高職院校電子類開放實驗室探索——以福建信息職業技術學院為例

張超峰，陳開洪，李政平

（福建信息職業技術學院物聯網與人工智能學院，福州 350003）

0 引言

培養創新型應用人才是新時期我國高職院校人才培養的重要目標［1］。怎樣把這一重要目標全面深入到高職院校日常教育工作中去，是目前各高職院校必須考慮的問題。作為高校培養人才的重要基地［2］——實驗室也必須適應這一人才培養目標，走開放性實驗室教育之路。進一步完善和加強開放性實驗室的建設，使實驗室成為學生積累經驗、自主創新、自由實踐得以體現的重要場所［3］。隨著社會經濟、科學技術的發展和學生就業實行雙向選擇，對高職院校人才培養質量提出了更高的要求［4］。而建設好、管理好、使用好開放性實驗室，對培養學生專業技能和實踐能力、創新能力和嚴謹的科學態度及素質協調發展具有重要意義［5］。

在傳統的實驗教程條件下，實驗教師既要參與實驗教學工作，還需要完成實驗室管理工作，工作量大，工作效率低［6］；教師對實驗教學的過程難以管理，無法準確把握所有學生的實驗進度，無法確保實驗結果數據的真實性，難以有效提升實驗教學成果，難以更好督促學生對實驗課程的重視［7］；因為實驗室管理需要，實驗室設備難于被充分利用，學生的實驗需求無法得到有效滿足，學生的實驗水平得不到有效提升［8］。

鑒于此，本文探索了電子類開放實驗室建設，以期提高實驗室管理的開放性和智能性。

1 建設目標

以目標為導向的實驗室建設，是一種快速建設實驗室的有效途徑，因此在實施前，必須明確實驗室建設的基本目標、經濟效益、社會效益。

1.1 基本目標

實現實驗室使用開放化、管理平臺模塊化、安全管理智能化是電子類開放實驗室的基本目標。該目標的實現依托在線開放實驗室智能管理系統。學生端可實現隨時預約實驗室，經審核后學生可按時進行實驗學習。教師端是多功能實驗教學系統，把學校教務信息，實驗室資源，智能設備和實驗室儀器進行整合，可24小時開放，可輔助教學，減少重復工作。

1.1.1使用開放化

學生可通過微信公眾號查詢實驗室實時狀態以及資源配置，自主預約實驗時間以及實驗臺，并取得數字鑰匙。在預約時間內，學生憑數字鑰匙進入實驗室開展實驗。

1.1.2 管理平臺模塊化

通過開展一套在線開放實驗室適用管理系統，實現實驗室管理平臺模塊化管理，便于學校后期根據實際需要擴展信息管理系統業務應用模塊。

（1）基礎管理。基礎數據管理中心是實驗室管理平臺運行的核心支撐系統，平臺支持配置學校實驗室、師生和控制點的基本信息，為設備的智能控制提供地理位置及操作權限等。包含組織結構管理，角色管理，班級管理、用戶及管理，學期及課節的管理，課程及項目管理，控制點管理等。

（2）教學實踐管理。平臺支持實現與教務系統進行對接，包含支持課程發布、課程調整、課表查詢、個人實踐記錄查詢以及當前實驗信息查詢；學生可實現自主預約管理，實驗課程完成情況統計，實驗課程考試結果統計。

（3）智能數據統計分析。以系統運行產生的大量真實數據為基礎，利用相關功能模塊，實現自動生成相關統計分析報表的功能，包括設備使用率、實踐教學統計、學生自主上機統計、實踐課程統計等。

1.1.3 安全管理智能化

通過系統實現智能門禁管理，預約實驗，分配實驗桌，預約的學生通過數字鑰匙進入實驗室，自動開啟實驗室照明，空調控制，學生在預約對應號數的實驗臺通過掃描二維碼上電，實驗臺自動開啟照明及設備電源，實驗臺自動檢索設備運行狀態后，學生在通過人臉身份識別后，可進入實驗操作。實驗操作結束后學生可自行斷電或到達預約時間后實驗臺自動斷電，所有學生都離開實驗室10分鐘后，實驗室自動斷電，也可遠程控制設備，具備漏電保護和過載保護、煙霧報警等功能，實現安全預警和告警功能，實現實驗室無人值守。

1.2 經濟效益

建成在線開放智能管理實驗室后，將形成具有數字化、智能化、網絡化為特色的創新專業級實驗室，使之成為提供從事實驗教學或科學研究、生產試驗、技術開發的教學或科研實體的創新平臺。促進電子信息大類學科建設，對培養學生專業技能、提高學生科學研究和實踐能力、創新能力和嚴謹的科學態度及素質協調發展具有重要意義，增強學院電子信息工程技術等專業的綜合實力與競爭力。隨著實驗室的建設完成，必將提高教師和學生的專業知識和技術創新能力，促進學研成果孵化，為行業和相關產業提供人才和技術支持，服務于地方經濟發展，利用學研成果轉化形成社會經濟效益。

1.3 社會效益

建成在線開放智能管理實驗室后，可滿足應用學院教學、科研、對外服務等領域的發展需求，滿足學校重點學科的建設發展需要，提高學校服務地方社會經濟發展能力，提升學院在現代電子技術研發、檢測、試制的綜合研究應用水平，為高職院校實驗室發展提供了新思路、新模式，促進兄弟院校實驗教學交流與進步。實驗室除滿足本學院電子信息學科的需要外，還可面向社會其他高校及企業開放。為數字福州、為數字福建、為我國產業升級提供優質人才。

2 設計與實現

為了達到電子類實驗室建設目標，需設計實現三個子系統，包括電子配件智能管理系統、在線智能實訓臺、開放實驗室智能管理系統，并進行有機整合。

2.1 電子配件智能管理系統

電子配件智能管理系統采用先進的云計算技術、互聯網技術、無線RFID識別技術、手機APP等技術，對現有的實驗室的改造，系統架構如圖1所示。它實現對高校實驗室器材或物品的智能存取，實驗設備裝置的歷史追溯，實驗器材的無人化存儲，實驗耗材的使用情況監控。它亦可解決實驗室資源的浪費、實驗室器材和耗材的管理難、學生找實驗室器材和耗材流程繁瑣等問題。通過存儲系統的后臺系統，可收集每個學生、甚至每個實驗室器材的使用時長以及使用率。它有助于管理人員收集分析數據，及時掌握實驗室器材和耗材使用情況，從而實現對實驗耗材的及時采購補充。

圖1 電子配件智能管理系統架構圖

電子配件智能管理系統，實現遠程授權、手機掃描存取器材和耗材、查詢存取記錄、實現物品智能識別。學生可事先在手機APP上預約使用器材或耗材，預約審批后，即可通過手機掃碼在實驗室存儲柜上領用實驗器材或耗材。手機端可實時查看實驗室存儲柜的當前使用狀態，實驗室存儲柜上可顯示柜子當前存儲的物品和數量，實驗完成后學生歸還實驗器材，存儲柜根據物品識別碼和重量實現實驗器材的識別。

2.1.1 存儲柜

存儲柜（儲物柜）用來管理實驗室器材和耗材的存取，其外觀如圖2所示。

圖2 存儲柜

（1）存儲柜組成。存儲柜采用10.1寸安卓主機為主控制器；安卓主機自帶高清攝像頭；可實現拍照記錄存取時現場照片；學生可以通過掃描設備上二維碼，來實現實驗器材的領用和歸還。

（2）物品識別方式。物品的識別采用RFID讀卡方式來實現歸還的物品的識別；RFID采用EPCglobal UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C ISO 18000-6B標準；工作頻率在860 MhZ-960 MhZ，可同時識別超過1000張標簽；RFID采用分布式讀取方式，可定位卡片在具體的格口中。

（3）平臺功能。平臺采用云服務器，方便服務器管理，系統擴容升級，并且可以進行數據的定時備份，保證數據的安全。平臺的功能模塊包括設備管理模塊：配置設備權限、設備區域、設備管理對象；用戶管理模塊：用戶分類、用戶基礎信息查詢和修改、用戶權限管理；告警管理模塊：配置告警模式、配置告警監控范圍；設備記錄查詢模塊：各類查詢統計；調試管理模塊：研發調試、設備對外接口。

2.1.2 軟件開發

為使系統具有良好的恒通和擴展性，采用JAVA編程語言、MySQL數據庫進行開發。MySQL數據庫具有體積小、速度快、總體擁有成本低、開放源代碼、應用廣泛等特點，加之其社區版的卓越性能，可搭配PHP和Apache服務器組成良好的開發環境。平臺操作系統采用Centos，因它與硬件的兼容性強，軟件生命周期長。

2.1.3 使用流程

通過實驗器材預約—>預約審批—>實驗器材領用—>實驗器材歸還的使用流程，實現實驗室器材的無人值守，智能化管理。存儲柜運行思維導圖如圖3所示。

圖3 存儲柜運行思維導圖

2.2 在線智能實訓平臺

在線智能實訓平臺含智能實訓管理軟件、觸控終端、智能控制操作臺、數字示波器、信號發生器、可編程電源，采用先進的人工智能技術、物聯網技術、網絡通信技術和電子信息技術等相結合，使其達到掃碼登陸、自動開啟、人臉身份識別、人員信息顯示、設備狀態自檢、儀器數據自動采集、可視化管理、智能電源管理、實驗題材自索、實驗結果在線統計、隨機組卷、在線考試、自動評分、數據自動上傳服務器等功能。

2.2.1 在線智能實訓平臺管理軟件

（1）后臺管理。后臺管理實現的功能包括課表自動控制、開放預約控制、控制策略、遠程控制、控制記錄查詢、狀態監測、與教務系統對接、課程發布、課程調整、課程刪除、課表查詢、實踐記錄查詢、實驗信息查看、課程統計、考試結果統計。管理軟件界面示例如圖4所示。

圖4 在線智能實訓平臺管理軟件界面示例

（2）電源管理。在學生掃碼后自動開啟設備電源，對應實驗臺自動開啟照明及設備電源，在實驗結束后或者無人情況下實驗臺自動關機。

（3）登陸方式。實驗臺自動檢索設備運行狀態后，學生通過人臉識別登錄，可進入實驗操作?？蛇x擇刷卡登錄/掃碼登錄/帳號登錄等登錄方式。

（4）人員信息展示。實驗平臺能顯示在線實驗學生信息，如班級、姓名、學號等。

（5）UI設計。采用扁平化的UI設計風格。這樣使得UI界面變得更加干凈整齊，使用起來格外簡潔，從而帶給用戶更加良好的操作體驗。工作臺開機后，自動進入全屏化展示。在經過短暫的儀器自檢之后，學生登錄進入答題闖關界面。界面功能區域劃分合理。界面構成要求：左邊儀器狀態展示區，左下方關卡選擇框，右邊及中部設計顯示/查看積分排行榜和難度闖關排行榜。在左下方，展示了當前的時間日期。設計AI小助手，能夠根據實驗操作情況顯示信息提示，外形活潑可愛，靈活可拖動，正常默認放在右下角。

（6）實驗任務管理。平臺支持查看實驗任務，可切換題目。在測試時間未到之前，可提前通關。測試時間到了以后，會自動交卷。讀取儀器數據會得到儀器監測點的提交值和所操作儀器的截圖，并對實驗結果在線統計，進行判斷和給分。

（7）可視化管理。實驗平臺的攝像頭在學生實驗過程中，可不定時進行圖像拍照，記錄學生在線實驗過程情況。

（8）實驗結果統計。實驗過程中，老師可以在總覽頁面實時觀察學生的答題進度，在學生交卷以后可自動生成實驗報告，老師可以統一查看這批學生的實驗結果，并評閱。

（9）試題庫管理。在線智能實驗平臺支持考試題庫創建與維護，從題庫中隨機生成作業和考試。支持兩種出題方式：手動篩選與系統隨機選題。

2.2.2 在線智能實訓硬件平臺

在線智能實訓硬件平臺采用組合式鋼架結構，底座采用4個重型萬向輪設計，可自由轉向滑動也可鎖死固定、結實、穩固，實驗臺面采用防靜電耐磨材料，要求防靜電、耐磨、防腐蝕、阻燃等，實驗臺背面采用設備架設計，配置4.1寸顯示屏、1個輸入漏電保護開關、1個復位按鍵、4個串口插座、4個USB插座、1個以太網插座；4個具有開關功能的五孔插座，配置21.5寸觸控顯示器以及人臉識別攝像頭；兩層儀器設備層架（實驗檢測設備應包含示波器、信號發生器、可編程電源）、支架側面具有4個五孔插座；電源和網絡輸入口在實驗平臺的左右下方各1套；實驗平臺頂端上支架配有LED照明燈；在上支架角落位置配有攝像設備，可采集實驗過程。

2.3 在線開放實驗室智能管理系統

2.3.1 在線預約功能

學生可通過微信公眾號查詢實驗室實時狀態以及資源配置，自主預約實驗時間以及實驗臺，并取得數字鑰匙。學生可以在預約的時間到實驗室通過數字鑰匙進入實驗室，并在相對應號數的實驗操作臺進行身份識別后，進入實驗操作。預約管理系統界面如圖5所示。

圖5 學生預約實驗臺

2.3.2 智能控制及遠程控制

在線開放實驗室智能管理系統實現實驗室設備、照明、空調、門禁等智能控制及遠程控制（如圖6所示），具備漏電保護和過載保護、煙霧報警等功能，實現安全預警告警功能，實現實驗室無人值守。

圖6 智能控制及遠程控制架構圖

3 實踐經驗

實驗室投入運行后，減少了實驗員的工作量并提高了工作效率，相關實驗員從2名減少為1名，實驗室設備可服務全校師生、課上課后，實驗員對實驗室進行了全方位管理，師生對實訓課程基本滿意。

發現并解決的不足包括：實訓臺沒有安裝輪子，很難搬運；實訓臺需要經常維護，部分用螺絲固定，不利于維護；實訓臺桌面未配鍵盤和鼠標，對部分學生的使用不友好。需要在后期解決的是：存儲柜使用無線RFID技術判斷電子元件是否歸還，目前沒有準確限定信號范圍，存在誤判。

4 結語

開放性和智能性的高職院校電子類開放實驗室建設，立足解決實驗員工作量大、工作效率低、設備利用率和學生需求不對等、實驗教學的過程難以管理、實驗教學成效較差等問題。在線開放智能管理實驗室投入后，減少了實驗員的工作量并提高了工作效率，提高了設備利用率，實現了過程的科學管理，提高了實驗教學成效。