新工科視域下高校實驗室信息化建設與管理探析

盤茂杰 吳啟超

關鍵詞：信息化；新工科；互聯網+

在新工科專業建設的背景下，在網絡信息技術快速發展的時代中，信息化已成為世界各國的戰略重點和優先發展的動力，成為社會發展的新生產力，推動著人類社會不斷進步。高校是為國家培養人才的堅實基地，是知識創新的重要源泉，是為社會注入新活力的孵化場所[1]。實驗室作為高校實驗教學的主要陣地，實驗室信息化建設與管理水平的高低直接影響到高校人才培養質量的優劣。為了更好地服務于新工科專業人才的培育，徹底貫徹高校服務社會的宗旨，目前所有高校都十分重視實驗室的發展建設，大力推進“智慧實驗室”建設，提高實驗室信息化程度。但是，怎樣提高實驗室的信息化程度已成為各大高校所面臨的迫切問題。

1 高校實驗室信息化現狀

1.1 實驗室資源配置緊張

在新工科專業建設的大背景下，近年來絕大部分課程的教學模式慢慢朝著理論與實踐相結合的方式轉變。對于計算機編程實操的依賴程度也逐年提升，導致相關計算機實驗室的排課率居高不下，造成實驗室資源配置緊張。在實驗室經費分配有限的情況下，新實驗室的建設進度跟不上實際的需求，部分舊實驗室的計算機設備也得不到及時更新，這不僅加速了設備性能的下降，也極大地增加了后續維護的難度[2]。在實際操作的過程中，由于硬件存在性能瓶頸，無法較好地適配某些教學軟件，極易出現卡頓、宕機，影響日常教學、課程實驗以及實訓工作的正常開展，進一步使得實驗室資源的分配捉襟見肘。

1.2 實驗室信息化程度不高

隨著高校本身的不斷發展，傳統管理模式已經很難滿足實驗室的實際需求。在傳統管理模式下，實驗室信息化程度不高，在記錄設備使用情況和設備維護情況等相關事務上都會產生很多紙質材料。這不僅耗費大量的人力和物力，而且管理效率低下，長此以往不利于數據的統計、分析和保存。除此之外，另一個比較突出的問題是缺乏便捷的數據共享方式，使得管理人員難以實時掌握實驗室的具體情況，導致實驗室設備的使用狀況不夠清晰，不利于實驗室資源的有效分配，容易導致設備空閑下來，設施利用率低，造成資源的浪費[3]。

1.3 實驗教學方式單一

在高等教育的實驗教學中，各高校各學科基本按照教學大綱以及培養方案的要求，選擇最為經典成熟的實驗項目進行實驗教學。但由于上課時間以及實驗條件的限制，線下課堂中每個學生所能掌握的實驗項目和實驗方法十分有限。在激發學生學習興趣以及培養學生動手能力上，目前的實驗課程設計也還存在較大的不足[4]。不僅如此，由于不同學生對實驗的理解、掌握程度不同，僅僅依靠課堂上的教學難以讓每名學生能夠準確把握實驗的設計思想以及每個步驟的詳細作用。在日常教學中，大部分學生只是“照葫蘆畫瓢”，在老師的指導下完成課程設置的實驗，難以培養學生的動手能力和創新能力。

2 高校實驗室信息化建設的必要性

2.1 有利于提高實驗室建設水平，保證教學質量

通過在高校實驗室中廣泛使用多種信息技術手段，可以充分地將相關的信息資源進行調度整合。不僅有助于共享信息平臺的搭建，而且有助于多層次多空間數據的管理統計，實現不同實驗室、不同平臺之間的數據信息共享，進而提高實驗室信息共享能力和信息傳遞速度，減少了實驗室信息互通上所存在的壁壘，有效促進實驗室管理向著高信息化、高智能化的道路邁進，更好地服務于學校日常教學工作以及科研需求[5]。

此外，在對實驗室相關數據進行收集、統計和管理的過程中，可以較為有效地實現資源的高效共享和有效調度，更為靈活地對各類事務及時進行處理，達到信息化管理的目的。不僅方便快捷、高效自動，提高了實驗室信息化水平，而且從另一方面來說也保證了實驗教學的順利開展實施，在教學質量上有了更好的保障。

2.2 有利于整合實驗資源，提高資源利用率

對于高校實驗室來說，在整個信息化建設過程中，如何防止資源浪費和設備閑置，關系到實驗室信息化建設能否取得成功。高校實驗室信息化建設，不僅關系到大量實驗器材，還涉及相關的老師和學生。通過實驗室信息化建設可以顯著地提高實驗室管理水平，解決傳統管理模式下存在的資源分配不均和資源共享不便等問題。

在通過信息化平臺對實驗室設備進行管理時，還可以進一步加強實驗資源的整合、優化和共享，并在全校開放運行、共享使用，努力提高新增設備的利用率，建設全新的云架構實驗室，給向更廣大的受眾開放奠定了基礎。

2.3 有利于培養新工科人才

新工科領域人才培養體系和科技應用體系，是面向智能時代、聚焦高端產業的體系。通過創新發展產教融合和校企合作模式，推動新工科領域人才培養、科學建設、社會服務和應用示范的全方位發展，引領教育服務國家戰略、融入區域發展、促進產業升級，為培養復合型高水平的新工科專業人才提供良好的環境。

具體到高校實驗室信息化建設的過程中，在對實驗室各層次信息資源進行分享的同時，還需要將不同空間下的實驗室信息進行相互關聯、通信，高度集成實驗室的各種功能，破除了實驗室資源在空間上的限制，更為有效地促進了科技創新，增強實驗室服務教學和協助科研的能力，有利于提高對新工科專業人才的培養能力。

3 高校實驗室信息化建設思路

首先，要從當前高校實驗室的實際狀況著手，對實驗室各個信息基礎設施加強建設，例如實驗設備、實驗室網絡、線上實驗平臺等。借助“互聯網+”現代化信息技術，并輔以新興實用的管理方法，全面推動實驗室信息化建設管理，早日完成實驗室信息化建設目標。近年來由于高校規模不斷擴大，實驗設備與日俱增，強化實驗室設備的信息化程度顯得愈發重要。信息化建設不僅有利于提高對實驗室設備的管理效率，也可以更好地掌握實驗室設備的各種信息。在對其他高校實驗室建設方案進行借鑒的時候，由于各高校實驗室所承擔的職能不盡相同，還需要結合實驗室實際情況有選擇地進行借鑒，合理地建設一個滿足實際使用需求的信息化系統。

其次，完善實驗室信息化管理平臺，讓老師和學生可以在線上方便快速地了解實驗室和儀器設備的使用狀況，使得實驗室資源可以得到充分地利用。進一步地，對實驗室線上管理平臺進行建設，提供實驗室預約申請、服務器使用申請等實用功能，并通過小程序、企業微信等多種方式方便學校師生對平臺進行訪問。為了滿足師生在教學、科研上的不同實驗需求，還可以對目前實驗室資源進行整合、分類，劃分成不同類型的實驗室，更進一步開放共享實驗資源，最大限度地提高實驗室的利用率。

最后，進一步加強實驗課程教學的信息化。在互聯網技術飛速發展的今天，隨著新工科專業的普及，實驗室信息化建設提上了日程。實驗課程教學實現信息化管理的過程中，需要將實驗課程內容發布在各種線上學習平臺，如超星爾雅、學習通等。每名學生可以根據專業要求、課程內容以及實驗掌握情況選擇對應的實驗課程進行觀看，提高實驗教學資源的利用效率，對實驗過程及時復習、思考，鞏固所學知識，激發學生自主學習興趣。

4 高校實驗室信息化建設與管理的策略

4.1 增強實驗設備信息化程度

通過對當前實驗室信息化建設情況進行分析，結合企業的實際工作需要，努力調動實驗室管理人員的工作熱情，在此基礎上建立健全一套切實可行的、符合社會發展規律的實驗室信息化建設方案，從整體上全面提升實驗室管理水平[6]。在日常教學和科研工作中，應該適當地安排專門的人員負責管理，保證教學工作和科研工作互不干擾、各自開展。根據實際需求相應地分配資源，做到有章可循，減少個人主觀因素的影響，全方位提高實驗室資源利用率。在確保實驗室管理人員、任課老師和學生的需求得到滿足的同時，把實驗室信息化管理質量的提升放在首要位置，確保學生課程實驗與老師科研實驗能夠正常有序地開展。

具體做法是以信息技術為核心，以云計算平臺為基礎，以數字化、網絡化為方向，建設更多數字信息化云平臺實驗室，拓撲圖如圖1所示。為了更好地完成實驗室信息化建設，服務于新工科專業人才的培養，有必要借助現代化信息技術手段建設一批新型信息化實驗室，如人工智能與深度學習實驗室、大數據分析與應用實驗室、云平臺實驗室、虛擬仿真實驗室等[7]。傳統實驗室容易受到場地環境和實驗內容的束縛，無法進行一些復雜的創新性實驗。新型信息化實驗室則可以有效地拓展實驗空間，豐富實驗內容，在實驗課程內容的設計上增加了較大的操作空間。目前，大部分高校或多或少建立了一定數量的信息化實驗室，給老師和學生們的教學科研工作提供了很大的便捷。

4.2 革新實驗室管理模式

隨著計算機技術的不斷發展，在高校的實驗室信息化建設中應該更多地將信息技術和實驗教育有機地結合統一起來，達到實驗室網絡化與智能化的要求，改進、革新實驗室的管理模式。在新工科建設的大背景下，需要加強實驗室管理人員的培訓工作，使得管理人員的實踐能力、創新能力可以適應社會的發展，更好地服務于實驗室教學和科研工作，為實驗室的科學管理和可持續發展提供強有力支撐。此外，為了保障實驗室資源能夠得到最有效的使用，高校實驗室的管理人員應該主動學習先進的管理方式，摒棄傳統管理方式下存在的不足和缺陷，進一步優化實驗室人力安排、財務開銷和設備分配，加強與當地企業的合作交流，為企業與學校合作搭建橋梁，擴大實驗室的影響力，發揮實驗室在人才培養上的獨特作用。

在實驗室建設過程中，對各個實驗室的計算機資源進行整合，架構圖如圖2所示，可以有效提升機房整體的運算處理能力。通過云桌面在服務器上的應用，可以有效地實現計算機資源的整合統一，并根據需求將資源分配到相應位置，實現配置進一步優化和資源高效利用的目的。在日常機房管理中，云桌面還可以隨時備份存儲計算機運行信息以及運行過程中產生的大量數據，保證了數據的安全性和可恢復性。云桌面具有很強的兼容性、造價低，便于維護，便于管理，適用于機房大部分計算機設備的升級改造[8]。

4.3 完善實驗室的運行管理體系

高校要在最大程度上增強實驗室的信息化建設管理水平，需要把相關實驗室運行管理體系的完善放在首要地位，并根據實際情況對實驗室的信息化管理系統進行改進。高校實驗室信息化管理系統的主要組成部分有：信息化管理設備、技術人才隊伍、實驗室安全建設等，多個子系統相互關聯和相互協同，在實驗室實際運轉中針對實際情況發揮著不同的作用。在實驗室信息化建設中，還需要加強分布式感知計算的復用引導式教學實驗資源建設。信息化實驗教學可分為幾個模塊，分別為實驗教學區、教學服務器區、學生區和教師區，如圖3所示。根據實驗課程的特點，教學資源管理系統對學生的實驗掌握情況進行分析，為學生提供實驗學習引導服務，提供合適的、有價值的實驗資源以及專業的實驗學習方法，對學生的實驗學習過程進行全程監督、輔導。

具體來說可分成兩步：第一，利用核心交換機、防火墻、無線傳感器網絡、路由器等網絡設備構建實驗室網絡環境，通過泛在網絡將智慧實驗室系統等主要實踐教學系統進行無縫對接，然后利用網絡爬蟲等技術，通過網絡信息技術獲取實驗操作動態、實驗資料和教學資源等相關數據。第二，利用云計算技術和超融合虛擬化技術，設計集數據采集、治理、倉儲，挖掘和管理于一體的大數據管理平臺，研究計算機視覺中基于視頻的行為識別算法、自然語言處理中的語音識別算法以及機器學習中的數據分析與推薦算法等核心算法，設計行為分類模型、語音識別模型、大數據分析和智能推薦系統等智能模型，滿足新工科實驗教學需求。

5 結束語

在新工科專業蓬勃建設的浪潮中，實驗室信息化建設對于高校的實踐教學和科研實驗發揮著積極有利的一面。實驗室信息化通過將實驗室的設備信息、使用情況進行歸納管理，對機房現有的計算資源、運算設備進行整合，更加方便信息的共享以及資源的分配。通過實驗室信息化的建設，可以多角度、全方位地提升實驗室運轉效率，提高日常教學活動的質量，促進科研工作的開展，為培養新一代工科應用型人才提供強有力的保障[9]。