农业院校公共基础教学中心实验室智能化管理的设计与实践

赖 婷, 卢少然

(华南农业大学 公共基础课实验教学中心, 广东 广州 510642)

高校实验室不仅是实验教学、科学研究的重要场所,也是培养当代大学生创新创业的重要实践基地[1-3]。新形势下高校实验室的规模不断扩大,实验室管理越来越精细化、规范化,教学和科研的工作量大幅增加,加之教育部本科教学工作审核评估的需要,主要以人工为主的传统实验室管理模式已不能适应当前的要求,积极引进新的管理理念、管理技术十分必要[4-7]。随着高校信息化和网络化的普及,利用互联网技术对实验教学设备、设施进行升级与改造,引进新型的实验室管理理念,是提升实验教学水平的有效途径,也是提升实验室管理水平的创新之举[8-11]。

党的十九大明确提出“加快一流大学和一流学科的建设,实现高等教育内涵式发展”的新要求。目前各高校应把主要工作放在人才培养上,把更多的经费投到教育教学改革、改善办学条件、提高学生实践创新能力的培养上。这一新要求也为现代高校实验室的发展指明了方向。2016年,华南农业大学公共基础课实验教学中心利用高水平建设的契机,结合学校实验教学中心建设的实际情况,建成了功能齐全、智能高效的实验预约与智能化管理系统,改变了以往传统管理模式下的实验管理工作繁琐、失误较多、效率不高等现象。

1 传统实验室管理的问题与挑战

1.1 无法满足学生实践能力培养的需求

我校的公共基础化学实验项目是面向全校理科类、农科类、工科类及其他类本科生共4 000余人开设的,学生群体数量大、专业多,且专业基础差异大,实验室每年要完成约20万人时的教学任务。在新的教学改革背景下,学校更加重视实验课程体系建设,实验项目不仅在数量上明显增加,而且在内容上创新性实验研究项目也显著增加,与之对应的实验室数量、设备仪器的需求量、实验员的工作量也随之增加。如果使用以人工为主的传统实验室管理方式,实验室管理员忙于管理实验室、准备实验、指导课程实验,无暇顾及实验室开放使用和教学改革,无法满足学生课外实验的需要。因此,之前实验教学中心传统的以人工为主的管理方式已远不能满足当前社会对高素质人才的创新和实践能力培养的要求。

1.2 限制实验室的开放共享

从2008年起，公共基础课实验教学中心的化学实验室开放给学生开展创新性实验研究。实验教学中心建立了开放实验预约管理系统,学生可以在网上预约,得到实验教师允许后方可进入开放实验室做实验,为了保证学生的实验指导和安全,安排指导教师陪同完成[12]。但是化学实验室开放以来并未达到预期的教学效果,主要由于以下几个问题：

(1) 开放时间受到限制。由于实验室没有专职教师服务于开放实验室,无法确保对学生进行操作指导及监督,所以在非教学期间不会开放,导致开放实验室的仪器设备资源浪费,实验室利用率低。

(2) 缺乏对学生的行为监督。开放实验室的仪器设备通常比较昂贵,且容易损坏。在开放的管理过程中,仪器的损坏是否归因于学生的操作失误、不当,很难判断。

(3) 实验室安全得不到保证。通常预约开放实验室做科学研究的学生,大部分是开展自定实验项目或大学生创新创业项目,这些开放性实验项目的操作耗时、复杂,且不确定性和危险性很高。实验室不能实时有效监督进出人员和监控实验现场,大大降低了开放实验室的安全性。实验室一旦发生危险事故,后果十分严重。

1.3 无法适应当前实验教学改革需要的管理水平

我校实验中心实验室的仪器设备、学生及教师人数比较多,而实验管理人员相对较少,传统实验室的仪器设备放置的具体地点分布零散,对仪器设备的日常维护和损耗维修依然停留在纸质记录和人工管理的方式上。在实验教学期间,为确保实验室的安全运行,传统实验室只能依靠人工来巡查,非常耗时,在管理多间(设为n间)实验室的情况下,总会出现n-1间实验室没有实验室管理员在场。在课程安排上,许多高校也引入了信息化系统,但大都没有把实验、实践教学纳入教务系统管理。实验项目没有用信息系统来管理,每年依靠手工统计,不但费时费力还存在较大误差,实验室管理的信息化程度低。

1.4 无法适应高校科技创新的要求

随着国家对高校科研创新以及大学生创新创业项目的重视与鼓励,高校的科研项目和大学生创新创业项目的投入越来越多,对实验室的使用需求也越来越大。现在国内高校实验室的各类大型仪器设备已有所增加和更新,为学生开展科学研究提供了良好的硬件设备。但是传统实验室由于管理手段和人力的限制,不允许学生全天候在实验室内进行科研工作,导致学生在科研道路上受到很大的限制。因此为适应创新驱动的国家发展战略,需要建立资源共享和信息化、智能化的开放实验室管理方式。

2 教学中心实验室智能管理系统的构建

2.1 传统实验室的硬件改造

当前,国内高校的教学实验室,大多仍处于实验室孤立、设备孤立、数据孤立的人工管理状态,实现实验室管理的智能化,首先需要使各种设备“听命令”。搭建智能化管控的硬件平台,传统实验室需要改造的项目见表1。

表1 传统实验室智能化改造的项目及内容

2.2 实验室智能化管理系统的设计

管理系统设计是实现智能化管理的关键。2016年,公共基础课实验教学中心利用高水平建设的契机,在完成了传统实验室的硬件智能化改造之后,根据公共基础实验教学的管理流程,定制开发了一套“实验室智能化管理系统”软件,建成了实验预约与智能化管理系统,实现了实验教学实验室管理的各项功能,智能化管理系统的模块及功能见图1。

图1 实验室智能化管理系统的模块及功能图

2.3 实验室智能化管理的架构

公共基础课实验教学中心从高校教学实验室的管理特点出发,经过硬件改造和软件设计,构建了实验室智能化管理系统,系统构成见图2。并采用先进的管理设计理念——物联网+现代教育技术,完成门禁、监控、电源、设备等孤立前端的通信和管理,实现实验室的远程智能化管理,系统拓扑图见图3,在本科公共教学实验室实施实验教学的信息化和智能化,实现了管控结合。

图2 智能化系统的构成框图

图3 智能化系统的拓扑图

该系统通过建立实验课程查询、实验项目开课安排等相关数据库,实现了实验教学全方位管理;子系统功能包括实验室开放预约管理、门禁考勤管理、智能电源管理、远程安全巡查与监控、数据统计上报等。系统用户角色包括学生、教师、教务员、实验室管理员、单位领导、系统管理员等。系统管理员可以对系统用户账号和实验学生班级进行分组管理,提供导入/导出、增、删、查、改功能,并对参加实验教学的角色和相应权限进行维护,根据角色的职能,赋予相应管理权限功能,同时还可以查看在线用户人数,查看用户访问、登录记录,实现远程听课、评课。系统依托校园网络,以物联网技术、网络信息技术实现实验室的智能化控制及管理。智能管理系统包括以下几个子系统：

(1) 实验教学管理系统：实验课程库、实验项目库、开课管理、课表查询、实验室使用状态查询等。

(2) 实验室预约系统：实验室预约、实验预约及预约核准。

(3) 门禁系统：课表时控、授权控制、刷卡开门、刷卡考勤及签到签离。

(4) 监控系统：移动终端或电脑在线查看实验室实时音、视频及历史录像,实时监控实验室的门、电、空调开关情况。

(5) 智能电源和空调控制系统：实现远程控制、定时供电断电,定时开关空调。

(6) 网络连接系统：数据统计上报，教供三表、教务系统报表和实验室利用率统计。

3 智能化管理系统在化学实验室的初步应用

3.1 提升实验室的管理水平

在互联网+智能化实验室模式下,与传统实验室比较存在很大的变化：(1)实现了进出人员身份识别、进出记录数据采集、统计和信息查询;(2)实现各实验室照明、设备供电、空调用电的自动化控制,按照上课时间设置开关,实现用电的精准管理,节约能源;(3)通过手机和电脑等移动终端远程巡查实验室的监控视频、电源及空调开关、门禁的安全情况,方便管理人员浏览实验室设备运行状况及学生的实验过程等,提高了实验室的安全性;(4)可实时查看当前实验室的视频画面,可以通过互联网实现远程听、评课。智能化控制的实验室减少了实验室管理人员的工作量,提高了工作效率,优化实验管理流程,从而提升实验室和实验教学的管理水平。

3.2 提高实验室的开放管理水平

智能化实验室基于物联网技术,有效管控实验室的教学资源,进一步优化和完善之前的实验室预约程序,为教师和学生建立了一个开放的、智能的综合实验室信息管理服务平台。具体操作如下：(1)网上预约,通过教务系统的课表对接,教师和学生通过互联网了解实验室的使用情况,开通空闲实验室给学生开放使用。学生把自己想要做的开放实验项目、实验原理、实验所采用的方法,实验所需的仪器、药品及联系方式等资料提交网上预约系统;(2)身份审核,教师在平台上查阅学生的身份信息和预约的实验项目,网上完成预约审核;(3)通过一卡通系统的数据对接学生身份认证,实现校园卡预约开门。实验室的监控视频软件,能有效地对实验室进行全方位、无死角的视频监控,学生和指导教师的任何操作行为都在监控下进行,以便出现问题能够及时、准确地溯源;(4)当教师不在实验室时,可以利用计算机登录实验室信息管理服务平台对实验室远程观摩,学生可以通过视频软件向教师寻求帮助,教师实时为学生答疑解惑。智能的安防系统为学生开放实验环境提供了强有力的安全保障,同时也保障了实验室仪器设备的安全运行。在新的硬件管理环境下,充分发挥智能化的性能,能更好地实现实验室的开放使用。

3.3 创新实验教学模式

在创新实验教学模式上,智能实验室的信息管理平台能够采集每个实验教师的教学视频,这些资源为学生自主学习提供了支持,也为实验教学水平的评估和提升提供了条件。目前,教师可以通过智能实验室的信息管理系统,在移动终端或电脑在线查看实验室实时音、视频及历史录像,查看学生的实验课堂表现和自己的教学效果。这样能及时地对教学实验效果作出科学合理的评价,为实验教学提出有建设性的改革意见。之后,智能实验室信息管理平台上的教学视频资源会逐步向学生开放共享,学生可利用该平台对实验项目相关视频、实验操作步骤、教师课堂讲解等内容进行浏览,这样有助于培养学生的自主学习意识和自主探索能力。

3.4 提高学生的科技创新能力

从使用情况来看,智能管理实验室的建成实现了真正意义上的实验室“全”开放,学生的实验时间得到了充分的保证,实验仪器设备实现了最大程度的共享。学生在得到实验管理人员的批准后,可以利用晚上或者周末的时间,进行相关的实验研究。自“互联网+智能化”实验室开放以来,学生在实验室里完成了多项毕业科研项目,以及一些创新创业项目,让我校教学实验中心的实验室切实为培养创新人才提供场地、时间和资源。

4 结语

我校实验教学中心利用物联网打造了新型的“互联网+智能化”实验室。从新型实验室建设运行一年多的情况来看,无论是在实验室的管理水平上,还是在实验教学效果评价上,其提升效果已初见成效。由此可见,“互联网+智能化”实验室不仅符合创新型人才实验实践能力培养的需要,也符合学校自身建设发展的需要,可以大大减少实验室管理人员的工作量,促进开放共享。