)化水平，優(yōu)化使用體驗。

基礎數(shù)據(jù)收集? 隨著教材版本變化及時更新實驗目錄與實驗內容，對各學科實驗要求、所需實驗儀器設備、藥品耗材等大量數(shù)據(jù)進行收集整理，并使之標準化、規(guī)范化、流程化，需由專業(yè)學科工作室來做好數(shù)據(jù)的維護與更新。

實驗器材更新? 隨著科技進步，效果更明顯的新型實驗儀器不斷推出，而國家儀器標準未及時更新，新的儀器標準、編號不統(tǒng)一，系統(tǒng)無法提前預置統(tǒng)一的名稱、編號;建議在學校自制或自備欄目可自行添加、補充和完善，在統(tǒng)一標準、規(guī)范下，預留個性化的空間。

軟件系統(tǒng)開發(fā)? 使用智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)能減輕教師工作負擔，提升實驗室管理員和學科教師的工作效率。但因軟件開發(fā)工作專業(yè)性強，限于個人、課題組的專業(yè)能力、業(yè)務水平、工作時間、工作經費等因素的限制，應由專業(yè)化軟件公司進行開發(fā)，由學校專業(yè)教師、實驗室管理員、教育主管部門協(xié)助配合，理論與實踐相結合，不斷完善軟件功能。

系統(tǒng)使用推廣? 對于智能一體化實驗教學與管理系統(tǒng)軟件的使用，目前沒有統(tǒng)一的行業(yè)標準，不同的軟件廠商對軟件的理解也不盡相同。因此，需要從中小學校實驗教學與管理工作的實際情況出發(fā)，先行試點探索，待取得經驗后，再將試點的經驗和做法推廣開來。

參考文獻

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