“雙創”背景下高校實驗室智能管理系統研究

摘要：在“互聯網+”的基礎上，利用信息采集、無線通信和數據處理等關鍵技術，從實驗室人員、實驗安全、實驗教學管理、設備、耗材、實驗教學資源等方面進行智能化建設，提高高校實驗管理工作的智能化及自動化水平。對高校實驗室管理現狀進行分析，探索智能管理系統建設思路，研究實驗室智能管理系統的建設要點，既要保證正常實驗教學和相關管理工作的高效開展，又能實現以學生為本的真正的全方位開放式實驗教學。

關鍵詞：高校實驗室；智能管理；雙創

一、前言

“雙創”教育即創新創業教育，是國家在實現創新型發展過程中對人才培養提出的新要求，旨在通過高等院校培養具有創新思維、創業意識、創新能力的“雙創”人才。實踐教學作為教育教學的重要組成部分，是實現素質教育和創新人才培養目標的重要環節，在培養學生能力和綜合素質提高方面有著其他教學手段無法比擬和替代的獨特作用。實驗室管理水平直接影響實踐教學的開展、科研成果的產出和人才培養的質量。高校實驗室管理工作具有一定的復雜性和綜合性，涉及人員管理、環境管理、設備管理、教學組織管理和數據管理等。在智能化時代下，以智能管理系統為依托，提高高校實驗室管理水平，解決傳統人工模式下的局限性問題，實現高校實驗室在“雙創型”人才培養中的核心作用[1]。2018年10月，教育部發布了《教育部關于加快建設高水平本科教育 全面提高人才培養能力的意見》（簡稱“意見”）。在意見中提出，要加強實踐育人平臺和校內實驗教學資源建設，構建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學平臺[2]。

二、高校實驗室管理現狀

傳統實驗室教學管理一般采用人工管理模式。按照統一的實驗課表開展實驗教學，實驗室要配備專門的人員對實驗場所、實驗設備和耗材進行管理，管理工作繁雜，效率低下。學生在課堂內外創新能力培養條件有限。課堂教學中，教師要利用大量的時間和精力去把控學生的實驗紀律、實驗設備的使用情況，實時了解實驗效果，不利于開展創新能力培養的教學。課外開放性實驗基本處于無序狀態，實驗預約、實驗安全和教師的指導問題日益突出。各學院實驗資源不共享，綜合利用效率低，不利于跨學科的交叉滲透，不利于培養學生的綜合實踐能力和創新思維。各種實驗教學和管理數據缺乏有效監控。實驗教學過程數據是實驗課堂教學的核心要素，傳統教學管理過程中無法實時保存，而實驗室管理數據更是教學質量監控中必不可少的一環，人工管理下的數據填報工作繁重且極易出現錯誤，不能為實驗教學考核、教學評價和教學改革提供有力保障。

三、高校實驗室智能管理系統建設思路

當前高校實驗室發展現狀已經無法適應新時期創新型人才培養的需求，必須在“互聯網+”的基礎上，加快信息技術融合，以智能管理系統為依托，從人員管理、環境管理、實驗教學、課外開放實驗管理等方面探索更高效的管理模式并進一步實施。智能管理系統輔助管理人員對實驗室進行更為系統化、數字化的管理，以提高實驗室管理效率及管理水平，為各項實驗工作的實施提供保障，為培養創新型人才做好準備。

（一）智能管理系統需求分析

為促進現代高校學生創新思維和創造能力的培養，需推動多元化、開放式的實驗教學模式。建設一批智能化實驗室，面向學生全面開放，為其完成自主創新、研發和創業提供實驗條件[3]。高校實驗室智能管理系統需要從實驗室人員、實驗安全、實驗教學過程管理、設備、耗材、實驗教學資源管理等方面進行全面的智能化建設，提高實驗管理工作的智能化及自動化水平。系統主要功能框圖如圖1所示。

1.人員準入管理

管理員根據不同用戶身份分配不同權限。學生和教師可通過一卡通或人臉識別進入實驗室。

2.實驗環境管理

通過智能門禁系統保證正常實驗教學的開門、學生考勤記錄和教師教學記錄。同時針對課外開放實驗能夠高效管理，學生應提交課外實驗預約申請，在規定時間得到準入權限和設備使用權限。通過環境監測系統實時監測實驗室環境，包括溫濕度、有害氣體等信息，保障實驗室的安全運行。

3.實驗教學管理

本系統對課內實驗和開放實驗都可實現預約管理模式，包括計劃內、個性化和開放式三個部分。管理員在系統中對實驗教學計劃進行安排，后續學生進入實驗室實行預約管理。師生從準備實驗、進入實驗室、開展課堂實驗到課外開放實驗都能在智能系統中進行管理。

4.設備和耗材管理

實時采集各實驗設備的相關參數，管理人員根據參數及時了解設備使用情況和狀態，在為使用人員提供個性化服務的同時，避免了設備在使用過程中出現丟失和破壞的狀況。對于實驗耗材的申請、領用登記都在平臺中完成，減小了紙質化處理存檔和后期數據統計的工作量。

5.教學資源管理

線上線下實驗相結合，虛擬實驗與課堂實驗相結合。本地資源管理主要是針對課堂教學，課堂實驗教學數據實時上傳系統，對實驗過程考核評價提供依據，有利于教師對課堂質量的把控，為開展個性化教學提供條件。線上資源管理給學生提供虛擬實驗平臺，打破時間和空間的限制。所有的實驗室管理工作數據都可以通過平臺自動統計，為后續教學管理和開展教學改革提供可靠依據。

（二）智能管理系統架構設計

在物聯網技術發展背景下，利用信息采集、無線通信技術和數據處理與分析等關鍵技術對實驗室的整個運行過程進行監控。智能管理系統設計時可將校園一卡通、 微信公眾號與實驗室智能管理系統連接起來，構建出一種新型高效的智能管理模式[4]。智能管理系統架構如圖2所示，由感知層、傳輸層和應用層三個結構組成[5-6]。

感知層是系統的數據采集終端，由各種環境傳感器、報警器、智能門禁、視頻監控等部分組成。感知層能對實驗室監控信息、人員進入情況、環境數據進行實時采集，并將其傳送至傳輸層，管理員可以及時掌握實驗室環境安全情況和使用情況。

傳輸層是系統的通信層，包括各種協調器和網關設備，它主要完成上下層數據傳輸和網絡接入的功能，可提供包括ZigBee、Wi-Fi、藍牙、移動通信網和互聯網等多種網絡接入方式。該系統中的環境傳感器采集的數據可通過ZigBee、Wi-Fi、藍牙等通信方式接入物聯網網關，物聯網網關進行協議轉換后將數據傳輸至相關服務器進行存儲，用戶可通過移動通信網和互聯網等方式進行數據訪問和控制。

應用層是對傳輸層傳送的相關數據進行存儲、分析和處理，包括系統界面、數據存儲、業務邏輯和中間控制件等部分。應用層可通過大數據、人工智能等技術構建智能、高效的實驗教學管理系統，完成人員管理、實驗室安全管理、教學管理、設備耗材管理和資源管理等方面的功能。

四、高校實驗室智能管理系統建設

實驗室智能管理系統需要在實驗室安裝智能化設備，開發相應的管理軟件，利用物聯網技術實現教師端、學生端、設備端和管理端的互通，從而達到真正的、安全的開放式實驗。智能管理系統需要完成智能實驗室和實驗教學管理系統兩個方面的建設。

（一）智能實驗室建設

智能實驗室建設主要是硬件方面的建設，即智能監控系統，包括實驗室各種環境傳感器（包括溫濕度、煙霧、氣體等傳感器）、智能門禁卡、智能攝像頭、儀器設備RFID標簽、報警器等，方便實驗室的遠程監控，以期能夠及時準確地了解實驗室的人員進入、設備使用和環境安全情況。

1.環境監測

系統可以通過實驗室內布置的各種環境傳感器實時監測實驗室溫濕度、煙霧、有害氣體濃度，對超過安全值的情況實時進行現場報警，并將信息傳送給管理人員，及時進行干預。

2.智能門禁

實驗室管理人員在開課學期為學生開通權限后，學生可以使用校園一卡通刷卡或人臉識別進入實驗室。智能門禁系統能保證正常實驗教學的開門、學生考勤記錄，教師教學記錄。同時為了課外開放實驗也能高效管理，學生應提交課外實驗預約申請，在規定時間得到準入權限。

3.智能監控

通過實驗室安裝的高清攝像頭可以實時記錄實驗室動態狀況，實驗室管理員可通過智能管理系統或手機App，遠程查看實驗室監控視頻，實現對實驗室的可視化管理。

4.儀器設備智能管理

儀器設備的智能管理可通過每臺設備上的RFID裝置完成，可上傳設備ID、使用信息、當前位置、設備完好情況，從而實現對該設備的實時監控。為后續的實驗數據統計、儀器設備的管理、維護與采購提供精準依據。

（二）實驗室智能管理系統軟件建設

1.人員準入管理模塊

人員準入管理模塊是系統的基礎模塊，可以與學校教務系統對接，對師生的基本信息進行采集和存儲，主要有教師和學生兩類用戶，教師又分為實驗指導教師和管理人員，根據賬戶類型對教師設定相應權限。人員管理模塊可以滿足管理人員的信息添加、修改、刪除和查詢等要求，還能針對實驗室使用人員的信息變化情況進行實時調整，為開展課內實驗教學和開放式實驗提供保障，提高智能實驗室的動態化管理水平。

2.實驗環境管理模塊

實驗環境管理模塊主要是對出入實驗室人員、實驗室環境監測、實驗室動態狀況三個方面進行管理，分別由智能門禁、環境監測和智能監控完成。

系統與教務系統進行對接，根據實驗課表確定本學期進入實驗室的師生權限，教師和學生可以通過刷卡或刷臉的方式進入實驗室，實現了不同班級和使用人員的有效協調。其他需要進入實驗室開展課外實驗的同學通過預約功能也可以申請進入的權限，提高實驗室管理效率。環境監測信息和視頻監控信息會實時上傳至系統，管理人員可以及時掌握實驗室運行狀態，對于突發狀況可以第一時間做出處理，確保實驗室的安全、高效管理。

3.實驗教學管理模塊

實驗教學管理模塊包括教學計劃內實驗管理、個性化實驗管理和開放式實驗管理。教學計劃內實驗管理部分包括實驗安全學習、考勤記錄、實驗教學資料、實驗報告和實驗成績等內容，其中，考勤記錄由智能門禁系統進行統計上傳至該模塊。教師上傳實驗教學資料，學生上傳實驗報告，教師在線批改實驗報告，實時給出該實驗項目成績。個性化實驗管理主要針對課內實驗不能按時完成的學生，可以利用課外時間繼續進行實驗，學生需要提交實驗預約申請，自主進入實驗室進行實驗。開放式實驗管理主要針對有課外自主學習、開展創新項目研究、學科競賽等需求的學生，該部分包括實驗安全學習、創新項目或實驗項目方案審核、實驗預約申請和指導教師審批等內容。學生需要在系統中提交項目實驗方案，由指導教師審批通過后，提交實驗預約申請。開放式實驗申請成功后，只要在預約實驗時間范圍內就可以進入實驗室并取得設備使用權限。開放式實驗的教學管理流程如圖3所示。

4.設備和耗材管理模塊

設備管理模塊包括設備基本信息、設備使用預約、設備報修等部分。本系統與學校資產管理系統對接，每套設備分配一個身份碼，學生通過預約系統進入實驗室時可以同時預約實驗設備的使用權限，使用過程中出現問題可以直接通過系統進行故障申報。該系統對設備從進入實驗室到報廢實行全方位監控。“雙創”環境下，學生可以根據自己的需求靈活預約實驗設備，在自主實驗過程中，教師和管理人員又可以實時掌握學生的實驗情況。

耗材管理模塊主要是對耗材的購置日期、型號規格、入庫和出庫信息、各耗材的庫存量進行管理，方便實驗室管理人員根據系統中的信息及時補充和更新相關實驗耗材，使實驗室管理工作更加精準化、智能化。

5.資源管理模塊

資源管理模塊包括本地資源管理和線上資源管理兩個部分。本地資源主要涉及計劃內的實驗項目，包括各種教學資料和教學數據的管理，對于所有的實驗數據，通過存儲終端進行保存，更便于查詢，精準度和安全性更高，可為教學科研提供更科學的依據。

線上資源管理就是在系統中引入各種學習資源鏈接。各種教學平臺上都提供了優質的實驗教學視頻和實驗操作視頻資源，對于一些高危險性、高成本和創新性的實驗項目，各種虛擬實驗平臺也成為各高校的教學選擇。通過智能管理系統，學生可以方便地訪問各教學平臺和虛擬實驗平臺，根據需要選擇適合自己的學習資源，從而獲得更大的自主學習空間，提高學生的自主創新能力。

五、高校實驗室智能管理系統應用前景

在智能化時代，將現代信息技術深度融合到實踐教學管理過程中，營造智慧實驗環境，探索實施個性化的實踐教學。一方面可以保證正常實驗教學和相關管理工作的高效開展，另一方面可以為全方位開放式、協同式實驗模式的有效實施提供保障。本系統在推進新工科建設的過程中，以學生為本，堅持知識傳授、能力培養、素質提高協調發展的教育理念，旨在提高高校實驗室管理水平，解決傳統人工模式下的局限性問題，真正為學生開放實驗室，真正體現實驗室的核心價值及作用。

參考文獻

[1]張宏瑞，張蝶.高校實驗室智能管理系統建設及應用問題探究[J].無線互聯科技，2022，19（20）：27-29.

[2]教育部．教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見[EB/OL].[2018-10-08].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351887.html.

[3]邱敦國，陳艷，楊琴敏，等.“雙創”智能化自主實驗平臺建設與運行管理研究[J].實驗技術與管理，2020，37（11）：253-256.

[4]孫澄宇，于軍，魯志海.基于“互聯網+”的高校實驗室智能管理信息系統構建[J].數字技術與應用，2021，39（10）：129-131.

[5]許海峰，周瑋，瞿唯，等.智能物聯網實驗平臺教學研究與設計[J].宿州學院學報，2023，38（03）：16-19.

[6]胡國強，楊彥榮.智慧教育背景下高校智慧實驗室的構建與研究[J].實驗技術與管理，2021，38（03）：283-287.

基金項目：荊楚理工學院科研項目“‘雙創’背景下高校實驗室智能管理模式研究與構建”（項目編號：YB202302）

作者單位：荊楚理工學院電子信息工程學院

責任編輯：王穎振、鄭凱津