高校實驗室數字化升級改造：驅動科研與教學創新的新引擎

關鍵詞：信息技術；自動化；虛擬仿真；資源共享

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）36-0149-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

在數字化時代，實驗室轉型勢在必行。傳統實驗室面臨著諸多挑戰，例如設備老化現象普遍，部分儀器使用年限過長，超過15～20 年的設備占比達到63%，精度下降影響實驗結果；數據管理混亂，大量實驗數據記錄不規范，存儲分散，據調查約 42% 的數據難以有效查詢和分析；實驗效率低下，人工操作環節多，以某化學實驗為例，傳統操作流程需花費10小時，而數字化改造后可縮短至1～2小時；安全風險高，部分實驗涉及危險物品或操作，如某些化學實驗中有毒氣體泄漏風險，因缺乏有效監控和預警機制，曾發生過安全事故等。因此，實驗室數字化升級改造不僅是技術革新，更是提升科研和教學水平的戰略舉措。

實驗室數字化升級改造不僅是技術層面的變革，更是一種戰略和運行模式的轉變，核心是支撐實驗室形成有價值的數字資產，即可信任的數據，并最終賦能價值。

1 實驗室數字化升級改造的重要性

1.1 提升科研和教學水平

1） 提高實驗效率。統實驗室的實驗流程煩瑣，數據記錄和分析主要依靠人工操作，這不僅容易出現錯誤，還導致效率低下。而數字化實驗室的出現，為解決這些問題提供了有效途徑。

數字化實驗室可以實現實驗數據的自動記錄、存儲和分析。例如，在化學實驗室中，數字化技術能夠實時采集和記錄實驗數據，避免了傳統方式下數據記錄的錯誤和遺漏。通過數據處理軟件，可以對實驗數據進行快速、準確的分析和處理，提取出更多有用的信息。在理化生數字化探究實驗室中，數據傳感器把實驗中測量的各種非電信號轉換成標準的電信號，并傳遞給采集器，采集器再將這些電信號轉換成數字信號輸入到計算機中進行處理。這樣的過程大大提高了數據的準確性和一致性，減少了人為錯誤[1]。

同時，數字化實驗平臺按實驗準備、虛擬實驗室、實驗反饋三大模塊分類設計，方便學生自主實驗。以電工電子實驗室為例，將電類基礎“三電”實驗常備的測量儀器集成在實驗臺中，并將教學場景設計和數字資源平臺融合。學生可以遠程調取測量儀器的數據以及截圖，保證測量數據真實可靠；一體機（電腦） 負責和云端進行信息交互，將“實驗過程”數據源源不斷地匯至數據中心。這種設計使得學生能夠更加自主地進行實驗，提高了實驗效率。

2） 提升教學質量。字化教學資源與傳統教學方式的有機結合，為學生開辟了豐富多樣的學習途徑，充分滿足了不同學生的個性化需求。

一方面，數字化教學資源極大地拓展了教學的時空范圍。學生不再受傳統課堂時間和地點的限制，可以在任何時間、任何地點以適合自己的方式學習課程。例如，通過在線學習平臺，學生可以根據自己的學習進度和節奏，自主選擇學習內容和學習時間[2]。

另一方面，數字化教學充分調動了學生的主觀能動性，培養了學生的創新能力和實踐技能。以化學實驗室為例，通過數字化技術，學生可以進行虛擬實驗，不僅可以節省實驗成本，還可以進行一些危險或難以在真實環境中進行的實驗。在虛擬實驗室中，學生可以自主探索實驗過程，嘗試不同的實驗方法和參數，培養創新思維和實踐能力。同時，數字化實驗平臺還可以方便學生自主進行實驗。學生可以在實驗前通過虛擬實驗室進行預習，了解實驗原理和步驟；在實驗中，通過數字化設備自動記錄和分析實驗數據，提高實驗的準確性和效率；在實驗后，通過實驗反饋模塊及時總結經驗教訓，進一步提高自己的實驗技能[3]。

此外，師生可以課程平臺交流學習心得，提高學習的積極性和主動性。例如，在南昌大學化學化工學院的課堂上，師生們正利用國家高等教育智慧教育平臺的虛擬仿真實驗完成教學目標。這種虛擬仿真實驗不僅將抽象的理論知識轉化為“形象可見”的實驗教學內容，有效拓展了實驗教學的廣度和深度。

3） 提升安全保障，降低辦學風險

數字化技術可以對實驗室的安全進行實時監控和預警。例如，在生物實驗室中，可以通過傳感器監測環境溫度、濕度、氣體濃度等參數，當出現異常情況時及時發出警報。同時，通過數字化管理系統，可以對實驗人員的操作進行規范和監控，避免因操作不當導致的安全事故。據某生物實驗室統計，在數字化改造后，安全事故發生率大大降低。

1.2 推動科技創新

1） 數字化升級改造為科研人員帶來了前所未有的機遇和先進的技術手段與平臺。通過數字化平臺對實驗數據進行高效管理和分析，能夠極大地助力科研人員發現潛在規律和新知識，從而推動科學的發展和突破。實驗室數字化后，利用數據采集與處理技術，可以實現對實驗數據的精準記錄和快速分析，提取出更多有價值的信息。通過數據處理軟件，科研人員能夠對復雜的數據進行深入挖掘，發現其中隱藏的規律和趨勢。同時，自動化實驗設備的應用，如自動進樣器、自動滴定儀等，能夠自動完成一些煩瑣、重復的操作，提高實驗效率，減少人為誤差，為科研人員節省更多的時間和精力用于數據分析和思考[4]。

2） 實驗室數字化升級改造實現了資源共享和協同創新，促進了不同地區、不同機構科研人員之間的交流與合作。在當今全球化的時代，科學研究不再局限于一個實驗室或一個地區，跨區域、跨機構的合作成為推動科學進步的重要力量。數字化技術使得實驗數據能夠方便地實現共享和交流，不同地區、不同機構的科研人員可以通過網絡共享實驗數據、研究成果和技術經驗，形成全球化科研共同體。例如，德國史太白技術轉移中心通過搭建數字化網絡平臺，促進了全球企業界和學術界的溝通與交流，為科技創新成果的產業化提供了有力支持。該中心不僅通過線上數字化網絡平臺搭建起全球企業界和學術界溝通的橋梁，促進創新信息的交流，還通過數字化平臺提供技術轉移人才培養服務，推動區域創新合作、促進產業生態升級。

2 實驗室數字化升級改造的方法

2.1 評估規劃

實驗室數字化轉型的第一步是進行全面評估，明確實驗室當前的運作狀態，涵蓋流程、設備、數據管理及信息系統等方面。此階段建議利用外部專業服務商的資源，以準確梳理業務流、質量流、數據流以及現有IT基礎設施。該過程旨在清晰界定數字化轉型的需求，包括人員、設施環境、儀器設備、計量溯源系統及外部支持服務等全方位的需求識別。

2.2 技術基礎設施建設

基于評估規劃的結論，應制定數字化轉型的階段性目標，并選取適宜的技術基礎設施，這包括網絡、計算設備、數據存儲解決方案以及實驗室信息管理系統（LIMS） 、數據采集設備和智能硬件等。針對不同特性及需求的實驗室，應采取個性化技術基礎設施建設計劃。

2.3 業務流程再造

此階段的重點是實驗室流程的重新設計，推動業務模式的轉型。核心在于實現業務的全面線上化，覆蓋從委托登記到報告歸檔的全過程，并通過算法與機器學習技術，將人工經驗轉化為可傳承的數字知識，達成數據自動計算和報告自動生成的目標，以此提升實驗效率和精準度。

2.4 數據管理與分析

運用數字化平臺實現對實驗數據的高效管理，確保數據的自動記錄、安全存儲和深入分析，同時保障數據的準確性、一致性和可追溯性。平臺應與數據采集系統、數據分析工具及智能設備無縫集成，以確保數據流通的效率和安全性。此外，所有數據應集中存儲于數據庫中，并以數據可視化技術展示樣品、人員、實驗流程等關鍵信息，輔助管理層做出科學決策， 如圖1所示。

3 實驗室數字化升級改造的關鍵技術

3.1 引入器材管理系統

該系統通過微信掃碼功能，允許學生自助取還板卡，并自動記錄使用日志和設備狀態，確保板卡安全，便于責任追溯。

3.2 設計與業務緊密整合的智能實驗臺

例如，在電工電子實驗室中，我們將常用的測量儀器（示波器、信號源、臺式萬用表、直流電源） 以及Easy艙和一體機（電腦） 整合于實驗臺內，結合教學設計與數字化資源平臺。這使學生能夠遠程獲取測量儀器數據及截圖，確保數據的準確性和可靠性；同時，一體機（電腦） 負責與云端的信息交流，持續將實驗過程數據傳輸至數據中心。

3.3 建立實驗教學全過程管理平臺

這個平臺集成了實驗課程、理論課程和實驗室管理，形成一個“學、教、管”一體化的教學管理模式。此舉旨在提高教師的教學效率，并逐步推廣至雙向互動式的理論課教學，支持教師對教學方法的創新探索。

3.4 虛擬現實/增強現實技術

虛擬現實（VR） 技術能夠營造出一個仿真的環境， VR技術的應用可以拓展至實驗室，通過構建虛擬實驗場景，讓學生在無實際風險的環境中進行實驗操作。另一方面，增強現實（AR） 技術則是將虛擬成分融入現實世界中，讓學生在實驗過程中，可以通過AR技術獲取即時的操作指導，進而提升實驗操作的直觀性和易學性。 虛擬技術使實驗室克服傳統實驗教學的局限性，不僅降低了經濟和安全成本，而且增強了實驗的互動性和教育效果[5]。

3.5 大數據分析技術

大數據分析技術依賴于對海量數據的采集、組織和挖掘，應用于實驗室場景，該技術能對生成的大量實驗數據進行深入分析，揭示隱藏的模式和未來趨勢。比如，通過分析來自不同學員的實驗數據，教師可以洞察學生的學習行為和難點，以便個性化調整教學方案。此外，大數據分析同樣可用于監控實驗設備的工作狀態，預測潛在的技術問題，并在設備發生故障前采取預防措施，提升了實驗數據管理的條理性和預測維護的精度，確保實驗流程的平穩進行。

3.6 人工智能技術

工智能技術涵蓋機器學習和深度學習等領域。在實驗室框架內，機器學習能通過分析大量的歷史實驗數據來建立預測模型，該模型可用于預估實驗結果或對實驗數據進行智能分類。深度學習則借助多層神經網絡，對復雜的實驗數據進行解讀，促進了實驗管理的智能化，提高了管理效率和決策的準確性，確保實驗活動的有效執行。

4 實驗室數字化升級改造的實際案例

1） 安徽理工大學新能源與智能網聯汽車學院的實驗室數字化升級改造項目。項目計劃在 2023 年 6 月至 2025年12 月期間，完成實驗室前期調研、方案制定、設備采購、教師培訓、數據收集等工作，并最終實現實驗室數字化轉型升級。在前期調研階段，項目團隊將深入了解實驗室的現狀和需求，包括實驗室設備、教學資源、師生需求等方面。通過調研，為后續的方案制定提供依據。在方案制定階段，項目團隊將結合前期調研的結果，制定詳細的數字化升級改造方案。方案將包括技術基礎設施建設、業務流程再造、數據管理分析等方面。在設備采購階段，項目團隊將根據方案的要求，采購先進的實驗設備和數字化工具。在教師培訓階段，項目團隊將組織專業的培訓課程，幫助教師熟悉新的數字化工具和系統，提高教師的教學水平。在數據收集階段，項目團隊將收集實驗數據和教學反饋，為后續的優化改進提供依據。

企業和研究所的實驗室數字化改造對高校實驗室的數字化改造也有指導和借鑒。

2） 數蠶科技通過為國家電網電科院及旗下分公司實驗室提供數字化轉型解決方案，實現了實驗室的降本增效。該方案包括評估規劃、技術基礎設施建設、業務流程再造、數據管理分析和持續推進優化等步驟，為實驗室的數字化轉型提供了可參考的路徑。

3） 青島海爾生物醫療股份有限公司的“云眼”生物安全智慧實驗室解決方案。該方案創新迭代出“云眼”生物安全智慧實驗室解決方案，通過自主開發的智慧管理軟件、智能硬件、整合方案等保障實驗室科研人員安全、生物樣本安全、環境安全。方案創建了生物安全實驗室智慧管理平臺，實現生物安全實驗室全流程跟蹤和管理，并開發了手機 App 及電腦軟件，人員可以遠程監控實驗室的運行狀態。

5 結束語

實驗室數字化升級改造是當今時代的必然趨勢，對于提高實驗效率、提升教學質量、推動科技創新具有重要意義。通過評估規劃、技術基礎設施建設、業務流程再造、數據管理分析和持續推進優化等方法，結合自動取還的實驗教學設備和業務深度融合的智慧實驗臺、實驗教學全流程管理平臺等關鍵技術，以及實際案例的借鑒，可以為實驗室的數字化轉型提供參考。在未來，實驗室數字化升級改造將不斷深入，為科研和教學提供更加先進的技術手段和平臺，促進教育和科技的發展。