葉林

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

國內(nèi)外都非常重視實驗室的建設(shè)，并且投入了大量的人力、物力來支持實驗室建設(shè)?？傮w來說，國外高校實驗室的建設(shè)水平明顯高于國內(nèi)高校實驗室的建設(shè)水平。高校實驗室是高校教學(xué)和科研體系不可或缺的一部分，是高等教育的重要組成部分，更是高校實驗室的寶貴資產(chǎn)。隨著教育體制改革的不斷深入，高校擴招學(xué)生，高校實驗室的投入也隨之增多，規(guī)模也越來越大，實驗室的功能越來越復(fù)雜，相應(yīng)的管理工作也日益繁雜。然而高校實驗室在運行、管理方面，存在的問題也日漸增多，高校實驗室管理體系優(yōu)化不足，實驗室無法充分運用它發(fā)揮作用。特別是實驗室的運行、儀器設(shè)備的管理、使用和維護，仍然以人工管理的模式為主，且實驗室功能過于單一。建設(shè)實驗室智能化管理系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫，通過加強建設(shè)實驗室網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化信息平臺，將實驗室智能管理系統(tǒng)作為高校實驗室管理工作革新的重要依據(jù)，對高校實驗充分發(fā)揮其作用、提高管理水平具有重要的意義。

1 目前實驗室管理中存在的主要問題

目前高校實驗室管理方式相對落后，存在諸多問題。如仍然采用最原始的人工紙質(zhì)記賬式管理模式記錄現(xiàn)代實訓(xùn)室設(shè)備及使用情況，這不僅浪費人力，而且存在諸多風(fēng)險漏洞。實驗室設(shè)備丟失、儀器存放位置無法確定、耗材難以把控，成為實驗室資產(chǎn)管理中最突出的問題，此外實驗室設(shè)備物品損壞無法第一時間追責(zé)、不能及時維護修理等也是常見問題。傳統(tǒng)的人工記賬式管理方式使得實驗室管理嚴(yán)重缺乏科學(xué)性、合理性、規(guī)范性、高效性、交互性。利用實驗室智能管理系統(tǒng)可以有效解決此類問題，同時將教師從煩瑣的實驗室管理事務(wù)中解放出來，使教師有更多的精力投入到日常教學(xué)、科研中。

2 實驗室智能管理系統(tǒng)建設(shè)的意義

構(gòu)建科學(xué)合理的實驗室管理體系，建設(shè)實驗室智能管理系統(tǒng)，可以將實驗室管理進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化。在實驗室儀器設(shè)備管理方面，實現(xiàn)設(shè)備購置的提前規(guī)劃、采購、日常管理、使用、維護維修、報廢等全程監(jiān)管記錄分析，提高實驗室儀器設(shè)備的使用率、完好率。對于難以管理的耗材使用方面，實驗室智能管理系統(tǒng)有著得天獨厚的優(yōu)勢，根據(jù)不斷采集更新的大數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)一采購、科學(xué)合理管理實驗室耗材，可避免耗材的重復(fù)購置、閑置虛耗，有效監(jiān)控記錄耗材的使用情況，避免不必要的人為浪費。

實驗室智能管理系統(tǒng)可為教師提供一個方便高效的操作平臺，有利于更好地開展實驗室管理工作，充分保證儀器設(shè)備的資源價值，便于教師精準(zhǔn)把握實驗室整體使用情況、學(xué)生參與情況，為教師管理、教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)使用提供便利條件[1-2]。實驗室管理系統(tǒng)可以根據(jù)反饋情況進(jìn)行不斷升級完善，在動態(tài)管理中更好地服務(wù)教學(xué)科研工作，從而最優(yōu)使用實驗室。

3 實驗室智能管理系統(tǒng)的建設(shè)思路

高校實驗室智能管理系統(tǒng)的建設(shè)，需要基于計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)等信息化處理技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，該系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要包含OA 交互管理系統(tǒng)、移動APP 服務(wù)系統(tǒng)[3-4]。通過“設(shè)備集群、資源集成、管理集約、智能分析”等方法創(chuàng)新，充分發(fā)揮“實驗設(shè)備、在崗教師、在校學(xué)生”的相互作用。同時應(yīng)用“協(xié)同過濾、矩陣分解、深度學(xué)習(xí)”等算法，構(gòu)建集項目查詢、預(yù)約、溝通、實施、考核、評價、智能分析等的一體化信息化交互平臺，形成便于實驗室管理系統(tǒng)平臺開放建設(shè)、使用和管理的窗口。實驗室智能管理系統(tǒng)建設(shè)思路如圖1 所示。實驗室智能管理系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)如圖2 所示。

圖1 實驗室智能管理系統(tǒng)建設(shè)思路

圖2 實驗室智能管理系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

基于實驗室管理使用的特點，實驗室智能管理系統(tǒng)應(yīng)用了基于深度學(xué)習(xí)的推薦模型、寬深模型和深度模型，結(jié)合相似度計算，根據(jù)數(shù)據(jù)特點的不同選擇不同的相似度計算方法來實現(xiàn)智能管理分析。

杰卡德相似系數(shù)（Jaccard similarity coefficient）公式如下：

在二維空間中，向量A（x1，y1）與向量B（x2，y2）的夾角余弦公式如下：

2 個n維樣本點a（x11，x12，…，x1n）和b（x21，x22，…，x2n）的夾角余弦公式如下：

此外，還有一些其他方法，例如歐式距離、曼哈頓距離等。

3.1 用戶使用管理模塊

此模塊可與學(xué)校數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)實現(xiàn)交互共享，主要功能是采集用戶信息、權(quán)限管理等。用戶數(shù)據(jù)采集功能可實現(xiàn)與學(xué)?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)交互共享，同時能夠采集未在學(xué)生數(shù)據(jù)平臺內(nèi)的用戶信息、臨時用戶信息等。權(quán)限管理功能可對不同的用戶群體開放不同的管理權(quán)限，從而達(dá)到不同的管理效果。

3.2 資源配置管理模塊

此模塊是實驗室智能管理系統(tǒng)的主要模塊之一，它包含了實驗室儀器設(shè)備的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)采集記錄、位置信息共享、使用信息記錄、維護保養(yǎng)信息儲存、教學(xué)資料上傳[5-7]等功能。

儀器設(shè)備的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)采集記錄功能主要是采集記錄儀器設(shè)備的設(shè)備名稱、型號規(guī)格、性能、使用實驗項目、使用方法，其中使用方法采用動畫演示，并能通過掃描其二維碼獲得該設(shè)備的基礎(chǔ)信息。

位置信息共享主要包括以下3 大類功能：①對于交通工具類，如汽車采用GPS 定位監(jiān)控的方法記錄位置信息，除了抓取其實時定位信息外，基于地理圍欄技術(shù)，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入、離開某個特定地理區(qū)域，或在該區(qū)域內(nèi)活動時，手機可以接收自動通知和警告等，地理圍欄的主要問題就是判斷設(shè)備是否落在某多邊形圍欄內(nèi)部；②對于中型設(shè)備及貴重設(shè)備，安裝RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）來記錄位置信息；③小型物品采用二維碼記錄位置信息，主要出口安裝防盜門禁報警設(shè)備。

使用信息記錄功能主要是記錄該設(shè)備的使用情況，主要記錄該設(shè)備在何年何月在何地由誰使用、使用周期、有無損壞等情況。

維護保養(yǎng)信息儲存功能：對于錄入實驗室智能管理系統(tǒng)的儀器設(shè)備，定時提醒它保養(yǎng)周期；記錄其保養(yǎng)狀態(tài)、維修記錄等信息。

教學(xué)資料上傳功能：教師端可上傳與實驗室相關(guān)的教學(xué)資料，便于學(xué)生課前下載、學(xué)習(xí)。同時系統(tǒng)會記錄學(xué)生們對教學(xué)材料的使用學(xué)習(xí)情況，供教師課前有計劃、針對性備課和開展教學(xué)。

3.3 開放交互管理模塊

此模塊主要包含實驗室儀器設(shè)備借用及預(yù)約、實驗實訓(xùn)任務(wù)書發(fā)布、學(xué)生簽到、電子實驗指導(dǎo)書發(fā)放、日志填寫反饋、提問及意見反饋、實驗室基本信息查詢等功能[8]。

實驗室儀器設(shè)備借用、預(yù)約：主要功能是實現(xiàn)儀器設(shè)備追蹤管理，統(tǒng)計儀器設(shè)備的使用頻率，及時記錄存在的問題。實現(xiàn)儀器設(shè)備的資源共享，以免閑置浪費現(xiàn)有資源。

實驗實訓(xùn)任務(wù)書發(fā)布功能：主要功能是教師端能夠通過實驗室智能管理系統(tǒng)將即將要進(jìn)行的實驗實訓(xùn)任務(wù)發(fā)布至學(xué)生手機APP 端，使學(xué)生能夠提前對實驗實訓(xùn)任務(wù)進(jìn)行預(yù)習(xí)、準(zhǔn)備、熟悉，同時統(tǒng)計學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，記錄反饋學(xué)生在預(yù)習(xí)中存在的難點，以便教師有針對地在實驗實訓(xùn)中講解示范，從而達(dá)到提高實驗實訓(xùn)效果的目的。

學(xué)生簽到功能：學(xué)生在用戶管理端進(jìn)行信息采集的時候，需綁定個人手機，每個實驗階段會定時發(fā)布簽到任務(wù)，學(xué)生需進(jìn)行定位簽到。

電子實驗指導(dǎo)書發(fā)放功能：主要功能是存儲關(guān)聯(lián)不同項目電子實驗指導(dǎo)書，指導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行實驗。學(xué)生可以查詢電子實驗指導(dǎo)書，由負(fù)責(zé)實驗指導(dǎo)教師開設(shè)、更新。

日志填寫反饋功能：主要功能包括教師實驗實訓(xùn)日志填寫和學(xué)生實驗實訓(xùn)日志填寫，教師、學(xué)生可實時填寫實驗實訓(xùn)的基本數(shù)據(jù)、建議、問題反饋等情況。

基本信息查詢功能：主要功能是實現(xiàn)實驗室智能管理系統(tǒng)中人員、實驗室功能介紹、儀器設(shè)備操作視頻、實驗實訓(xùn)項目、實驗實訓(xùn)指導(dǎo)書、成績評定等內(nèi)容的快速查詢使用。

3.4 智能分析模塊

此模塊主要包含評定實驗實訓(xùn)綜合成績，以及為儀器設(shè)備的使用情況、壽命情況、損壞情況、丟失等情況給出智能處理分析報表并進(jìn)行參考及提醒[9]的功能?；趯τ脩魵v史行為數(shù)據(jù)的挖掘，發(fā)現(xiàn)用戶的偏向并預(yù)測用戶可能關(guān)心偏向的學(xué)習(xí)資源。

評定實驗實訓(xùn)綜合成績功能：根據(jù)教師、學(xué)生端實驗數(shù)據(jù)、實驗內(nèi)容進(jìn)行智能處理分析得到初步綜合評定成績供指導(dǎo)教師參考評分。

實驗室儀器設(shè)備的使用情況、壽命情況、損壞情況、丟失情況等智能分析功能：主要是基于孤立森林算法進(jìn)行實驗室設(shè)備使用率異常檢測。孤立森林基于Ensemble 的快速離群點檢測方法，具有線性時間復(fù)雜度和高精準(zhǔn)度，通過此算法為實驗室的儀器設(shè)備基本狀況提供綜合智能的分析報表，特別是對學(xué)生使用儀器設(shè)備中產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)自動根據(jù)數(shù)據(jù)庫以往記錄存儲的類似情況進(jìn)行智能對比分析，給出初步分析結(jié)果供參考。

4 結(jié)束語

目前，提高實驗室管理建設(shè)的水平已刻不容緩，但各個高校實驗室的管理使用中存在著諸多不足，特別是實驗室信息化能力較低，實驗教學(xué)的安排處理依然以人工記賬式管理為主，過程不但煩瑣、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率低，而且還使實驗室管理效率低下，易出現(xiàn)人為差錯。設(shè)計實驗室智能管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗室管理、儀器設(shè)備管理、基本實驗教學(xué)管理、實驗室綜合數(shù)據(jù)分析處理等功能。建設(shè)高校實驗室智能管理系統(tǒng)，不僅可以減少數(shù)量方面的管理成本，更能實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。尤其是實驗室智能管理系統(tǒng)的可升級改造性、數(shù)據(jù)共享性、資源的充分利用及節(jié)約性，數(shù)據(jù)的可靠性、精準(zhǔn)性、及時性都是原始人工記賬式實驗室管理模式無法企及比擬的。因此，在高校實驗室管理中建設(shè)實驗室智能管理系統(tǒng)是對實驗室整體管理水平質(zhì)的提升，是高校教學(xué)改革中關(guān)鍵的一環(huán)，對高校的管理及為實驗室培養(yǎng)高素質(zhì)人才都具有至關(guān)重要的作用[10]。