高校“智慧實驗室”的建設路徑探索

竇海娥

（南京郵電大學傳媒與藝術學院，江蘇 南京 210003）

隨著素質教育的全面推進，高校對于實驗課程的重視程度逐漸提升， 實驗課程在教學中的比重也逐漸增多。 因此，推進實驗室智能升級，加速科研創新成為高校信息化建設的一個熱點，“智慧實驗室”便應運而生。

“智慧實驗室” 基于分布式協同集中式統籌規劃的思想，在現有傳統實驗室的基礎上，融合各類人工智能技術，構建業務系統、中臺管理及智能預測一體化的智慧實驗室生態圈，最終目的是助力科研創新加速。 智慧實驗室旨在融合傳統實驗室與教育信息化以打造智慧化學習環境，指明了未來實驗室的發展方向與道路。

1 當前高校實驗室建設中存在的問題

無論是對于理工科還是文科而言，實驗教學都是課程教學中不可或缺的一部分，是學生將課本所學理論知識運用于實踐的一個重要方式。 實驗教學是基礎課堂教學的深化與補充。 隨著高校對于實驗教學重視程度的提升，越來越多的實驗室建設改革方案已被提出[1-4]，但現下，大部分高校實驗室建設中仍存在一些不可規避的問題。

1.1 實驗設備的管理問題

當下，高校實驗室，尤其是理工科實驗室中的儀器設備較為貴重， 很多設備必須進行定期檢修護理，但由于儀器數量龐大、種類繁多，并分布于不同的實驗室，在管理方面常容易出現混亂。 現階段傳統實驗室可能缺乏對儀器集中管理的平臺，對于不同時間購入的儀器難以精準定位，進行定期維修和更換，這可能在一定程度上造成實驗結果的不準確，減慢科研創新的速度，是不容小覷的問題。

1.2 實驗室使用時間調度問題

由于不同院系和同院系不同專業需安排不同類型的實驗課程，在基礎課堂教學安排完畢之后，對于空閑實驗室及各實驗室內設備使用時間的安排可能出現不均衡的現象。 因此，可以建立一個在線共享的實驗課程排布平臺， 既能提升實驗室相關工作的效率，又能使教學任務更加順利地推進。

1.3 實驗室使用后續管理問題

由于現下實驗室一般采用人工管理，實驗室中儀器、空調、多媒體用具及照明用具等在使用后的關閉均由人工操作，不僅十分耗費人力資源，而且在一定情況下可能會造成能源資源的浪費。 在人工智能發展迅速的時代，可考慮對實驗室供電系統和儀器使用系統進行智能化管理，實現用電設備的遠程操控。

2 智慧實驗室內涵的探討

教育部于《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》中指出，要“打造適應學生自主學習、自主管理、自主服務需求的智慧課堂、智慧實驗室、智慧校園。 大力推動互聯網、大數據、人工智能、虛擬現實等現代技術在教學和管理中的應用”[5]。 當前，“智慧實驗室”尚無特定統一的概念。 智慧教育的本質在于技術化、信息化，其基本特點就是數字化、網絡化、智能化和多媒體化，是教育現代化的必由之路，而智慧實驗室建設則是推進智慧教育的必要一步[6]。簡而言之，“智慧實驗室”是打造“智慧校園”的重點部分，是學校信息化發展到一定階段時應運而生的。

有學者提出，智慧實驗室以現代教育理念為指導方針， 基于物聯網技術構建能夠全面感知的物理環境，基于互聯網構建開放、互動、共享的綜合實驗室信息服務平臺，基于智能控制技術構建可視化、智能化的自動化管理和監控，基于云計算、大數據等技術實現實驗教學過程的可視化采集、傳輸、交互、評價、應用和服務[7]。

文章認為， 智慧實驗室通過運用新一代信息技術，以實現實驗室全環境及實驗教學全過程的智慧化管理為目的，完成實驗設備的智能化升級及其與實驗室的有機融合，打造一個既能夠推進實驗過程，又能深化教學效果的智慧化學習環境。 智慧實驗室管理系統可結合先進的云計算技術、物聯網技術、大數據技術、生物識別技術、手機App 技術等，改變傳統實驗室流程煩瑣、管理不便的現狀。 通過對現有的實驗室的智能化升級，能夠實現對高校實驗室使用時間的智能分配、實驗人員身份的智能識別、實驗室狀態的實時監控、實驗設備的遠程操控以及實驗室內用電系統的隨時管控。 在大數據和多媒體技術快速發展的背景下，智慧實驗室建設的可行性極高，也具有十分有價值的現實意義。

智慧實驗室建設工程任重而道遠，是校園信息化道路之中的一項長期工程， 為保證項目的順利推進，學校必須建立健全相應的項目組織機構和項目運行保障機制，并且明確相關人員職責。 此外，要確保各種智能技術與實驗室基礎設備的順利對接，以保證實驗室管理系統智能化升級的順利推進，將其對于項目的支撐作用落到實處。

3 智慧實驗室建設所需關鍵技術

智慧實驗室可以在現有實驗室基礎硬件設施上，將實驗室的基礎設備和現有系統與新一代信息技術融合在一起，建設成能夠全面感知物理環境、智能化管理與控制等的智慧型實驗學習基地，推動實驗室建設的更細化管理， 打造一個能夠實現動態化管理、全時空管理、全要素管理、全生命周期管理的智慧實驗室生態圈。 在智慧實驗室建設過程中，需要很多關鍵技術的支撐。

3.1 大數據技術

大數據技術，通俗來講，就是采取一些特殊分析方法對海量數據進行有效的處理，比如對目標數據進行抓取、對不同類型的數據進行精確分析等，以此達到把脈數據現狀并預測未來結果的目的。

在對傳統實驗室進行智能化升級的過程中，如建立在線實驗室使用調度平臺、 儀器智能管理平臺、能源使用智能管控平臺等，定會產生大量的不同類型的數據，而大數據技術不僅能夠處理簡單數據，還能對文本數據、聲音數據及圖像數據這些更為復雜的數據進行精確分析。 除此之外，對于一些零散數據，也可利用大數據技術深入挖掘其中的潛藏價值。 因此，在智慧實驗室構建與管理方案的研究中， 大數據技術能使所有智能化業務管理更加便捷和深入，是不可或缺的。

3.2 云計算技術

大數據與云計算的關系在技術層面猶如一枚硬幣的正反面，互相關聯，密不可分。 大數據的特色在于對海量數據進行分布式數據挖掘，僅僅單臺計算機無法對大數據進行處理，它必須依托云計算的分布式處理、分布式數據庫和云存儲、虛擬化技術才能夠實現。結合云計算技術和大數據技術后的智慧實驗室不僅能夠對實驗室網絡進行統一管理，而且可以實時記錄并存儲實驗教學情況或實驗設備使用情況的相關數據，對這些數據進行全面分析，通過分析結果來進一步優化實驗室管理方案和教學計劃，既能提升實驗教學的效率， 又能使實驗室系統的運算速度得到提升，便于實現數據共享，可謂一舉多得。

3.3 生物識別技術

生物識別技術指的是將計算機與光學、 聲學、生物傳感器和生物統計學原理等高科技手段密切結合，利用人體固有的生理特性（如指紋、五官、虹膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態等）來進行個人身份的鑒定[8]。

在各種生物識別技術中，虹膜識別的準確性是最高的。 因此，智慧實驗室可以利用虹膜識別技術對實驗人員進行統一身份認證及管理，以此作為實驗室準入準出的“通行證”。 所有進入實驗室的人員必須進行虹膜識別調取身份信息，離開實驗室時也需要進行同樣的操作，這樣對于所有人員身份及其進出實驗室的時間均可以進行精準監測，保證了實驗室人員身份及設備接觸的透明化。 同時，在條件允許的情況下，對于實驗設備的開啟關閉也可借助該技術進行識別操作，以保證實驗過程的安全。

3.4 物聯網技術

物聯網是按照約定的協議，將具有“感知、通信、計算”功能的智能物體、系統、信息資源互聯起來，實現對物理世界“泛在感知、可靠傳輸、智慧處理”的智能服務系統[9]。 物聯網可使用信息傳感設備，如射頻識別（RFID 技術）、紅外傳感器、激光掃描儀和氣體傳感器等，將物物均連接到互聯網以進行信息交換。 利用物聯網可以建立實驗室設備和實驗室管理系統之間的獨特聯系，以此來精準定位設備位置、類別等信息，對實驗室內各設備可進行智能識別、定位、跟蹤及監控，實現設備的智能化集中管理，對于實驗室網絡管理也更加方便。

智慧實驗室中， 可利用不同頻率的RFID 設備實現實驗室的全方位智能管理。 比如，可以使用工作在120KHZ-134KHZ 頻率段的RFID 設備用于實驗室人員的身份核驗及教學考勤等[10]。 進出實驗室的教師和學生通過刷卡來調取身份信息及其使用的設備的相關信息，并上傳至實驗室管理系統數據庫中。 一些高頻RFID 設備還可被用于實驗設備的管理， 實現設備的精準定位，對于設備使用年限等信息都可以精準調取，便于對實驗設備的定期維護，確保實驗設備的精準度，使每次實驗的質量能夠得到保證。 當實驗設備被惡意破壞時，這些RFID 設備也能夠檢測到，并及時觸發實驗室系統報警功能。 另外，可利用氣體傳感器實時監測實驗室環境，如當實驗室出現火災等異常現象時，實驗室管理系統能及時得到告警反饋，及時降低實驗室損失，提升實驗室的總體安全性。

3.5 手機App 技術

為使智慧實驗室的建設進一步實際化，可以設計一個用于實驗室全方位管理的App，即完成實驗預約、實驗設備管理及實驗室后續管理等一系列操作的全方位智慧型管理系統。

其中，實驗預約包括空閑實驗室預約、實驗設備使用申請等，教師或學生可以通過此App 預約空閑實驗室進行教學活動或科研實踐，對于實驗需要使用的設備種類及數量也需要進行相應的登記，所有登記的信息均上傳至App 后臺，這樣既能夠保證不同院系間實驗課程安排更加井然有序，也能準確地對實驗設備使用情況進行監督。 實驗室設備管理包括設備開關及使用監控， 借助一些RFID 設備實現整個實驗過程的全程監測，以保證師生實驗過程的規范性和實驗設備的安全性。 實驗室后續管理包括實驗數據的上傳、實驗報告的智能生成及對使用后設備的性能檢測，便捷分析實驗結果，保證設備無受損和不規范使用情況。

同時， 可將各類設備信息也傳至App 后臺數據庫， 結合大數據技術還能夠實時追溯設備購入年限、損耗情況等數據， 實現實驗設備的全方位信息化管理，保證實驗設備的及時更新，防止因設備極度老化而導致實驗結果出現偏差無法達到預期。 除此之外，還可利用此App 對實驗室的照明設備及設備用電系統進行遠程操控，避免了人工控制，節約了人力資源，使得實驗室管理更加便捷可行。

4 結語

文章分析了當前高校實驗室中存在的一些突出問題，并給出了改進建議，然后進一步探討智慧實驗室的內涵，明確了智慧實驗室的現實意義。 智慧實驗室是推進智慧校園建設的關鍵一步，文章通過分析相關技術在實驗室建設中的支撐作用，給出了其于智慧實驗室建設工程中的具體應用方案，證明了智慧實驗室項目的可行性。

總之，智慧實驗室建成后定能大幅提高實驗室的實驗教學質量及資源管理水平，節約人力資源，減輕實驗室管理人員的工作壓力，為廣大師生提供一個既能進行實驗教學又能推動科研創新的實踐基地，為培養信息化人才提供了有力支撐。 智慧實驗室能夠徹底改變以往傳統實驗室滯后的管理模式，使實驗室管理向著便捷化和智能化的方向發展，是推進傳統實驗室信息化的關鍵一步。 探索可行的高校智慧實驗室建設路徑，具有極其深遠且有價值的現實意義。