新工科背景下高校实验室设备智能化管理研究

杜飞龙，黄海松，唐世灏

（贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵州贵阳 550025）

0 引言

随着新型技术的不断涌现和经济水平的逐步提升，我国高校建设格局发生了较大变化。高校作为科学研究、人才培养和实验教学的重要基地，在教育改革中起到重要作用，高校实验室的建设也成为其中不可或缺的环节。

新兴工科发展作为高校教育改革的新思路和新战略，旨在更新教育理念，探索以协同创新、交叉融合、多样共享的方式培养具有创新精神、综合发展能力的新型人才[1-2]。在新工科发展的背景下，高校实验室建设逐步趋于智能化、协同化、集约化，而全生命周期管理、数据共享、客户化定制、开放实验等已然成为高校实验室建设的焦点。要实现实验室高效、有序、良性发展，必须对实验室设备进行科学优质管理，这也为现今高校的实验室管理者提出了新的任务——应用新技术进行设备智能化管理，提高管理效率，最大化资源利用率和共享率[3]，以便更好地服务师生。

1 高校实验室设备管理中存在的问题

目前，在大数据和物联网技术的推动下，各类实验室设备的管理工作得到了不同程度的发展，尤其表现在设备的出入库、检修以及信息更新方面[4-5]。然而此类发展大多集中在企业，由于高校设备面向主体大部分为师生，存在其特殊性，高校方面能够有效、全面地做到设备智能化管理的尚不多见[6]。高校实验室设备在管理过程中存在的问题主要有：

1.1 设备预约使用不合理、随意性强

很多高校实验室设备的预约过程要么存在多重限制，要么太过松懈，不能起到实质性监督[7-8]。具体表现在：不能对设备进行明确分类，就不同种类的设备进行不同的预约要求；设备的预约模块太过陈旧，没有引入新技术以满足各类使用需求；就昂贵设备的预约不到位，存在安全隐患；设备使用前的实验指导不足，常因为细小的错误操作造成精密仪器的损害。

1.2 设备管理共享不科学、实时性差

实验室设备（尤其是优质大型设备）存在闲置过多、使用率不高等问题[9-10]，其中主要原因便是共享不成功。目前设备大多归属学院一级，而交叉学科之间的设备可以共用，但学校一级没有做好协调工作，设备重复购置造成了很大浪费[11]。高校各学院之间，甚至是同一个学院，在各类设备管理时，往往出现识别编码方式不同而影响实时共享[12]。采用精确性差、效率低下的形式（如手写、条形码）进行登记存档，不能实时更新信息[13]。

1.3 实验室建设队伍质量差、需求性低

近年来，高校实验设备的数量不断增长，对实验室管理人员的素质要求也随之提升。在实验室队伍建设方面，主要的问题有[14-15]：专业技术人员素质不高，不能根据设备种类优化配置队伍；缺乏相应的激励体制，不能充分调动员工积极性；与国内外知名高校的沟通渠道较少，不利于取长补短等。

2 实验室设备智能化管理的思路与框架

结合现今高校实验室设备管理过程中存在的诸多问题，根据学校人才培养的目标，拟从预约使用、共享管理、队伍建设等3个方面进行研究。

在设备管理过程中，若要实现智能化，必备途径是预约环节，主要包括预约功能、审核制度等；有效手段是共享管理，实时监控、共享服务以及部门协调等环节是共享管理的重要组成部分；良好的队伍建设是实验设备智能管理的基本保障，只有提高实验人员的素质，建立合理的激励体制，才能充分发挥实验队伍的重要作用（图1）。

图1 实验室设备智能化管理框架

3 实验室设备智能化管理的具体措施

3.1 严格预约措施，排除安全隐患

实验设备预约之前，需要对不同设备进行合理分类，并针对分类实施不同的预约形式，一方面便于提高设备的使用效率，另一方面可以实现对精密、贵重设备的合理保护。不同设备预约形式见表1。

表1 不同设备的预约形式

在设备的预约过程中，要考虑不同的使用端，以便对预约系统的使用功能合理化。在实验室设备预约系统的学生端，语音/人脸识别认证不仅可以提高预约过程的安全性能，而且便于登录过程中密码的找回；在查看设备过程中，如果现有设备已处于使用或外借状态，则可以通过相关设备推荐模块，满足教学或科研中的急切需求；设备使用状态调查模块中，使用者可以根据使用情况反馈使用中所存在的问题，为设备维修提供参考或预警（图2）。在教师管理端，查看设备状态模块有助于根据设备的“使用中”、“维修中”等状态进行预约审核；设备使用情况评价模块便于管理者对使用者的使用过程进行考核评价，并把评定结果作为下次预约中优先使用的参考。

图2 实验室设备预约系统功能

不同类型的设备，其预约审核方式也不尽相同。普通设备和专用设备采取一级制审核，即预约者提交网上申请后，只需要实验人员做出批准即可；由于精密仪器存在价格贵、维修难、要求高等特点，采取二级审核制，即增设实验室主任审核环节，更加规范化。对通过审核的采取微信、短信、QQ等方式通知对方（图3）。

图3 精密设备二级审核制

3.2 加强共享举措，充分利用设备

设备共享是实现智能化管理的有效手段，同时有助于提高设备的使用率和使用价值。工科实验室设备共享体系主要是在新工科背景下，采用新型技术手段，实现在移动端、实体端和虚拟端的设备共享服务、实时监控、智能门禁等（图4）。具体表现：使用者（学生、教师、科研人员、企业专家等）通过大数据、云技术、智能制造、网络技术等手段，在手机、计算机、平板电脑、实地实验室、远程实验室、虚拟实验室等设备平台上进行设备共享。共享服务平台设置有查询设备分类标签、开放平台单位、仪器预约排行榜、信息发布、在线咨询等模块；各部门单位（包括校外单位、校内院系之间、系室内部）通过统一的通信系统和高新技术实现部门间的协调，以提高设备的知悉度和使用率；实时监控平台包含设备电源控制、使用状态、外部环境监控和机床报警分析等模块；智能门禁则是通过门禁控制、异常报警、语音提醒、通信电话等保证设备使用过程的安全性。

图4 工科实验室设备共享体系

3.3 提高人员素质，强化队伍建设

对于实验队伍的建设，可以从培训进修、“引进”精英、网上测试、虚拟实验和激励制度等方面加强（图5）：培训进修通过网上培训、学术讲坛、专业探讨和专家讲座等方式实现；“引进”精英是在专业需求的前提下，选聘国内外知名高校的实验专家，借助网络途径进行专项实验指导，不仅有助于突破专业瓶颈，而且还能克服地域差距带来的不便；网上测试是利用网络手段进行知识测试，一方面有助于提高实验管理人员的专业基础知识，另一方面可以提高学生对实验中操作步骤、注意事项等的认知；虚拟实验是针对设备短缺、操作不便等问题，借助网络手段开发相应的虚拟实验，为科研、教学做好服务；激励体制是学生、教师等通过网络手段进行评选，对优秀实验工作者、创新实验人员等进行合理奖励，进而提高队伍积极性，为实验室设备智能化管理提供基本保障。

图5 队伍建设的常见渠道

4 结语

在新工科背景下，借助物联网、大数据、云计算、智能制造等新型技术手段实现高校实验室设备的智能化管理，也逐步成为现今实验室建设的热点。但实验室设备的智能化管理绝不只是通过提高某方面或某环节就可以实现的，而是涉及对现有设备统一、全面的改进、规划和整治。就现有设备管理在预约、共享、队伍建设环节中最突出的问题进行了研究，而设备在全生命周期的智能化管理仍是今后实验室建设的重点。