張凱 宋慧寧 楊再明

摘 要：智慧實驗室作為智慧校園的重要組成部分，是學校信息化發(fā)展到一定程度的內在訴求。文章在分析傳統(tǒng)高校實驗室管理存在問題的基礎上，深入剖析了智慧實驗室的內涵?；谛乱淮畔⒓夹g，從基礎設施、網(wǎng)絡環(huán)境、硬件、軟件四要素出發(fā)，搭建了一個由設備感知層、智能控制層、網(wǎng)絡層、服務層、業(yè)務應用層、用戶層組成的系統(tǒng)體系結構，展示了智慧實驗室系統(tǒng)的構建思路，目的是幫助實驗室實現(xiàn)智慧化、精細化與規(guī)范化的全時空管理、全要素管理、全生命周期管理。

關鍵詞：智慧實驗室;實驗室管理;實驗室建設;系統(tǒng)構建

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2019）06-0030-06

收稿日期：2019-06-02

基金項目：江蘇省現(xiàn)代教育技術研究2018年度智慧校園專項課題“智慧教學環(huán)境的構建與應用研究”（2018-R-66874）;2019年度中國礦業(yè)大學教學研究項目“智慧教室的構建與應用研究”（2019YB57）;2019年高校教育信息化研究課題“高校智慧教室應用需求分析及多屏交互策略設計研究”（YQ201909-4）和“大規(guī)模智慧教室建設使用過程中的運維管理研究”（YQ201906-4）

作者簡介：張凱（1988— ），男，河南周口人，碩士研究生，中國礦業(yè)大學公共教學服務中心實驗師，研究方向為智慧教育、教學環(huán)境設計、教育裝備;宋慧寧（1985— ），女，河南安陽人，徐州工程學院外國語學院實驗師，碩士研究生，研究方向為教育技術、教學設計;楊再明（1963— ），男，江蘇泰州人，中國礦業(yè)大學公共教學服務中心主任，碩士研究生，副研究員，研究方向為現(xiàn)代教育技術。

實驗教學是高校課程學習的重要組成部分，是學生獲取、掌握知識的重要途徑，是深化課堂教學的重要環(huán)節(jié)?！督逃筷P于加快建設高水平本科教育? 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》指出，要“打造適應學生自主學習、自主管理、自主服務需求的智慧課堂、智慧實驗室、智慧校園。大力推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代技術在教學和管理中的應用”。[1]智慧實驗室作為“智慧校園”的重要組成部分，是學校信息化發(fā)展到一定程度的內在訴求。

一 、高校實驗室信息化管理的現(xiàn)狀

在前期建設過程中，由于大部分的實驗室分布在二級學院，相關人員較為關注實驗教學硬件設備購置，忽略對設備的開放使用、安全管理等方面的建設，導致在后期使用過程中暴露出了諸多問題。比如：（1）儀器、設備分布在各個實驗室，盡管有專人管理，但是缺乏集中統(tǒng)一的管理平臺，學校很難快速準確定位、跟蹤設備。（2）室內照明、設備供電無法智能化管理，造成資源和能源的浪費。（3）溫濕度、有害氣體濃度、顆粒物濃度、煙霧濃度、粉塵濃度、噪聲等指標無法實時監(jiān)測，對各類潛在的威脅和危險無法提前預知并發(fā)出警告。（4）不同院系實驗室之間資源利用分配不協(xié)調， 存在“信息孤島”現(xiàn)象，資源共享難以實現(xiàn)。（5）實驗教學資源分散、優(yōu)秀實驗案例資源缺乏收集和整理，無法共建共享。[2][3][4][5]隨著大量開放式實驗教學的開展，如何有效解決實驗室的高效運行與管理成為實驗室管理中亟待探討研究的問題之一，對實驗室的智慧化、安全化建設與管理成為領域內人士關注的熱點問題。

二 、智慧實驗室的內涵

2008年，IBM公司首席執(zhí)行官彭明盛提出了智慧地球（Smarter Planet）的概念，他認為智慧地球的三要素是物聯(lián)化、智能化、互聯(lián)化。智能化的技術正時時刻刻被應用到生活的方方面面，如醫(yī)療、交通、電力、教育等，基于此，一系列的智慧化的行業(yè)解決方案很快被衍生出來，其中就包括智慧教育、智慧校園。

關于智慧實驗室目前尚未有統(tǒng)一的概念，研究者從不同的角度來闡述智慧實驗室，形成了各式各樣的觀點。周春月等認為智慧實驗室是以物聯(lián)網(wǎng)技術為核心，借助新一代信息技術實現(xiàn)實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯(lián)與信息共享，人員的互動協(xié)作等全面的智能感知實驗環(huán)境和綜合信息服務平臺。[6]賈維丁認為智慧實驗室以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智能化控制和移動互聯(lián)等信息技術應用為主線，將實驗室中的物理設施、信息設施、學習生活設施和科研設施連接起來，通過感知、物聯(lián)、智能化的方式，達到智能自動化管理和監(jiān)控，保證實驗室的安全，創(chuàng)造一個綠色環(huán)保、智能舒適的實驗環(huán)境。[7][8]

本文認為智慧實驗室是以現(xiàn)代教育思想與理念為指導，以提高學生實踐能力和創(chuàng)新能力為目標，將物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智能技術等新一代信息技術有機融合于實驗室的管理和教學過程中，建設成具有全面感知物理環(huán)境、智能化管理與控制、教學過程可視化記錄與評價、資源和信息互聯(lián)共享、師生協(xié)作與互動一體化的實驗室學習空間和“一站式”服務平臺，實現(xiàn)實驗室建設的進一步精細化動態(tài)化管理、全時空管理、全要素管理、全生命周期管理。智慧實驗室通過將新一代信息技術和智能化設備與實驗室有機融合，以現(xiàn)代教育思想與理念為指導，基于物聯(lián)網(wǎng)技術構建全面感知的物理環(huán)境，基于互聯(lián)網(wǎng)構建開放、互動、共享的綜合實驗信息服務平臺，基于智能控制技術構建可視化、智能化的自動化管理和監(jiān)控，基于云計算、大數(shù)據(jù)等技術實現(xiàn)實驗教學過程的可視化采集、傳輸、交互、評價、應用和服務。

三 、智慧實驗室的系統(tǒng)架構模型

在對智慧實驗室內涵分析的基礎上，秉承模塊化設計理念，筆者認為在基礎硬件設施上，可將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等信息技術與實驗室的基礎設備和應用系統(tǒng)進行有機融合，從基礎設施、網(wǎng)絡環(huán)境、硬件、軟件四要素出發(fā)，搭建一個由設備感知層、智能控制層、網(wǎng)絡層、服務層、業(yè)務應用層、用戶層組成的系統(tǒng)體系結構（如圖1所示）。

（一）設備感知層

利用各種物聯(lián)網(wǎng)技術和智能感應技術，通過IC卡、二維條碼、射頻標簽、攝像機、各類傳感器等自動標識，實時獲取各種監(jiān)測信息，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的全面感知、設備的識別及信息的采集等，并可以依據(jù)采集的大數(shù)據(jù)智能預測一般規(guī)律和發(fā)展趨勢。實驗室設備感知層的設備主要包括門禁系統(tǒng)、多媒體設備、照明系統(tǒng)RFID標簽、二維碼、攝像頭、空調與新風系統(tǒng)、各類傳感器（二氧化碳濃度傳感器、有害氣體濃度傳感器、水浸傳感器、溫濕度傳感器、光敏傳感器）等。如：利用低頻和高頻的RFID設備進行門禁管理、刷卡考勤、設備盤點與統(tǒng)計等，利用攝像頭和智能錄播設備實現(xiàn)無感知考勤、實驗教學全過程視頻采集及實驗室安全監(jiān)控等功能。

（二）智能控制層

智能控制單元是智慧實驗室管理系統(tǒng)的核心支撐系統(tǒng)，具備精準控制、智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策等功能，是實驗室系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)應用的控制和執(zhí)行終端，能夠執(zhí)行各種管理指令，從而使實驗室達到系統(tǒng)化的智能運行管理。智能控制層主要包含三種類型設備：智能電源控制系統(tǒng)、實驗室智能中控系統(tǒng)、多媒體智能控制系統(tǒng)。

（三）網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層相當于人體的中樞神經，實現(xiàn)人與人、設備與設備、人與設備之間全面的互聯(lián)互通，承載智慧實驗室所有的軟件平臺、硬件設備、基礎設施、人等信息之間的傳輸，為師生提供可靠、穩(wěn)定的泛在基礎網(wǎng)絡環(huán)境和持續(xù)的服務會話及感知數(shù)據(jù)的接入和傳輸。網(wǎng)絡層所涉及的網(wǎng)絡有有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)等，各網(wǎng)絡之間協(xié)調工作，使信息空間與物理空間能夠無縫對接、全面聯(lián)通。

（四）服務層

為消除各學院及各應用系統(tǒng)之間的“信息孤島”現(xiàn)象，利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘等技術為基礎，深度整合數(shù)據(jù)資源，統(tǒng)一信息管理，建立一個統(tǒng)一的、共享的、標準的數(shù)據(jù)融合綜合服務平臺。主要包括統(tǒng)一身份認證、云計算與云存儲、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫服務平臺、虛擬化桌面、直播和錄播、大數(shù)據(jù)挖掘、服務器集群等基礎服務，為實驗室的數(shù)據(jù)融合和服務融合奠定基礎。

（五）業(yè)務應用層和用戶層

業(yè)務應用層旨在構建一個多服務綜合管理平臺，實現(xiàn)教學管理、實驗教學、資源管理、環(huán)境監(jiān)控等諸多應用，使得它們集成于統(tǒng)一的管理平臺之上，形成開放的實驗室系統(tǒng)，并為實驗室評估、實驗室建設及實驗教學質量管理等方面的決策提供數(shù)據(jù)支持。在實際建設過程中，可以根據(jù)學校的實際需求，以“業(yè)務支撐平臺”為基礎，靈活搭配豐富多樣的拓展應用模塊，最大限度滿足學校、學院、實驗中心、教師和學生等使用方和管理方的需求，實現(xiàn)實驗室相關工作智能化、規(guī)范化、信息化管理，把管理工作從粗放式向精細化管理轉變，從而達到減少資源浪費的目的。

（六）智慧實驗室運作機制

在智慧實驗室層級架構中，實驗室信息及安全標準與規(guī)范和實驗室工作體系與管理機制在外圍方面起到了加強作用。實驗室信息及安全標準與規(guī)范是智慧實驗室建設的重要支撐，實驗室的安全性涉及實驗室實體安全、運行安全、信息安全。實驗室的規(guī)范化運作，除了基于技術方面的規(guī)范，建立統(tǒng)一標準的實驗室工作體系與管理機制同樣非常重要。技術與制度相結合，操作規(guī)范與智慧化的管理方式相配合，才能將高校智慧型實驗室建設的智慧化優(yōu)勢發(fā)揮到極致。[9][10]

四 、智慧實驗室的構建路徑選擇

智慧實驗室平臺將云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等信息技術有機融合，運用“互聯(lián)網(wǎng)+”等新思維、新理念，以智慧化的實驗室綜合管理系統(tǒng)、實驗室高清視頻示教系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、多媒體演示系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)等為核心應用，集教學管理、開放管理、設備管理、項目管理等于一體[11]，旨在促進實驗室管理手段的革新和教學質量的提升。

（一）實驗室綜合管理系統(tǒng)

作為實驗室規(guī)范化、信息化建設的核心部分，實驗室綜合管理系統(tǒng)承載了實驗教學管理、實驗室開放管理、儀器設備管理、低值品與耗材管理、項目與采購管理等軟件模塊的所有基礎數(shù)據(jù)。

1.實驗室教學管理

實驗室教學管理主要涵蓋實驗室排（調）課、實驗成績、人員考勤、課時統(tǒng)計等方面。重點利用好智能化排課系統(tǒng)，管理人員可以根據(jù)實驗內容和教學儀器設備條件、可利用時間，按課程、教師、周次、節(jié)次、起始時間、實驗人數(shù)安排實驗室，做出具體安排后形成實驗室課表，并發(fā)放給任課老師、實驗室管理員、學生[12]。而教學管理系統(tǒng)可以與門禁管理系統(tǒng)結合，通過與校園一卡通對接，讀取一卡通系統(tǒng)的師生信息，實現(xiàn)教學實驗分批分組智能安排、考勤簽到、實驗過程跟蹤監(jiān)控及實驗上課信息匯總統(tǒng)計等。

2.實驗室開放管理

實驗室開放管理以學生為主體，以實驗室資源為核心，在時間、空間上對師生開放使用，授課時間由教師和學生按照自己的課余時間自主選定。這種開放管理為師生提供了更多的實驗時間和更優(yōu)越的實驗條件，打破了傳統(tǒng)集中實驗教學模式，發(fā)揮了師生主體性，提高了教學活力。

實驗室開放管理支持實驗室開放、大型儀器開放、實驗項目開放、自主訓練開放等多種模式，涵蓋預約前管理、預約管理、實驗過程管理、實驗后管理全生命周期的業(yè)務流程，并啟用安全準入、培訓管理、信譽積分等三大保障機制，確保實驗室開放后各業(yè)務流程穩(wěn)定、有序、安全地運行。具體操作如下：公示實驗室資源、開放時間段、預約信息、規(guī)章制度及安全準入考核、培訓學習考核等內容。預約前進行安全準入和培訓檢測，并需要完成預習內容和通過測試才可提交當次預約。預約管理遵循先約先使用的原則，預約后需要審批，最后公開實驗室預約狀態(tài)。實驗過程管理需要進行人員身份認證、出入信息采集，保證所有出入實驗室人員都是被授權的。管理人員可以實時監(jiān)測儀器運行狀態(tài)、當前使用人員、當前預約狀態(tài)，進行儀器電源管控和對視頻實時動態(tài)進行監(jiān)控。實驗后管理人員根據(jù)使用狀況，會給使用人員一定的信譽積分。實驗室管理人員可以出入查詢儀器使用信息、查看實驗室監(jiān)控等。

3.儀器設備管理

儀器設備管理信息包括各類儀器設備的名稱、圖片、設備編號、型號、規(guī)格、數(shù)量、廠家、價值、經費來源等基礎信息，以及樣品規(guī)格、使用指南、實驗環(huán)境及條件等開放信息。通過RFID物聯(lián)網(wǎng)軟硬件集成，利用RFID電子標簽實時監(jiān)控資產的使用、流動情況和自動化盤點，將資產入庫、盤點、領用、變更、維修、調撥、清理等進行全生命周期精細化管理。綜合管理平臺上可以實時顯示儀器設備的狀態(tài)，如空閑中、實驗中、維護中、故障、未啟用等。后臺詳細記錄從購買之日起儀器設備的使用狀況，如使用頻率、維修記錄、耗材使用等信息，為日后的實驗室建設及儀器設備采購提供數(shù)據(jù)信息，通過大數(shù)據(jù)分析可以幫助在設備申購、更新、維護等方面做出科學的決策。

4.低值品與耗材管理

基于物聯(lián)網(wǎng)、RFID、高清圖像采集、無線通信等技術實現(xiàn)低值品和耗材的智能化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對低值品與耗材的入庫、出庫、調撥、盤點、訂單等功能操作，自動對出入庫物資信息進行識別判斷，圖形化展示庫存和出庫信息。手持RFID設備或在系統(tǒng)中手動進行物資盤點，記錄出入庫、借還、報警、系統(tǒng)操作日志等信息，實現(xiàn)物資出入安全管理、智能環(huán)境監(jiān)測管理、自動圖像采集、聲光報警等多種功能，從而對低值品與耗材做到可視化、信息化和智能化管理。

5.項目與采購管理

傳統(tǒng)的項目申報和設備采購工作，紙質資料非常多，過程極為繁雜，不但影響了項目執(zhí)行的效率，也增加了執(zhí)行的難度，學校也難以監(jiān)管到位。針對這樣的情況，就需要充分利用云計算、大數(shù)據(jù)、電子商務等新技術，構建一站式服務的項目申報與設備采購平臺，涵蓋實驗室及設備方面的項目申請、立項、采購申請、采購項目受理及采購方案制訂及文件編制、公示公告發(fā)布、開評標情況記錄、采購合同管理、外貿合同執(zhí)行、采購項目動態(tài)以及后期的建賬、報銷等程序，以此提高實驗室項目申請、項目執(zhí)行、采購效率和管理水平，將教師從復雜的申請、申購、建賬、報銷程序中解放出來，更專心地投入教學和科研工作中。

（二）高清視頻示教系統(tǒng)

實驗現(xiàn)場條件特殊、操作空間窄、觀摩人數(shù)受限，致使實驗教學存在部分學生無法看清實驗操作演示過程。高清視頻示教系統(tǒng)通過前端配置的高清一體化攝像機記錄實驗過程，可以做到使每個學生都能清楚地看到現(xiàn)場操作情況。系統(tǒng)可以對實驗室安全進行登記，并精細化記錄實驗室操作情況，主要有示范視頻錄制、同步直播、自主學習等功能。示范視頻錄制功能可以將教師的示范性操作進行實時多角度（特寫視頻、全景視頻、課件視頻）、多路視頻進行錄像，完整地記錄示教過程，并作為教學錄像上傳到資源平臺。同時，系統(tǒng)將多路高清畫面在平臺上進行同步直播，局域網(wǎng)及因特網(wǎng)用戶均可接收觀看。實驗室配置有觸控一體機，實時錄制的實驗可以通過觸控一體機進行點播回看，用于自主教與學，亦可同步顯示本地高清實驗直播示范。在開放實驗中，實時直播本地畫面，同時將現(xiàn)場操作情景進行記錄，學生可以回放操作過程，進行自我診斷。學生也可以自主拍攝練習視頻上傳，供教師進行評價或推薦給其他學生觀摩。[13]

交互系統(tǒng)為實驗、見習、實習、實訓等實踐活動提供靈活的活動形式，能實現(xiàn)低成本、高頻次、高效率的教學活動。交互系統(tǒng)分為兩個部分：主講端（示教室）和互動端（交互室）。主講端是示范性講解及遠端畫面。互動端是遠程現(xiàn)場講解及全景畫面，通過圖像和主動聲音捕捉實現(xiàn)雙方視頻互動。示教室和交互室整個教學互動過程通過場景采集軟件得以實時記錄下來并發(fā)布到智慧實驗室平臺形成優(yōu)質教學實驗示教資源。

（三）實驗室硬件管理平臺

1.多媒體演示系統(tǒng)

在這個信息技術發(fā)達的時代，多媒體演示系統(tǒng)作為現(xiàn)代化教學的一種表現(xiàn)手段，成為建設智慧實驗室必不可少的實驗教學工具。它由中央控制系統(tǒng)、計算機、觸控一體機、投影設備、投影幕、數(shù)字視頻展示臺、音響設備等組成。運用TCP/IP協(xié)議，中央控制系統(tǒng)集中控制多媒體設備終端，利用配套網(wǎng)絡管理平臺可以實現(xiàn)對中控外聯(lián)多媒體設備的遠程控制，具備設備的一鍵開啟或關閉、投影機輸入信號的切換、幕布的升降、設備遠程監(jiān)測（開啟狀態(tài)、被盜報警、燈泡的使用時間、異常提醒等）功能，實現(xiàn)了對實驗室多媒體教學設備的集中化、網(wǎng)絡化、智能化管理和控制，可以快速準確地掌握多媒體設備使用情況，及時發(fā)現(xiàn)故障和隱患，真正做到動態(tài)、智能化地管理和維護，提高管理效率。

2.智能電源控制系統(tǒng)

智能電源控制系統(tǒng)通過管理平臺可進行電源的集中控制與管理。時序電源開啟，避免設備同時通電造成瞬間的大電流沖擊，監(jiān)測每一路電源的通斷狀態(tài)、電壓、電流，隨時隨地掌握設備所處的用電環(huán)境，保證設備安全穩(wěn)定運行;主輔雙電源模塊，當電源模塊發(fā)生故障時，自動切換到備用電源模塊，保證前端設備供電不間斷，保證設備的安全、穩(wěn)定、可靠運行;電路能耗分析可以全面掌握各個用電設備的能耗情況，讓電力應用更加節(jié)能環(huán)保。

3.實驗設備中央控制系統(tǒng)

實驗設備中央控制系統(tǒng)提供通用和專用的接口協(xié)議，與實驗設備、網(wǎng)絡交換機、服務器等進行網(wǎng)絡連接，接收并存儲其下發(fā)的控制策略，記錄實驗設備使用信息（開啟時間、關閉時間、使用人員、所在院系等），存儲本地操作記錄、實驗數(shù)據(jù)，并上傳服務器存儲于個人空間，構建統(tǒng)一共享的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

4.實驗室綜合物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)

實驗室綜合物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)主要使用傳感技術、射頻識別技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、智能技術，涵蓋門禁系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、安全監(jiān)控、IP對講系統(tǒng)、各類傳感器系統(tǒng)等。通過門禁系統(tǒng)可實現(xiàn)開放式預約管理，有效地進行學生身份識別和出入口安全管理，并且記錄所有出入人、物的詳細情況。配合各實驗室視頻采集設備，通過科學、高效的管理手段，構建行之有效的實驗室安全管理監(jiān)控防范體系，安全層層落實，責任到人，提升實驗室安全系數(shù)。IP對講系統(tǒng)可分通道進行廣播對講，同時可對教室內的聲音進行收聽，了解教室內的聲音情況，配合視頻全方位一體監(jiān)控。可通過對講設備和實驗室指導教師進行遠程對講，向實驗室中心尋求實驗指導和幫助。傳感器對室內的溫濕度、照明、消防系統(tǒng)、漏水、漏油、空調、新風機、空氣質量等進行實時監(jiān)測，一旦實驗室的環(huán)境條件如溫度、濕度、照明度、空氣凈化度等出現(xiàn)異常，中央處理系統(tǒng)便會在第一時間自動發(fā)出指令，系統(tǒng)進行多重報警，如語音報警、短信報警、E-mail報警，并通過控制安置在實驗室中的各種智能開關，解決一切的安全隱患問題。[14]

五、結束語

本文構建的智慧實驗室，在實踐工作中能夠提高實驗室的教學管理水平，提高教學設備利用率，減輕實驗室管理人員工作負擔，為廣大師生提供教學實驗、科研創(chuàng)新、自主創(chuàng)新等自由靈活的實驗基地，為高技能人才培養(yǎng)提供強有力的支持保障，徹底改變了以往實驗室粗放的管理模式。但智慧實驗室建設是一項長期的艱巨而復雜的工程，學校一定要建立明確完整的項目組織機構，明確人員職責，使各部門相關人員能夠在職責的激勵下積極地參與項目的實施。同時，要建立完善的運行保障機制，包括配套的管理規(guī)范、流程和措施等，確保系統(tǒng)使用價值的實現(xiàn)。此外，要建立多層次、分類別、多形式、重實效的信息化人才培養(yǎng)、考核、評估制度，提升實驗室信息技術崗位人員知識和技能，以適應信息技術發(fā)展變化的要求。

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（責任編輯 孫志莉 孫興麗）