高校“智慧”实验室建设的探索

肖红艳，张灵棋，郭荣辉，任二辉

(1.四川大学 轻纺与食品学院，四川 成都 610065；2. 四川师范大学 化学与材料科学学院，四川 成都 610068)

实验室是培养学生知识学习与应用、分析并处理问题、创新创业等能力的重要平台，是高等教育人才培养体系中的重要组成部分。同时，实验室也是师生开展科学技术研究的重要场所，是高校基础理论研究和技术领域创新的源头，在解决国民经济重大科技问题、科技成果转化中作用突出[1]。促进我国高校实验室建设与管理水平的全面提升，加速实验室内涵式发展，是为实现高等教育跨越式发展，为“双一流”建设提供强有力的支撑与保障。目前，多数高校的教学实验室仍采用传统的人工干预管理模式，使得实验资源开放与实验需求的一些固有矛盾日益凸显。随着“双一流”建设、“双创”训练的不断推进，建设完善一流实验平台的必要性日益突出，这需要管理者积极探索“智慧”实验室建设，不断实践创新，加速实现实验室智能化。

一、 实现实验室智能化管理，进一步加大开放力度

1. 建立健全实验室管理机制

实验室要加大开放力度，首先必须从管理机制上确保人员和设备的安全。制度建设的目的是为了预防事故的发生，是“事前”方案，属于源头性预防措施。高校都是根据实验室安全工作中遇到的困难及问题制定相应的规章制度，具体到不同性质和类别的实验室，还有专门的特别要求和规定。此外，还系统制定了各种实验室安全规定，包括实验室工作人员、管理者和监督者的相关职责及行为准则[2]。实验室开放包括基本的实验空间和时间的开放，空间开放是指实验室及室内的仪器设备开放，时间开放则有正常工作时间之外的实验需求。无论是空间开放还是时间开放，都面临一定风险，因此要根据实验室具体情况进行全面的实验安全风险评估，严控风险，确保安全。并建立相应的实验室准入制度，有组织地开展实验操作规范和预防措施培训，着重强调实验注意事项。对于风险相对较高的实验室应采取更严格的准入机制，要求更充分的实验条件准备，提高准入“门槛”。一般来说，实验室的开放要求所有实验人员必须通过实验室安全教育，签署安全承诺，并在进入实验室之前拥有必要的安全产品与防护设备。

应急管理是对事故发生后的回应和管理。首先是对风险评估过程中可预见的危险对应建立应急预案，设立应急处理设施，完善应急处理条件，明确安全标识等。其次是建立实验室危险联网报警系统，如针对消防重点部位，烟雾自动报警、自动喷淋装置等应安装到位并定期检查。最后，实验室管理部门要定期组织实验人员开展实验室安全培训和应急预演，使其具备必要的自我保护、应对突发事件的能力。

2. 建设实验室智能化管理系统

结合信息技术进行实验室智能化管理系统建设，在不增加人力成本的前提下，实现实验室可控的24小时预约开放[3]。该系统是一个软件与硬件相结合的综合管理系统，硬件部分主要包括：(1)门禁系统。主要功能是实现实验室房门的自动开关，可采用校园一卡通作为门禁系统的“钥匙”，同时可设置密码校验，以防止他人冒用遗失卡进入。(2)实验设备控制系统。因现有实验设备没有预制现成的集成接口，可采用控制实验设备电源的方式来实现对实验设备的集中控制。(3)视频监控系统。这一模块的主要作用是辅助实验室的实时管理和提高实验室安全保障，该系统在实验室内有人活动时会对实验室内的情况进行实时监控并录像，自动分析识别非正常情况并发出警报。在实验进行的过程中，当管理者通过视频监控系统发现实验者操作不规范或者出现意外情况时，可通过语音通信系统与实验者进行对话，给予指导或及时制止；也可通过互联网发出指令，控制设备供电，实现远程电源控制[4]。

此外，智能化实验室管理系统还包括实验室管理软件平台、实验室数据采集与管理系统等。其中基础管理平台主要包含用户管理模块和资源管理模块，可以实现实验室开放管理、实验室管理、实验队伍管理、仪器设备管理、网上办公等基本功能。数据采集与管理系统主要包含实验室开放管理模块和物联管理模块，主要由服务管理软件、智能数据采集终端机、门禁控制器及电锁组成[5]。

3. 建立基于移动终端的智能化视频监控系统

由于移动互联网技术及智能终端的发展与普及，可以同时设计基于移动终端的智能化视频监控系统，即开发手机APP。与传统视频监控相比，该系统克服了时间和地点的局限，提高了视频监控的灵活性。实验室管理人员随时可以通过互联网，用手机APP监控实验室及设备情况，通过移动终端远程控制网络摄像头全方位监控，从而提高实验室安全管理的实时性、远程性，提高智能化水平，对于实验室安全及规范学生实验操作具有一定的实际意义[6]。

四川大学纺织学科在借鉴学校“双创”平台全天候实验室建设经验的基础上，为及时满足学生竞赛及“双创”训练对实验室开放日益增长的需求，在学校新校区针对服装专业实验室进行了管理硬件升级及改建，基本实现了实验室开放管理智能化，在未增加人工成本的前提下基本实现了实验室按需开放，有效解决了学生的个体化实验需求问题。

二、 推出大型实验仪器设备共享平台与机制，进一步提高资源使用率

1. 高校大型实验仪器设备开放共享存在的问题

目前，高校的大型实验仪器设备大多是安置在二级院(系)或实验中心，设备管理人员及运行维护费由各部门自行负责；学校对大型仪器设备的使用机时没有硬性规定，加之大型仪器设备的应用较有针对性，大型仪器设备通常使用率不高；因仪器所属权归属较具体，一定区域甚至同一单位内部都存在重复购置，造成资源浪费。目前大型仪器设备开放共享的常见模式也存在一些问题，因大型仪器设备通常建设投入较多，较为精密，其操作及维护要求更高，一般仅安排少数专人对其进行专门管理和维护。因此需要扩大仪器使用培训面，使得更多人具备操作和维护的技能，以加大大型仪器设备的开放使用面。此外，预约时间和使用仪器的实时性无法确定，一方面预约实验的对象仪器设备运行情况存有突发情况的可能，设备管理人和使用人也可能无法履行预约；另一方面普通用户可能对具体仪器设备使用条件、样品准备等情况认识不足，导致预约时段无法完成实验测试。另外，通常校外人员共享仪器设备会受到更多的限制[7]。

2. 落实大型仪器设备共享机制的基础

为了提高资源利用效率、支撑教学科研、服务科技创新，鼓励高校、科研院所实验室中的科学仪器、大型科学装置向社会开放，特别是面向创新创业、高新技术企业开放共享。大型仪器共享机制的建立需要落实两个基础。首先需要落实管理制度，打破壁垒，建立设备共享实体平台，明确各个主体和参与者的责权利，形成长效机制。制度建设包括出台单位开放共享制度，健全分级管理体制、考核制度、收费标准及程序完备。就目前国内先行开放大型实验仪器设备共享的高校有关制度建设情况来看，通常是明确由学校、学院、实验室分级管理，由学校集中资源，完成统筹和顶层设计，校院共同就人员、用房、奖酬、年度考核等制定办法，实现统管；实验室是开放共享的执行机构和主体，分管大型仪器开放共享专项工作，负责仪器设备的日常维护，由专业实验技术队伍提供专门服务。其次开放仪器设备共享需要有智能化管理平台的支撑，在技术上保障管理，便利地实现面向用户的仪器共享。高校的设备共享平台不仅需要校级平台、院级平台以及实验室平台等多个实体平台联通集成，还需要包括设备管理系统、实验室管理系统、人事系统、研究生管理系统、科研项目管理系统、财务系统等相关数据的访问权限。同时还包括虚拟平台资源的重新整合与开放，如基于Web和移动设备的系统访问端，便于用户使用；有良好的系统结构，便于操作管理。最终要求共享平台实现功能完善，闭环式管理，并能与国家有关网络管理平台良好对接互联，如高等学校公共服务体系中的高等学校仪器设备和优质资源共享系统和科技部国家网络管理平台等[8]。

基于“共享”理念的虚拟实验仪器设备共享平台，是在云技术等新技术的长足发展和支撑下得以发展推行的。实验云平台可以突破现实中的限制条件，通过各种智能终端获取相关学科教学与研究大数据的专业化服务，随时随地满足师生教学、科研需求，其全新的模式和便捷的体验进一步推进了实验资源共享的理念。虚拟实验平台目前主要实现了资源整合，与实体平台对接后实现资源共享，方便用户与服务的对接，以及管理者进行管理及操作。

四川大学在几年之前就探索构建了大型仪器虚拟共享平台，基本能满足校内不同单位之间的测试需求。2018年学校设备处进一步整合了有关大型仪器资源，规范了共享大型仪器设备有关管理及费用收支办法，形成长效机制，鼓励各单位分管的大型仪器设备加入共享平台，使大型仪器设备进一步扩大了共享内容及共享范围。四川大学防织学科专业实验室大型仪器已加入该共享平台，大型仪器由专人管理并提供服务，满足有关用户共享测试需求。

三、 探索实验教学与虚拟技术的融合创新，推进虚拟教学资源共享

目前，虚拟仿真作为一种信息化教育教学手段已经在世界范围内得到较广泛的应用。在我国，各级虚拟仿真实验室或实验中心的专项建设开创了虚拟仿真技术在实践教学中应用的新局面。为加快推进信息技术与高校实验教学的融合，不断强化优质实验教学资源的开发与应用，教育部决定于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设[9]，将虚拟实验实践教学资源利用互联网面向全世界免费共享，为世界实践教学提供中国方案。这是在当下“双一流”建设的支撑和引领下，高等教育贯彻内涵发展理念，切中教育改革核心，关注教学资源建设的又一重大举措。

虚拟仿真实验技术的主要目的及作用：一是“以虚代实”，替代具有高度危险性或者实际操作不可及、不可逆的实验操作；二是“以虚补实”，作为必要的补充，以降低高成本、高消耗或者超大型实验训练；三是“以虚验实”，代替基础性的实验技能操作训练。这也是顺应信息技术革命带来的教育革命，教育载体和手段更加多元化，使其在“互联网+”基础之上具有了“共享”的特征，其共享理念体现在实验教学资源在互联网上共享，可以直接在线做实验，完全公开、完全免费，向世界实践教学贡献中国方案。由“互联网+虚拟信息技术”实现实验教学资源的广泛共享，不但解决了学生不断提高的实践教学需求和各种条件匮乏的矛盾，还将极大地避免实体实验室的重复建设和利用率低的问题。虚拟技术的沉浸式、交互式等显著特点，是实行互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习的重要基础，对于强调以自主学习为主导、以学生为中心的教育教学理念，完成自主学习过程具有明显成效。

四、 结语

在信息技术高速发展的当今社会，高等教育的教学方式和手段更加多元化、智能化，实验室作为实践教学的基本载体，其智能化建设与发展势在必行。四川大学纺织学科专业实验室已在“智慧”实验室建设方面进行了一系列积极探索和实践，下一步将重点推进以下几个方面的工作：(1)试点成功的智能化实验室开放管理系统将进行拓展，力争专业实验室全覆盖、全改造，使专业实验室在智能管理硬件支撑下实现安全有序管理，以及对学生时间、空间上的自主全开放；(2)进一步完善智能化实验室管理系统，与校级实验室综合管理虚拟平台兼容，对实验室有关工作数据实现便捷的统计和共享，实现实验室综合管理的信息化、智能化；(3)进一步加大仪器设备共享，融入仪器设备共享平台，提高设备使用率，这对于盘活高校实验资源，提高资源利用率和创新成果产出率也有帮助；(4)抓住专业实验及实践教学的核心目标及迫切需求，在“能实不虚”的基本原则下，尽早开发出一系列优秀的虚拟实验教学项目，以补充原本实践教学资源的不足；(5)建设并开放虚拟实验管理平台，利用互联网扩大虚拟实验项目的受益范围，实现合作与共享。