高校開放實驗室智能管理系統構建

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.040

摘 要 高校開放實驗室智能管理系統的建立不僅能夠滿足學生開展創新實踐的內在需求，使實驗室成為學生開展創新創業活動的重要基地和平臺，而且在面對大規模傳染性疫情等突發性公共衛生事件時，采用該系統，既能有效控制疫情擴散，又能在疫情常態化防控時維持正常的教學秩序。

關鍵詞 高校；開放實驗室；實驗室智能管理系統；實驗室安全

中圖分類號：G482 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0040-04

0 引言

2020年初，新冠疫情暴發，一時間工廠停工、學校停課，很多高校的實驗和實踐教學及實驗室管理工作基本處于癱瘓狀態。因抗擊疫情需要，學生只能暫時進行理論知識學習，實驗和實踐學習暫停。突發疫情無疑成為學生實踐技能培養乃至高校順利完成人才培養計劃的攔路虎，但時間不等人。

1 高校實驗室現狀和開放型管理模式的

提出

1.1 高校實驗室現狀

目前，我國高校大部分實驗室普遍存在以下幾方面的問題。

1.1.1 進出人員復雜，管理困難 實驗室進出人員復雜，包括實驗管理人員、教師、學生和實驗室維修人員等，各種人員對實驗室情況了解程度不一，對實驗室規章制度掌握程度不同，這就造成人員管理困難。

1.1.2 實驗資源損耗嚴重和利用不充分 大型精密儀器設備對操作人員技能要求高，設備損耗和維護費用也較高；實驗耗材種類繁多，采購和管理任務重；學生在使用過程中難免存在浪費現象；各類實驗室因其性質不同、使用頻率不同，導致實驗室場地不足和閑置現象并存。

1.1.3 實驗室安全隱患較大 實驗室安全是實驗教學順利開展的基礎。實驗室安全問題包括實驗室無人值守安全管理問題、安全隱患問題、學生操作失誤造成的實驗室損失問題、開放實驗室系統控制問題、危險化學品使用問題、危險實驗項目管理問題等。目前，高校實驗室試劑安全管理中存在使用試劑師生安全意識淡薄、安全責任不明確、安全制度不健全、采購源頭多樣、產品質量與服務參差不齊、化學品存放不當、危廢物不能有效回收和恰當處置等問題[1]，存在較大的安全隱患。

現在大部分高校的實驗室是實驗教學場所，教師講授為主，時間有限，學生人數眾多，實驗課上學生真正自己操作的時間很少，甚至有學生由于教師疏于監管而應付了事，錯過實際操作的機會。這種實驗教學的現狀導致學生學習被動、動手能力弱、創新思維缺乏。

1.2 開放型管理模式的提出

開放實驗室的提出源于高校創新創業人才培養規劃，以學生實驗操作能力的提高為最終目標，旨在激發學生自覺動手實驗的興趣，培養學生自主創新實驗的能力。高校實驗室智能管理系統以合理分配實驗室資源、簡化實驗室管理為目的，將實驗室資源連入云端并配備完善的安全監測系統，使用戶在云端實時掌握實驗室的資源狀況和設備的運行狀態。通過在線預約實驗室、掌上管理實驗室，達到高效利用實驗室資源、提高課堂教學效率、減輕實驗室管理人員管理壓力的目的。

實驗室對外開放共享是實驗室適應當前社會發展的必然選擇，而如何實現真正意義上的開放，需要實驗室結合創新創業教育不斷創新管理模式，改進教學組織形式，豐富教學育人手段，真正為學生營造一個可供其獨立思考、自由發揮和自主學習的良好實驗環境。

高校開放實驗室智能管理系統的構建旨在有效應對突發性公共衛生事件，面對突發疫情時既能有效控制疫情擴散，又能維持正常的教學秩序；并且能夠滿足學生開展創新實踐的內在需求，使實驗室成為學生開展創新創業活動的重要基地和平臺，也為學生參加“互聯網+”大學生創新創業大賽及各種競賽提供強有力的后盾。

2 高校開放實驗室管理系統設計方案

實驗室開放式管理模式要由一系列行之有效的開放實驗室規章制度為頂層設計，一套實驗室開放式管理系統為支撐，以安全可靠的監控防范系統為保障，最大限度地分配好高校實驗室資源，實現實驗室開放管理的智能化、規范化和流程化。高校實驗室智能管理系統從開放實驗室管理制度的擬定、管理系統軟件設計、監控防范系統設計等方面展開研究，如圖1所示。該系統可從根本上解決突發性公共衛生事件期間實驗室的持續使用問題，緩解實驗資源損耗高和利用不充分問題，大幅降低實驗室安全隱患。

3 開放實驗室管理制度的擬定

探索新形勢下實驗室安全管理的對策，是高校當前面臨的一項緊迫任務。行之有效的開放實驗室管理制度是智能實驗室管理系統推行的基礎。以現有實驗室規章制度為基礎，結合各實驗室學科性質，綜合考慮高校實驗資源現狀，預測開放型管理模式會出現的各種問題和對應措施，擬定一系列開放實驗室管理制度，主要包括人員管理、資源管理、管理系統、安全管理等四個方面。

通過微信小程序、公眾號發文推送和實驗室內制度張貼的線上線下相結合的方式，向所有實驗室相關人員普及開放實驗室管理制度，并在智能實驗室管理系統中設置管理制度學習模塊和測試模塊，通過測試后方可獲取使用開放實驗室的權限。其中實驗室安全管理規定作為重點推送，也可將實驗室安全規范課程作為專業必修課納入學生培養計劃中。

4 智能開放實驗室管理系統設計

該系統客戶端分為電腦端、手機端APP和微信小程序。教師和實驗管理員以管理員身份登錄，申請使用實驗室的學生及其他人員以用戶身份登錄。電腦端網站頁面如圖2、圖3所示。

4.1 智能實驗室管理系統客戶端設置

4.1.1 管理員身份設置模塊

1）信息發布模塊：發布開放時間、地點等信

息，發布開放實驗室管理制度，發布通知和動態等。

2）監控模塊：監控各種實驗資源使用狀態，監控學生實驗過程，監控實驗室感應系統狀態。

3）查詢模塊：統計實驗室資源使用率、耗材使用和庫存情況。

4）審核模塊：審核用戶使用實驗資源權限的申請。

5）實驗教學資源管理模塊：上傳和管理實驗教學資料、視頻、題庫等。

6）教學互動模塊。

4.1.2 用戶身份設置模塊

1）查詢信息模塊，可顯示實驗室和儀器占用與空閑狀態，實驗室可預約時間和容納人數。

2）用戶信息錄入模塊。

3）資源預約申請模塊。

4）資源學習模塊，包括實驗項目內容、操作視頻及安全提示，實驗設備操作流程，視頻及安全提示。

5）制度考核模塊。

6）身份認證獲取權限。

4.2 智能實驗室管理系統的實現方式

使用射頻識別技術和新型Wi-Fi模塊，結合網絡云服務器開發手機端APP軟件和微信小程序，能夠在不對現有實驗室格局進行大幅改動的情況下，投入少量改造經費即可基于現有設備實現開放實驗室，也能使師生快速適應實驗室開放式管理模式。

學生通過APP用戶端口向云服務器發送指令，申請使用實驗室及相關儀器設備；同時，APP從云服務器得到數據，顯示各實驗室的使用狀況與申請情況；教師或實驗室管理人員則通過管理員端口管理程序批準學生申請實驗室的請求，并通過云服務器實時檢測實驗室各儀器設備的使用情況。

網絡云服務器扮演數據存儲中心、處理中心、交換中心的角色，所有用戶軟件和硬件裝置上傳的數據都通過云服務器解析、處理、存儲，實現實驗室預約申請、控制權限、指導操作、監控使用等功能，如圖4所示。

5 開放實驗室監控安防系統

開放實驗室監控安防系統以硬件為依托，與智能管理系統連接，可有效防止意外的發生，使實驗室資源的損耗和損失降到最低，保障實驗室有效平穩運行。

5.1 智能人體感應門禁系統

進入實驗室的所有人員均須通過人臉識別、無感人體測溫系統，測試合格后方可進入。采用人臉識別技術可快速無接觸地判別申請人是否獲得進入實驗室權限，避免無關人員隨意進出實驗室，也避免人員接觸，降低疾病傳播風險。

5.2 室內環境控制系統

采用新風控制系統和溫濕度控制調節器，實時監測溫濕度，監測空氣質量，對外界情況變化進行自動感應并實時反饋[2]，使實驗室空氣流通，達到恒溫恒濕的效果。使用危化品和有毒氣體的實驗室，需設立專用通風通道及凈化控制器，防止對周邊環境造成污染。使用紫外線殺菌系統，防止有害病毒、細菌的傳播。

5.3 實驗資源協調控制系統

實驗室各種儀器設備連接電流檢測器、溫度傳感器、壓力傳感器等感應裝置。根據電流檢測器的傳輸數據，開放實驗室管理系統實時顯示實驗設備的使用時長；根據溫度傳感器的傳輸數據，判斷實驗設備是否有過載安全隱患；根據壓力傳感器的數據，檢測實驗用品的使用次數、實驗材料的消耗量。管理員可查看設備和耗材使用狀態、使用記錄，通過系統后臺統計數據、調配實驗資源、發布實驗場地和設備開放信息、維護實驗設備、補充實驗耗材。學生根據開放實驗室管理系統中設備操作規程和耗材使用量進行實驗活動。開放實驗室亦可跨專業、跨院系、跨學校開放，使實驗室資源最大限度共享，以促進各個專業和領域的知識交流，達到合理調配實驗資源，實現利用率最大化。

5.4 24小時全方位監控聯防系統

視頻監控系統可用于實驗室日常安全監控以及事后安全事故分析[3]。通過監控聯防系統，管理員監管實驗室中出現的違法違規行為，為師生營造一個和諧穩定的實驗場所；也可實現無人值守管理，在非工作時間保證實驗室正常運行。當出現意外事故，監控聯防系統可自動發出警報，通知學校保衛處。

5.5 多功能感應檢測警報系統

在實驗室設置多種傳感器，以實現煙霧感應檢測、異味感應檢測、氣壓感應檢測、電流感應檢測和感光檢測等，對各項環境參數進行對比分析[4]，及時發現并提示安全隱患，防止火災、有毒氣體泄漏等意外發生，保障實驗室人員和財產安全。

6 結束語

開放實驗室智能管理系統能夠使高校實驗室在突發公共衛生事件時控制疫情蔓延，維持實驗室安全有序運行；同時能有效解決實驗室資源分配和安全隱患問題，還可以提高學生學習的積極性，激發學生的創造性思維。該系統能有效提高學生的思維能力和實際操作能力，對培養創新型專業人才有重要意義。

參考文獻

[1] 王亞軍，崔進起.高校實驗室危險化學品管理現狀分

析研究[J].高校實驗室工作研究，2017（1）：69-71.

[2] 薛宇航.基于51單片機的家居智能門禁與安防系統

的設計[J].信息技術與信息化，2020（4）：102-104.

[3] 高建偉，符江鋒.高校科研實驗室安全綜合防護技

術研究[J].中國現代教育裝備，2021（7）：39-42.

[4] 羅曼莉.無線傳輸在火災自動檢測及報警系統中的

應用研究[J].科技風，2017（16）：79.

*項目來源：2020年第一批產學合作協同育人項目“高校開放實驗室智能信息化管理系統建設”（編號：202002176016

和202002187047）；煙臺大學教學改革研究項目“突發性公共衛生事件啟示下的高校開放實驗室管理模式探究”（編

號：jyxm2020007）；山東省大學生創新創業訓練計劃項目“Smart Lab—實驗室智能管理系統”（編號：S202111066036）。

作者：劉世平、張德賀、朱雨璐，煙臺大學海洋學院輪機工程專業；楊婕，通信作者，煙臺大學海洋學院實驗室管理辦公室主任，講師，研究方向為實驗室裝備與資源管理；榮源源，煙臺大學海洋學院海洋科學專業（264005）。