教育新基建背景下實驗室信息平臺建設與應用

吳祝武，白向玉，袁 玲，辛 良

（中國礦業大學a.實驗室與設備管理處；b.環境與測繪學院；c.化工學院，江蘇徐州 221116）

0 引言

教育部等六部門《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》指出，教育新型基礎設施是以信息化為主導，聚焦信息網絡、平臺體系、數字資源、智慧校園、創新應用、可信安全等方面，深入應用5G、人工智能、大數據、云計算、區塊鏈等新一代信息技術，推動教育數字轉型，支撐教育高質量發展［1］。教育管理信息化作為教育信息化的重要組成部分，是以信息系統、數據資源、基礎設施為基本要素，利用信息技術轉變管理理念、創新管理方式、提高管理效率，支撐教育決策、管理和服務，推進教育治理現代化的進程［2］。實驗室是高校“雙一流”建設的重要支撐，是落實立德樹人根本任務的重要載體［3-4］。實驗室管理信息化建設必須緊跟時代發展的新形勢、新要求，以融合、共享和安全為先導，著力提升實驗室資源的配置效率、使用效益，有效提升支撐服務學校事業發展水平。

1 信息化平臺建設現狀

高校實驗室信息化建設涉及綜合管理、實驗教學、實驗室開放、儀器設備管理、大型儀器設備開放共享和實驗室安全管理等方面，信息技術與實驗室工作深度融合是必然趨勢［5-6］。高校實驗室信息化建設起步較早，但普遍存在頂層設計不夠、系統整合不夠、數據共享不暢等共性問題，特別是從校、院兩個層面統籌建設的研究與實踐不夠，普遍缺乏全面系統科學規劃［7］。

（1）平臺一體化不夠。實驗室信息平臺中校院兩級數據縱向流動不暢，各業務系統交互機制不完善、橫向耦合度偏低，實驗教學、實驗室開放、設備共享和安全管理等方面的深層次融合不夠［8-9］。

（2）教學個性化不足。實驗室信息平臺中實驗教學模塊功能不完善、較為單一，側重管理層面多、服務師生層面少，如涉及教師、學生和教學資源等方面功能有待進一步拓展和完善［10-11］。

（3）資源共享化不夠。實驗室信息平臺中共享模塊功能不完善，跨部門單位、跨學科專業、跨平臺系統共享機制不健全，服務便捷化不夠，以至于實驗室資源存在“部門化、私人化”現象［12-14］。

（4）安全智能化不足。實驗室信息平臺中安全基礎設施建設相對薄弱，安全防控智能化水平相對滯后，設備設施終端感知能力較低，安全預警及應急處置能力相對較弱，僅靠以人為主的傳統安全管理難以實現對各層面各環節風險點的精準管控［15］。

2 平臺建設目標

在實驗室信息平臺建設過程中始終堅持以創新、融合、協同、安全、共享為建設理念，實施認證一個口、服務一個廳、流程一張圖、決策一平臺和數據一個庫，構建平臺一體化、教學智慧化、資源共享化、安全智能化的校院兩級全覆蓋信息化綜合管理平臺。

（1）構建支撐創新型人才培養實驗室信息平臺。打造智慧學習平臺，深度融合實驗教學全過程，構建泛在式智慧實驗教學環境。搭建資源開放共享平臺，構建科研反哺教學機制，通過項目驅動、政策支持引導學生進課題、進團隊，集聚實驗室資源支持創新型人才培養。

（2）構建智能物聯、智慧管控的實驗室安全防控平臺。推進一體化安全防控平臺建設，集智能門禁準入、智能視頻監控、智能環境監測、培訓檢查管控、智能應急處置、智能控制決策融為一體，對實驗人員、設備狀態和環境狀況等進行多維監測和智慧管控，提高實驗室的安全預警、應急與防護智能化水平。

3 平臺建設方案

實驗室信息平臺建設始終圍繞“四個堅持”逐步推進實施。堅持以融合為導向，建立校院兩級互聯互通、共融共享的智能管理平臺。堅持以學生為中心，構建全天候開放、個性化培養的智慧學習空間。堅持以共享為牽引，形成資源集約利用、功能集合構建的服務體系。堅持以安全為保障，建立全過程監控、全方位感知的安全防控體系。

3.1 建立校院兩級互聯互通、共融共享的信息化平臺

針對校院兩級數據縱向流動不暢、業務系統橫向耦合度偏低以及實驗教學、實驗室開放、設備共享和安全保障等深層次融合不夠等問題，實驗室信息平臺采用校院兩級架構模式（見圖1），通過模塊化設計和大數據技術，推動信息平臺一體化、校院兩級全覆蓋，實現學校部門與二級單位的業務協同、數據共享、互聯互通，極大提高了實驗室工作透明度和辦事效率。

圖1 實驗室信息平臺架構圖

3.2 構建全天候開放、個性化培養的智慧學習空間

實驗室信息平臺通過用戶層、場景應用層、產品支撐層、數據服務層以及智能支撐層5 個層級的聯通（見圖2），推動了物理空間、網絡空間的深度融合，打通線上線下、課內課外的教學資源，創新教學、評價和管理等應用，構建泛在式智慧實驗教學環境。

圖2 實驗室信息平臺層級圖

打造智慧學習系統，將教學輔導、在線學習空間、教學資源、教學分析等各方面各環節嵌入平臺模塊，實現實驗室管理者—學生—教師—實驗室之間的信息交互，打破傳統教學模式時間、空間的限制，更好地為學生培養和科研創新提供保障。學生可通過實驗室信息平臺進入資源庫，瀏覽、觀看相關實驗操作視頻，利用虛擬仿真資源對實驗內容進行自學、預操作，大大提高了實驗課程的線下教學效果。同時，師生之間還可以實時進行在線交流，及時給予學生指導與幫助。教師可通過管理平臺獲得教學相關數據，對實驗過程進行考核、評價和量化，實現實驗教學全過程深度融合。

3.3 形成資源集約利用、功能集合構建的服務體系

利用物聯網、大數據、MAP GIS、移動通信等技術，通過關聯傳感器和云計算，建立大數據庫，搭建實驗室信息平臺共享模塊（見圖3），解決目前管理平臺相互獨立、管理分散和關聯度不高的問題。共享模塊以開放共享為目的，融合實驗教學、儀器設備、實驗室開放、虛擬仿真實驗等模塊，匯聚全校實驗項目、虛擬仿真實驗項目、創新創業訓練項目、開放基金項目、儀器設備測試項目等實驗室資源，以項目驅動主動服務人才培養、科學研究和區域經濟，實現資源高效利用。構建科研反哺教學機制，將科研資源轉化為共享資源，制定政策支持引導學生進課題、進團隊，以科學思想發現問題，用科研方法解決問題，助推一流人才培養。

圖3 實驗室信息平臺共享模塊架構圖

3.4 構建智能物聯、智慧管控的實驗室信息平臺

實驗室信息平臺安全模塊集智能門禁準入、智能視頻監控、安全風險防控、智能環境監測、培訓檢查管控、智能應急處置、智能控制決策融為一體（見圖4），對實驗人員、環境狀況、安全風險等進行多維監測和智慧管控，提高實驗室的安全預警、應急與安全防護能力。推進智能門禁與鷹眼視頻系統建設，對實驗人員進行安全準入，對違規行為進行精準識別，實現實驗室的安全預警。持續完善危險源管理，將危險化學品管理、氣瓶管理、安全考試、安全檢查等整體納入系統，從人和物兩方面實現危險源的全流程監控、安全考試的全覆蓋管理和安全檢查的閉環控制。布設氣體探測、溫濕度監測、煙霧監測、語音廣播、控制大屏等安全終端，開發智能控制系統，實現對安全隱患的實時監測、預測預警和應急處置。

圖4 實驗室信息平臺安全模塊架構圖

4 平臺運行成效

學校自2014 年起先后投入2 000 余萬元用于實驗室信息化建設，至今，基本建成了“管理規范化、教學智慧化、資源共享化、安全智能化”校院兩級全覆蓋實驗室信息化平臺。通過近8 年的運行，平臺全面保障了實驗室安全、高效、智慧、科學運行，為學校培養信息時代創新型人才提供了有力支撐。該平臺入選了2020 年度中國高等教育博覽會“校企合作雙百計劃”典型案例。

（1）教學服務多樣化。實驗教學服務更加多元化，實驗教學活動變得有序、實驗資源協同度更強、教學安排靈活多樣、實驗項目充分體現個性、實驗教學效果更加突出。

（2）實驗室管理規范化。將相關制度固化為業務流程，促使實驗室管理規范有序，促進實驗室服務水平提升，提高實驗室綜合治理能力。

（3）信息溯源準確化。系統能夠及時檢索教學安排情況、預約共享、安全準入證書、安全整改信息報告、危險化學品全生命周期的數據信息，做到數據準確留痕。

（4）資源共享便捷化。管理者、使用者能夠及時了解綜合管理、實驗教學、大儀開放、安全管理等信息，方便師生預約實驗室和儀器設備，及時了解和完成教學活動、學業安排，增強了數據共享和服務能力，消除了數據孤島。

（5）資源配置精準化。徹底摸清了實驗室“家底”，明確了虛擬仿真、實驗用房、儀器設備等實驗室資源真實使用狀態，明晰配置需求，使得資源配置更加科學、公平和精準。

（6）安全管控智能化。充分利用物聯網、人工智能等信息技術，對實驗人員、設備狀態和環境狀況等進行實時監測，實現實驗室安全的全要素管理、全過程管控和全方位感知，安全防控更加智能化。構建了風險分級管控和隱患排查治理雙重預防機制，對實驗室安全進行綜合研判，提高實驗室安全預警、應急與防護能力，提升實驗室安全管控水平。

5 結語

面對教育新基建的新形態、新要求，加快推進與信息技術深度融合是實驗室建設的必然選擇。高校實驗室信息化建設必須堅持以學生為中心、以融合為導向、以共享為牽引、以安全為保障，構建數據互聯互通、資源共建共享、安全智能管控的實驗室信息化生態圈，促進實驗室工作高質量發展，支撐服務學校“雙一流”建設。