開放式實驗室運行機制的研究與設計*

吳玲敏 楊海玲 肖麗娟 常瑞晴 魯成秀

（山東師范大學地理與環境學院）

高校實驗室是培養學生嚴謹求實的科學態度、激發學生探索創新的欲望、提高學生綜合能力的重要基地。實驗室的建設與管理在高等教育中有著舉足輕重的地位[1,2]，目前高校實驗室存在儀器利用率低、資源信息共享度低等問題[3,4]，傳統的封閉式管理模式對創新應用型人才的培養造成了阻礙，開放共享的新型實驗室運行機制成為高校實驗室的新需求。

本文結合微信小程序（Lab Sir）、NFC（Near Field Communication)技術設計開放式實驗室運行模式[5,6]，從實驗室預約、安全知識考察及實驗室安全管理等方面進行創新，立足于學生，在實驗室預約系統、信息管理系統、培訓考核系統及安全監控系統中設計創新點，讓學生成為實驗的主體，能更加安全有效地進行實驗。一方面以簡單的開放式管理模式為尚未引入“智慧實驗室”的高校提供新思路，另一方面打破現階段部分正進行實驗室改革的高校以智慧設施建設為重心的做法，其運行機制的更新未跟上設施更新的步伐，要將側重點轉移到學生使用與實驗能力培養上，把“智慧設施”真正用起來，推進高校開放式實驗室的建設。

一、高校實驗室管理現狀

目前國內市場中實驗室信息管理系統定制費用較高，在高校中未能全面普及，僅部分經費充足的高校院系引入了智慧實驗室，全國大部分高校實驗室依然遵循較為傳統的管理模式，近幾年高校實驗室安全事故頻發與其不無關系[7]，除安全問題外，陳舊的管理模式也不利于學生實驗能力和創新意識的培養。

高校實驗室主要用于本科生的實驗教學以及科研項目，就本科教學階段而言，學生的實驗課程時間有限，教師對學生的實驗安全教育以及實驗設備操作培訓通常在實操過程中完成，比較倉促，難以確定學生是否已經掌握。實驗室準入制度過于程式化[8]，學生憑借背誦記憶便能通過理論考試，安全意識并未落實到實處[9]，因此學生往往存在對實驗設備運行安全、危險品的使用和存放認識不足、應急能力缺乏以及廢棄物的處置方法不明確等問題[10]。在實驗室安全教育方面，學生能得到的培養有限。

其次，在極其有限的教學時間內，部分學生的實驗需求也難以得到滿足[11]，而自主申請實驗室程序復雜，實驗室一般由老師管理鑰匙，借用實驗室需手工填報，費時費力，效率較低，一般實驗室內缺少監控，本科生獨立實驗存在較大的安全隱患，因此本科生很少有機會進行獨立實驗。

現階段高校建設智慧實驗室、共享實驗室已是大勢所趨，大部分高校已經進入了實驗室管理改革的新時期，就部分已經引入智慧實驗室的高校來看，都將重心落在了基礎設施的建設上，如智能互聯實驗室所有設備、后臺統一管控等硬件方面，這的確提高了實驗室管理效率，但在規定制定、學生使用過程說明等方面的細節落實不足，未能激發起學生獨立實驗的興趣，不利于今后自主實驗的常態化。

二、開放式實驗室的設計

開放式實驗室的構建結合Lab Sir以及NFC技術展開，該架構包括實驗室預約系統、信息管理系統、安全監控系統、培訓考核管理系統，如圖1所示。

圖1 開放式實驗室架構示意圖

開放式實驗室架構以學生為主體,實驗室預約系統使學生通過Lab Sir進行實驗室及危險藥品預約，還可通過小程序學習實驗室安全知識[12]；信息管理系統主要包括實驗室使用情況、器材存量、人員信息等的收集整理；安全監控系統通過實時監控對講裝置不但能實現監控，學生還能使用對講功能與指導老師進行溝通；培訓考核系統針對學生進行相關法律法規、應急事故的處理、實驗基礎操作等方面進行考核培訓。實驗人員實驗流程圖如圖2所示。

圖2 實驗人員實驗流程圖

（一）實驗室預約系統

實驗室預約系統主要借助Lab Sir小程序，設計學習資源、實驗室預約及實驗反饋等板塊[13]。在學習資源中分享了如儀器設備操作、實驗室安全常識、應急處理方法等文章，學生可以隨時登錄小程序瀏覽學習；在實驗室預約板塊，供學生查詢實驗室、預約實驗室，學生選擇實驗室后，須填寫姓名學號等個人信息，還須上傳安全知識測試單和預約實驗報告[14]，提交后等待管理員審核。在實驗反饋中設計師生反饋通道，以便用具損壞、儀器故障能及時上報[15]。實驗人員進入實驗室前需先通過Lab Sir操作完成預約，允許后即可進入實驗室進行實驗。圖3、圖4、圖5為Lab Sir小程序的二維碼、首頁局部截圖及預約實驗界面。

圖3 Lab Sir二維碼

圖4 Lab Sir小程序首頁局部截圖

圖5 Lab Sir預約實驗界面

（二）信息管理系統

在傳統實驗室中，大型儀器設備的信息展示依然采用在儀器上貼標簽的方式，標簽信息更新困難，實驗儀器的使用手冊存在易丟失的狀況，且在實驗過程中，使用手冊數量有限，難以滿足大量學生的使用需求。此外，實驗室鑰匙一般由教師保管，學生進出實驗室須手寫登記，程序較為繁瑣。NFC技術憑借著安全快速、簡單低功耗的特點可以化解這一難題，可滿足學生對開放式實驗室的使用需求。

本研究NFC的工作模式可以分為兩種，主要為卡模擬模式、讀卡器模式?？M模式屬于被動通信模式，主要應用于非接觸移動支付，廣泛應用門禁的管理，其極大優勢在于通過NFC終端讀卡器的RF場來供電，不需要電的支持也可以完成相關操作，在本研究中主要體現在門禁系統的使用上。讀卡器（讀寫）模式屬于主動通信模式[16]，主要應用于信息獲取，將支持NFC的手機靠近帶有NFC功能的標簽，通過NFC應用程序展示預先設定的內容[17]，在本研究中主要體現在當學生在實驗室中想要使用某種儀器時，只需通過支持NFC的手機去掃描相應的標簽，便能瀏覽該儀器的信息，包括儀器的名稱、使用方法或使用視頻等內容，讓學生在無老師指導的情況下也可以學習有關儀器操作的知識。

信息收集整理主要包括實驗室信息表、人員信息表、儀器耗材信息表、實驗室安全管理條例，將其導入小程序中，便于學生查詢相關信息，如空閑實驗室查詢、危化品申請等，在小程序中，還需定時上傳實驗教學視頻，以供學生學習。信息庫不僅便于學生查詢信息，也對實驗室管理人員的管理工作提供了極大的便利。

（三）安全監控系統

安全監控系統的主要目的是提高實驗室的安全性，避免偷盜事件的發生。實驗室管理人員可對學生實驗操作過程進行實時監控，提高管理效率。此外，學生和值班教師通過監控設備進行語音溝通，在第一時間能夠進行問題交流與反饋。通過電腦或手機客戶端借助語音功能對實驗室狀況的實時反饋，如遇突發情況，指導老師或管理員也能夠在第一時間給予指導或前往實驗室進行及時處理。監控設備的使用既保證了實驗室的安全性，也為學生創造獨立自主完成實驗操作的實驗室環境，在提高效率的同時也保證了安全性。

（四）培訓考核系統

培訓考核系統面對的主體主要是學生，旨在考查學生實驗室安全知識的掌握情況，其考察內容主要包括國家頒布的實驗室相關法律、法規等，以及制定的應急預案、儀器設備的使用和急救措施等理論知識，如如何使用滅火器和消防栓進行火災，如何從事故中的實驗室逃生，發生觸電事件后如何應急處理等[18]?？己说男问街饕獮楣P試，定期在Lab Sir中發布測試題，所有人員使用自己的賬號登錄進行答題，提交后成績再自動判定，借此考察動手操作能力和基本知識的儲備強弱水平。

除理論學習外，各班每學期開展一次及以上的實驗室安全教育活動，如組織講座、應急演練等[19,20]，以將所學落實到實處。

三、結語

開放式實驗室架構從為學生創造開放式實驗室的角度出發，為學生提供從實驗室預約、儀器使用學習到實驗中遠程協助的一條龍服務，可從一定程度上滿足學生自主進行實驗操作的需求，培養學生的實驗素養和創新能力，同時還能提高實驗室資源利用效率，為高校學生創造一個更便捷的實驗模式、學習模式，以及更安全的實驗環境。

當然，要實現高效安全的開放式實驗室建設并非易事，運用本文所研究的開放式實驗室運行機制，借助小程序和NFC進行管理，在一定程度上可以提高實驗室的利用效率和學生的學習效率，簡單的預約流程也有助于激發學生的實驗興趣，但是，開放式的實驗室意味著更大的人員流動，因此在管理規范的問題上依然不容忽視，所有流程應當制定詳細的規定，實現規范化，本文研究的運行機制在具體實踐中還需進一步完善。除了制定詳細的規定外，開放實驗室的落地還需要足夠的資金支持，開放式實驗室意味著實驗室的使用率提高，會消耗更多的試劑及折舊更多的器材，因此足夠的資金是基礎。開放式實驗室的實現并非一朝一夕之事，需要在這個漫長的過程中一步一步地改進，才能達成安全高效的目標。