孫澄宇 于軍 魯志海

1.吉林化工學院;2.山東京博控股集團有限公司

實驗室是高校進行教學實踐和人才培養(yǎng)的重要場所,利用現(xiàn)代信息技術(shù)建設(shè)新型實驗室智能管理系統(tǒng),可有效解決當前高校實驗室在安全、管理等方面存在的問題。本文基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)探討了一種集人員管理、器材管控以及環(huán)境監(jiān)測等多功能于一體的實驗室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r對實驗過程、設(shè)備工作狀態(tài)、實驗室溫濕度、物品使用情況等信息進行采集、分析、存儲以及控制,從而實現(xiàn)實驗室的智能化管理,提高管理工作的便捷性和準確性,為高校實驗室安全管理與信息技術(shù)融合提供參考。

0 引言

實驗室作為高校人才培養(yǎng)的重要場所,是培養(yǎng)學生運用知識能力、實踐創(chuàng)新能力的重要平臺,在高校教學環(huán)節(jié)中具有非常重要的作用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及學生數(shù)量的增加,對實驗室的信息化水平要求也越來越高,對實驗室管理人員的工作提出了強大的挑戰(zhàn)?？傊?當前實驗室建設(shè)現(xiàn)狀已經(jīng)無法適應(yīng)新時期教學改革的要求,亟需在“互聯(lián)網(wǎng)+”的基礎(chǔ)上,加快信息技術(shù)融合,不斷探索和創(chuàng)新管理模式,推進實驗室管理的制度化、規(guī)范化和信息化,對實驗室設(shè)備和材料實施高效、安全管理,為師生提供便利、快捷的服務(wù),以適應(yīng)科技發(fā)展對高校教學改革的需要[1]。

1 實驗室管理中存在的問題

1.1 實驗室專職管理人員數(shù)量不足

傳統(tǒng)實驗室教學管理模式下,很多實驗室沒有專職的管理和維護人員,設(shè)備的管理與維修、實驗材料的保管與處理等工作通常由實驗教師現(xiàn)場進行,而在上完課后存在的問題又留給了下次上課的教師。在這種情況下,很少有教師在平時去關(guān)心設(shè)備的狀態(tài)、材料的保管等問題,導致設(shè)備維護、保養(yǎng)不及時,實驗設(shè)備在出現(xiàn)故障的時候通常需要找專門的技術(shù)人員上門維修,實效性差。同時,隨著學校對實驗教學的重視,加大投資,新進了很多先進的儀器和設(shè)備,現(xiàn)有的教師對其使用和維護方法不熟悉,只能現(xiàn)學現(xiàn)教,急需實驗室配備專門的技術(shù)人員,對設(shè)備器材進行有效的管理[2]。

1.2 實驗室資源不共享,綜合利用率低

當前高校實驗室中,各學院的實驗室基本采取獨立管理,學校把實驗室按照專業(yè)分給各學院,各學院再把其分配給各任課教師管理,負責實驗室設(shè)備的使用和管理,這種管理模式使各學院的教學資源不能共享,存在資源浪費的現(xiàn)象。需要將這些資源進行集中管理、優(yōu)化配置、合理共享、有效利用,各學院相同專業(yè)之間形成開放性、綜合性的共享機制,從而實現(xiàn)跨學科的交叉滲透,以培養(yǎng)學生的綜合實操能力和創(chuàng)新思維。

1.3 智能化程度差,信息無法實時采集

傳統(tǒng)實驗室管理過程中還存在很多弊端,實驗課上進行學生考勤工作時,通常采用教師點名,或?qū)W生簽到的方式進行,一是占用了寶貴的上課時間,二是真實性還不是特別準確,在最后成績評定的時候還要費力去一一查對。而在實驗設(shè)備與材料的登記和使用時,也基本是用紙和筆逐一記錄,比如耗材庫存量、入庫出庫信息等,過程繁瑣,這不僅增加了實驗教師的工作量,在信息統(tǒng)計、查看的時候也勞神費力,資產(chǎn)動態(tài)管理難落實,容易出錯。實驗室的設(shè)備通常比較貴重,對室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境要求比較高,需要實時監(jiān)控實驗室內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)。還有的實驗用材料屬于危險的化學藥品或易燃易爆物品,對其管制需要更加嚴格。而很多實驗室的現(xiàn)有條件并不具備在線監(jiān)控功能,只能靠人為查看,實時性不好[3-4]。

2 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的實驗室智能管理系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能實驗室管理系統(tǒng)由感知層、傳輸層、應(yīng)用層三層架構(gòu)組成,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中,感知層是整個系統(tǒng)的底層,主要包括各種信息采集終端,對視頻監(jiān)控信息、人員信息、實驗設(shè)備運行參數(shù)、環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)等信息進行采集,然后將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)傳輸層。傳輸層起著通信的作用,包括各種協(xié)調(diào)和網(wǎng)關(guān),常見的幾種無線通信技術(shù)有:Zigbee、藍牙、Wi-Fi等,是感知層與應(yīng)用層之間通信的橋梁,感知層采集到的信息通過傳輸層輸送到應(yīng)用層。應(yīng)用層對各信息進行分析、儲存和管理,并對各設(shè)備和系統(tǒng)進行控制,應(yīng)用層主要包括用戶界面、數(shù)據(jù)庫以及各控制系統(tǒng),是整個系統(tǒng)的核心。智能實驗室管理系統(tǒng)可對實驗室設(shè)備及環(huán)境進行全面的智能感知與監(jiān)控,實現(xiàn)對實驗室的智能化、信息化與可視化管理,創(chuàng)造出一個綠色環(huán)保、低碳節(jié)能、智能安全的實驗環(huán)境,實現(xiàn)學生—教師—實驗室之間的信息交互,打破傳統(tǒng)實驗室的管理格局,更好地為學生培養(yǎng)提供保障。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計Fig.1 System architecture design

2.2 實驗室智能管理信息系統(tǒng)的功能

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下,運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過信息采集、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)管控制等功能對實驗室的整個運行過程進行管控,將校園一卡通、校園網(wǎng)公眾平臺、微信公眾號與實驗室智能控制系統(tǒng)連接越來,構(gòu)建出一種新型的智能化實驗室開放管理模式。實驗室系統(tǒng)的主要功能需求可歸納為用戶管理、機房器材管理、教務(wù)課程管理、智能控制管理等模塊,如圖2所示。

圖2 智能實驗室管理系統(tǒng)總體功能架構(gòu)Fig.2 The overall functional architecture of the intelligent laboratory management system

2.2.1 智能控制

將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到實驗室門禁系統(tǒng)中,構(gòu)建智能門禁管理系統(tǒng),對學生及教師進行出入管理。實驗管理人員根據(jù)教務(wù)系統(tǒng)發(fā)放的課程安排將學生和教師的身份證信息、學號、專業(yè)等信息先通過校園數(shù)據(jù)庫調(diào)入系統(tǒng)中,再根據(jù)不同用戶身份分配不同權(quán)限。上課之前,學生和教師可通過一卡通或人臉識別等方式進行驗證,系統(tǒng)審核身份后允許進入實驗室。平時學生沒有隨意進入實驗室的權(quán)限,如果確有需要,可以在實驗室管理系統(tǒng)中申請,管理員審核通過后方可允許進入實驗室。視頻監(jiān)控系統(tǒng)則可以實時記錄實驗室動態(tài)狀況,比如學生實驗過程、漏水、火災(zāi)等問題的隨著查看和記錄。室內(nèi)溫濕度控制則通過傳感器采集室內(nèi)環(huán)境信息,然后通過控制程序?qū)﹄妱哟昂煛⑼L機、空調(diào)等設(shè)備進行自動控制。

2.2.2 器材管理

機房設(shè)備和實驗材料是實驗室的核心,是完成實驗教學的重要條件。傳統(tǒng)實驗室在對材料進行管理里,通常要采取人工記錄方式,如入庫、出庫登記等。在對材料的庫存量、位置、型號、數(shù)量等信息的查詢時,還要通過記錄本慢慢查找,費時費力,效率很低。而對實驗室里的設(shè)備檢修工作也需要由人工定期進行,無法實現(xiàn)在線預(yù)警,實時性不好。智能實驗室管理系統(tǒng)的應(yīng)用,以上問題可得到很好的解決。(1)實時采集各設(shè)備的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)參數(shù),并對其進行分析和管理,管理員通過對數(shù)據(jù)的分析了解各設(shè)備的工作狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)和解決存在的安全隱患,使實驗設(shè)備能夠發(fā)揮其正常的工作狀態(tài)。另外,師生在進行實驗教學過程中,如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障后,可在管理系統(tǒng)或公眾平臺上在線報修,管理員接到消息后及時處理,縮短了故障設(shè)備的閑置時間,提高設(shè)備利用率。(2)實驗室的材料在系統(tǒng)中均有錄入,用戶可以在系統(tǒng)中即時查找想到的材料信息,平臺提供高效、便捷、準確的信息。如圖3所示為某化工學院在進行化學實驗之前,學生申領(lǐng)化學藥品的流程。

圖3 實驗材料申領(lǐng)流程Fig.3 Application process for experimental materials

2.2.3 教務(wù)管理

(1)課表變更。管理員用戶可以導入實驗課表,并根據(jù)調(diào)、停課情況及時更新課表。教務(wù)管理模塊不僅為系統(tǒng)的智能操作提供數(shù)據(jù)支持,還為師生用戶提供房間狀態(tài)和個人課表查詢服務(wù)。(2)開展線上、線下相結(jié)合的教學模式。實驗教學過程中,可以采用線上與線下相結(jié)合的教學模式,打破原有教學模式對時間和空間的限制。學生可通過實驗室智能管理信息系統(tǒng)App和網(wǎng)上平臺,進入實驗室數(shù)據(jù)資源庫,瀏覽相關(guān)實驗操作視頻,對實驗內(nèi)容進行自學,激發(fā)了學生學習積極性和主動性,提高其分析問題和解決問題的能力。師生之間還以實時進行在線交流,給予學生即時指導和幫助,為現(xiàn)場實驗教學提供參考,大大提高了學習效率。(3)實驗數(shù)據(jù)信息化。學生的實驗數(shù)據(jù)和實驗報告實時上傳至管理系統(tǒng)中,教師可隨時查看學生的實驗結(jié)果,并能夠?qū)嶒炦^程進行考核、評價和量化成績結(jié)果,同時反饋相關(guān)的批改和情況說明,使實驗過程更加快捷、高效。

3 結(jié)論

針對目前高校實驗室教學中存在的安全與管理問題,在傳統(tǒng)實驗室管理模式中充分融入現(xiàn)代數(shù)據(jù)信息資源管理手段,利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)從人、物、環(huán)、管等功能模塊進行高校實驗室智能管理信息系統(tǒng)構(gòu)建,從而實現(xiàn)人員管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境實時管控、教學模式改革等功能。實現(xiàn)了高校實驗室的智能化管理,對實驗室的管理更加的智慧、便捷、高效、安全。使實驗室的管理形成一個高效的整體,更加科學與規(guī)范,提高了教學效果和管理水平。

引用

[1] 周葉華.高職院校實驗室管理信息化改革的研究[J].現(xiàn)代信息科技,2019,9(18):187-189.

[2] 殷社萍,王皎月.移動互聯(lián)網(wǎng)時代高校實驗室智能化管理與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2018,35(10):256-258.

[3] 杜朋.基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的高校開放實驗室管理系統(tǒng)研究[D].淮南:安徽理工大學,2018.

[4] 陸和萍.基于數(shù)據(jù)挖掘的高校計算機實驗室管理水平評價研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2021,44(13):115-119.