張超峰，陳開洪，李政平

（福建信息職業(yè)技術(shù)學院物聯(lián)網(wǎng)與人工智能學院，福州 350003）

0 引言

培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才是新時期我國高職院校人才培養(yǎng)的重要目標［1］。怎樣把這一重要目標全面深入到高職院校日常教育工作中去，是目前各高職院校必須考慮的問題。作為高校培養(yǎng)人才的重要基地［2］——實驗室也必須適應(yīng)這一人才培養(yǎng)目標，走開放性實驗室教育之路。進一步完善和加強開放性實驗室的建設(shè)，使實驗室成為學生積累經(jīng)驗、自主創(chuàng)新、自由實踐得以體現(xiàn)的重要場所［3］。隨著社會經(jīng)濟、科學技術(shù)的發(fā)展和學生就業(yè)實行雙向選擇，對高職院校人才培養(yǎng)質(zhì)量提出了更高的要求［4］。而建設(shè)好、管理好、使用好開放性實驗室，對培養(yǎng)學生專業(yè)技能和實踐能力、創(chuàng)新能力和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度及素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義［5］。

在傳統(tǒng)的實驗教程條件下，實驗教師既要參與實驗教學工作，還需要完成實驗室管理工作，工作量大，工作效率低［6］；教師對實驗教學的過程難以管理，無法準確把握所有學生的實驗進度，無法確保實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的真實性，難以有效提升實驗教學成果，難以更好督促學生對實驗課程的重視［7］；因為實驗室管理需要，實驗室設(shè)備難于被充分利用，學生的實驗需求無法得到有效滿足，學生的實驗水平得不到有效提升［8］。

鑒于此，本文探索了電子類開放實驗室建設(shè)，以期提高實驗室管理的開放性和智能性。

1 建設(shè)目標

以目標為導向的實驗室建設(shè)，是一種快速建設(shè)實驗室的有效途徑，因此在實施前，必須明確實驗室建設(shè)的基本目標、經(jīng)濟效益、社會效益。

1.1 基本目標

實現(xiàn)實驗室使用開放化、管理平臺模塊化、安全管理智能化是電子類開放實驗室的基本目標。該目標的實現(xiàn)依托在線開放實驗室智能管理系統(tǒng)。學生端可實現(xiàn)隨時預(yù)約實驗室，經(jīng)審核后學生可按時進行實驗學習。教師端是多功能實驗教學系統(tǒng)，把學校教務(wù)信息，實驗室資源，智能設(shè)備和實驗室儀器進行整合，可24小時開放，可輔助教學，減少重復工作。

1.1.1使用開放化

學生可通過微信公眾號查詢實驗室實時狀態(tài)以及資源配置，自主預(yù)約實驗時間以及實驗臺，并取得數(shù)字鑰匙。在預(yù)約時間內(nèi)，學生憑數(shù)字鑰匙進入實驗室開展實驗。

1.1.2 管理平臺模塊化

通過開展一套在線開放實驗室適用管理系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗室管理平臺模塊化管理，便于學校后期根據(jù)實際需要擴展信息管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊。

（1）基礎(chǔ)管理?；A(chǔ)數(shù)據(jù)管理中心是實驗室管理平臺運行的核心支撐系統(tǒng)，平臺支持配置學校實驗室、師生和控制點的基本信息，為設(shè)備的智能控制提供地理位置及操作權(quán)限等。包含組織結(jié)構(gòu)管理，角色管理，班級管理、用戶及管理，學期及課節(jié)的管理，課程及項目管理，控制點管理等。

（2）教學實踐管理。平臺支持實現(xiàn)與教務(wù)系統(tǒng)進行對接，包含支持課程發(fā)布、課程調(diào)整、課表查詢、個人實踐記錄查詢以及當前實驗信息查詢；學生可實現(xiàn)自主預(yù)約管理，實驗課程完成情況統(tǒng)計，實驗課程考試結(jié)果統(tǒng)計。

（3）智能數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。以系統(tǒng)運行產(chǎn)生的大量真實數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用相關(guān)功能模塊，實現(xiàn)自動生成相關(guān)統(tǒng)計分析報表的功能，包括設(shè)備使用率、實踐教學統(tǒng)計、學生自主上機統(tǒng)計、實踐課程統(tǒng)計等。

1.1.3 安全管理智能化

通過系統(tǒng)實現(xiàn)智能門禁管理，預(yù)約實驗，分配實驗桌，預(yù)約的學生通過數(shù)字鑰匙進入實驗室，自動開啟實驗室照明，空調(diào)控制，學生在預(yù)約對應(yīng)號數(shù)的實驗臺通過掃描二維碼上電，實驗臺自動開啟照明及設(shè)備電源，實驗臺自動檢索設(shè)備運行狀態(tài)后，學生在通過人臉身份識別后，可進入實驗操作。實驗操作結(jié)束后學生可自行斷電或到達預(yù)約時間后實驗臺自動斷電，所有學生都離開實驗室10分鐘后，實驗室自動斷電，也可遠程控制設(shè)備，具備漏電保護和過載保護、煙霧報警等功能，實現(xiàn)安全預(yù)警和告警功能，實現(xiàn)實驗室無人值守。

1.2 經(jīng)濟效益

建成在線開放智能管理實驗室后，將形成具有數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化為特色的創(chuàng)新專業(yè)級實驗室，使之成為提供從事實驗教學或科學研究、生產(chǎn)試驗、技術(shù)開發(fā)的教學或科研實體的創(chuàng)新平臺。促進電子信息大類學科建設(shè)，對培養(yǎng)學生專業(yè)技能、提高學生科學研究和實踐能力、創(chuàng)新能力和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度及素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義，增強學院電子信息工程技術(shù)等專業(yè)的綜合實力與競爭力。隨著實驗室的建設(shè)完成，必將提高教師和學生的專業(yè)知識和技術(shù)創(chuàng)新能力，促進學研成果孵化，為行業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供人才和技術(shù)支持，服務(wù)于地方經(jīng)濟發(fā)展，利用學研成果轉(zhuǎn)化形成社會經(jīng)濟效益。

1.3 社會效益

建成在線開放智能管理實驗室后，可滿足應(yīng)用學院教學、科研、對外服務(wù)等領(lǐng)域的發(fā)展需求，滿足學校重點學科的建設(shè)發(fā)展需要，提高學校服務(wù)地方社會經(jīng)濟發(fā)展能力，提升學院在現(xiàn)代電子技術(shù)研發(fā)、檢測、試制的綜合研究應(yīng)用水平，為高職院校實驗室發(fā)展提供了新思路、新模式，促進兄弟院校實驗教學交流與進步。實驗室除滿足本學院電子信息學科的需要外，還可面向社會其他高校及企業(yè)開放。為數(shù)字福州、為數(shù)字福建、為我國產(chǎn)業(yè)升級提供優(yōu)質(zhì)人才。

2 設(shè)計與實現(xiàn)

為了達到電子類實驗室建設(shè)目標，需設(shè)計實現(xiàn)三個子系統(tǒng)，包括電子配件智能管理系統(tǒng)、在線智能實訓臺、開放實驗室智能管理系統(tǒng)，并進行有機整合。

2.1 電子配件智能管理系統(tǒng)

電子配件智能管理系統(tǒng)采用先進的云計算技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線RFID識別技術(shù)、手機APP等技術(shù)，對現(xiàn)有的實驗室的改造，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。它實現(xiàn)對高校實驗室器材或物品的智能存取，實驗設(shè)備裝置的歷史追溯，實驗器材的無人化存儲，實驗耗材的使用情況監(jiān)控。它亦可解決實驗室資源的浪費、實驗室器材和耗材的管理難、學生找實驗室器材和耗材流程繁瑣等問題。通過存儲系統(tǒng)的后臺系統(tǒng)，可收集每個學生、甚至每個實驗室器材的使用時長以及使用率。它有助于管理人員收集分析數(shù)據(jù)，及時掌握實驗室器材和耗材使用情況，從而實現(xiàn)對實驗耗材的及時采購補充。

圖1 電子配件智能管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

電子配件智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程授權(quán)、手機掃描存取器材和耗材、查詢存取記錄、實現(xiàn)物品智能識別。學生可事先在手機APP上預(yù)約使用器材或耗材，預(yù)約審批后，即可通過手機掃碼在實驗室存儲柜上領(lǐng)用實驗器材或耗材。手機端可實時查看實驗室存儲柜的當前使用狀態(tài)，實驗室存儲柜上可顯示柜子當前存儲的物品和數(shù)量，實驗完成后學生歸還實驗器材，存儲柜根據(jù)物品識別碼和重量實現(xiàn)實驗器材的識別。

2.1.1 存儲柜

存儲柜（儲物柜）用來管理實驗室器材和耗材的存取，其外觀如圖2所示。

圖2 存儲柜

（1）存儲柜組成。存儲柜采用10.1寸安卓主機為主控制器；安卓主機自帶高清攝像頭；可實現(xiàn)拍照記錄存取時現(xiàn)場照片；學生可以通過掃描設(shè)備上二維碼，來實現(xiàn)實驗器材的領(lǐng)用和歸還。

（2）物品識別方式。物品的識別采用RFID讀卡方式來實現(xiàn)歸還的物品的識別；RFID采用EPCglobal UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C ISO 18000-6B標準；工作頻率在860 MhZ-960 MhZ，可同時識別超過1000張標簽；RFID采用分布式讀取方式，可定位卡片在具體的格口中。

（3）平臺功能。平臺采用云服務(wù)器，方便服務(wù)器管理，系統(tǒng)擴容升級，并且可以進行數(shù)據(jù)的定時備份，保證數(shù)據(jù)的安全。平臺的功能模塊包括設(shè)備管理模塊：配置設(shè)備權(quán)限、設(shè)備區(qū)域、設(shè)備管理對象；用戶管理模塊：用戶分類、用戶基礎(chǔ)信息查詢和修改、用戶權(quán)限管理；告警管理模塊：配置告警模式、配置告警監(jiān)控范圍；設(shè)備記錄查詢模塊：各類查詢統(tǒng)計；調(diào)試管理模塊：研發(fā)調(diào)試、設(shè)備對外接口。

2.1.2 軟件開發(fā)

為使系統(tǒng)具有良好的恒通和擴展性，采用JAVA編程語言、MySQL數(shù)據(jù)庫進行開發(fā)。MySQL數(shù)據(jù)庫具有體積小、速度快、總體擁有成本低、開放源代碼、應(yīng)用廣泛等特點，加之其社區(qū)版的卓越性能，可搭配PHP和Apache服務(wù)器組成良好的開發(fā)環(huán)境。平臺操作系統(tǒng)采用Centos，因它與硬件的兼容性強，軟件生命周期長。

2.1.3 使用流程

通過實驗器材預(yù)約—>預(yù)約審批—>實驗器材領(lǐng)用—>實驗器材歸還的使用流程，實現(xiàn)實驗室器材的無人值守，智能化管理。存儲柜運行思維導圖如圖3所示。

圖3 存儲柜運行思維導圖

2.2 在線智能實訓平臺

在線智能實訓平臺含智能實訓管理軟件、觸控終端、智能控制操作臺、數(shù)字示波器、信號發(fā)生器、可編程電源，采用先進的人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和電子信息技術(shù)等相結(jié)合，使其達到掃碼登陸、自動開啟、人臉身份識別、人員信息顯示、設(shè)備狀態(tài)自檢、儀器數(shù)據(jù)自動采集、可視化管理、智能電源管理、實驗題材自索、實驗結(jié)果在線統(tǒng)計、隨機組卷、在線考試、自動評分、數(shù)據(jù)自動上傳服務(wù)器等功能。

2.2.1 在線智能實訓平臺管理軟件

（1）后臺管理。后臺管理實現(xiàn)的功能包括課表自動控制、開放預(yù)約控制、控制策略、遠程控制、控制記錄查詢、狀態(tài)監(jiān)測、與教務(wù)系統(tǒng)對接、課程發(fā)布、課程調(diào)整、課程刪除、課表查詢、實踐記錄查詢、實驗信息查看、課程統(tǒng)計、考試結(jié)果統(tǒng)計。管理軟件界面示例如圖4所示。

圖4 在線智能實訓平臺管理軟件界面示例

（2）電源管理。在學生掃碼后自動開啟設(shè)備電源，對應(yīng)實驗臺自動開啟照明及設(shè)備電源，在實驗結(jié)束后或者無人情況下實驗臺自動關(guān)機。

（3）登陸方式。實驗臺自動檢索設(shè)備運行狀態(tài)后，學生通過人臉識別登錄，可進入實驗操作?？蛇x擇刷卡登錄/掃碼登錄/帳號登錄等登錄方式。

（4）人員信息展示。實驗平臺能顯示在線實驗學生信息，如班級、姓名、學號等。

（5）UI設(shè)計。采用扁平化的UI設(shè)計風格。這樣使得UI界面變得更加干凈整齊，使用起來格外簡潔，從而帶給用戶更加良好的操作體驗。工作臺開機后，自動進入全屏化展示。在經(jīng)過短暫的儀器自檢之后，學生登錄進入答題闖關(guān)界面。界面功能區(qū)域劃分合理。界面構(gòu)成要求：左邊儀器狀態(tài)展示區(qū)，左下方關(guān)卡選擇框，右邊及中部設(shè)計顯示/查看積分排行榜和難度闖關(guān)排行榜。在左下方，展示了當前的時間日期。設(shè)計AI小助手，能夠根據(jù)實驗操作情況顯示信息提示，外形活潑可愛，靈活可拖動，正常默認放在右下角。

（6）實驗任務(wù)管理。平臺支持查看實驗任務(wù)，可切換題目。在測試時間未到之前，可提前通關(guān)。測試時間到了以后，會自動交卷。讀取儀器數(shù)據(jù)會得到儀器監(jiān)測點的提交值和所操作儀器的截圖，并對實驗結(jié)果在線統(tǒng)計，進行判斷和給分。

（7）可視化管理。實驗平臺的攝像頭在學生實驗過程中，可不定時進行圖像拍照，記錄學生在線實驗過程情況。

（8）實驗結(jié)果統(tǒng)計。實驗過程中，老師可以在總覽頁面實時觀察學生的答題進度，在學生交卷以后可自動生成實驗報告，老師可以統(tǒng)一查看這批學生的實驗結(jié)果，并評閱。

（9）試題庫管理。在線智能實驗平臺支持考試題庫創(chuàng)建與維護，從題庫中隨機生成作業(yè)和考試。支持兩種出題方式：手動篩選與系統(tǒng)隨機選題。

2.2.2 在線智能實訓硬件平臺

在線智能實訓硬件平臺采用組合式鋼架結(jié)構(gòu)，底座采用4個重型萬向輪設(shè)計，可自由轉(zhuǎn)向滑動也可鎖死固定、結(jié)實、穩(wěn)固，實驗臺面采用防靜電耐磨材料，要求防靜電、耐磨、防腐蝕、阻燃等，實驗臺背面采用設(shè)備架設(shè)計，配置4.1寸顯示屏、1個輸入漏電保護開關(guān)、1個復位按鍵、4個串口插座、4個USB插座、1個以太網(wǎng)插座；4個具有開關(guān)功能的五孔插座，配置21.5寸觸控顯示器以及人臉識別攝像頭；兩層儀器設(shè)備層架（實驗檢測設(shè)備應(yīng)包含示波器、信號發(fā)生器、可編程電源）、支架側(cè)面具有4個五孔插座；電源和網(wǎng)絡(luò)輸入口在實驗平臺的左右下方各1套；實驗平臺頂端上支架配有LED照明燈；在上支架角落位置配有攝像設(shè)備，可采集實驗過程。

2.3 在線開放實驗室智能管理系統(tǒng)

2.3.1 在線預(yù)約功能

學生可通過微信公眾號查詢實驗室實時狀態(tài)以及資源配置，自主預(yù)約實驗時間以及實驗臺，并取得數(shù)字鑰匙。學生可以在預(yù)約的時間到實驗室通過數(shù)字鑰匙進入實驗室，并在相對應(yīng)號數(shù)的實驗操作臺進行身份識別后，進入實驗操作。預(yù)約管理系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 學生預(yù)約實驗臺

2.3.2 智能控制及遠程控制

在線開放實驗室智能管理系統(tǒng)實現(xiàn)實驗室設(shè)備、照明、空調(diào)、門禁等智能控制及遠程控制（如圖6所示），具備漏電保護和過載保護、煙霧報警等功能，實現(xiàn)安全預(yù)警告警功能，實現(xiàn)實驗室無人值守。

圖6 智能控制及遠程控制架構(gòu)圖

3 實踐經(jīng)驗

實驗室投入運行后，減少了實驗員的工作量并提高了工作效率，相關(guān)實驗員從2名減少為1名，實驗室設(shè)備可服務(wù)全校師生、課上課后，實驗員對實驗室進行了全方位管理，師生對實訓課程基本滿意。

發(fā)現(xiàn)并解決的不足包括：實訓臺沒有安裝輪子，很難搬運；實訓臺需要經(jīng)常維護，部分用螺絲固定，不利于維護；實訓臺桌面未配鍵盤和鼠標，對部分學生的使用不友好。需要在后期解決的是：存儲柜使用無線RFID技術(shù)判斷電子元件是否歸還，目前沒有準確限定信號范圍，存在誤判。

4 結(jié)語

開放性和智能性的高職院校電子類開放實驗室建設(shè)，立足解決實驗員工作量大、工作效率低、設(shè)備利用率和學生需求不對等、實驗教學的過程難以管理、實驗教學成效較差等問題。在線開放智能管理實驗室投入后，減少了實驗員的工作量并提高了工作效率，提高了設(shè)備利用率，實現(xiàn)了過程的科學管理，提高了實驗教學成效。