“双高计划”背景下高职实验室智慧化建设和管理运行机制探索

朱 睿

（深圳信息职业技术学院交通与环境学院 ，广东 深圳 518172）

2019年，国家相关部门相继出台了《关于实施中国特色高水平高职学校和专业建设计划的意见》《中国特色高水平高职学校和专业建设计划项目遴选管理办法（试行）》等文件，提出“双高计划”建设，指出了新时代职业技术教育高质量发展方向和路径。“双高计划”提出促进物联网技术、信息技术和实践教学融合等要求，因此，高职院校实训室建设与管理实现信息化、智能化是大势所趋。

1 建设需求

1.1 “双高计划”背景下高职实验室智慧化建设价值

《教育信息化2.0行动计划》中指出，要将教育信息化作为教育系统性变革的内生变量。职业教育除了要坚持产教融合校企“双元”育人的核心模式，也要立足于工业4.0时代背景。因此，“双高计划”提出加快智慧校园建设，促进信息技术、智能技术教育教学和管理服务全过程的深度融入等信息化建设要求。在这样的背景下，高职院校实践教学体系应充分考虑教育信息化和智慧化，创建实验室管理服务平台，实时感知实训资源使用和绩效等方面的信息，使学校管理层能够对实训基地进行有效的管理与决策[1]；此外，作为实验教学和科研创新的支撑平台，高校实验室在创新人才培养和科学研究的过程中扮演了十分重要的角色，其建设和管理水平在一定程度上反映了高校的综合实力和整体发展水平。因此，随着“双高计划”建设的不断推进，实验室建设资金、人员、设备等投入的力度必定加大，硬件水平也将大大提升，随之而来的是实验人员结构和环境也越来越复杂，实验室的安全、人员和仪器的管理等方面问题日益凸显，亟待解决和完善。依托物联网技术、图像识别技术、人工智能技术构建智慧实验室，实现对实验的智慧化、安全化管理是解决上述问题的一种策略。

1.2 当前实验室智慧化建设存在问题

智慧实验室融合了Zigbee技术、RFID技术、嵌入式技术、软件开发技术等物联网技术，是开展实践教学和管理的理想平台[2]。车辚辚等研究人员通

过互联网技术、物联网技术建设和完善实验室信息管理系统，应用于实验室管理和实践教学的信息化、网络化、流程化、数据化，提高实验室资源利用率和管理的便利性，增加实践教学效果，具有良好的实践价值和参考意义[3-4]。尽管成绩显著，但实验室智慧化建设管理也待整合与提升，尤其是实验室的预约、准入、过程管理等工作不尽完善。一是预约过程仅仅是信息登记，缺乏安全告知、安全教育等环节，无法形成有效的事前教育；二是预约过程无法进行人员核查，缺少动态调整的事前监管机制；三是人员准入认证单一。大部分的实验室认证，仅仅是通过RFID卡进行刷卡登记，无法准确辨别实验人员，身份核实方式存在漏洞；四是人员准入管理片面化、静态化[5]。当前的安全准入仅仅聚焦人员和设备、耗材等管理，缺乏系统全面的认识。实验室准入管理还应当包含安全环境监控、安全行为分析等环节，实施准入过程的全方位管理。再则，大部分的实验室准入管理，仅仅是身份的准入识别，只要身份符合即予以通行，忽略实验人员、实验仪器、实验项目等过程性交互因素，缺乏动态管理机制。

1.3 “双高计划”背景下高职智慧实验室建设目标

图1 目标和拟解决的问题

实验室是开展高技能人才培养的教学空间，也是高水平专业群建设、“双师”型队伍建设的平台，更是深化校企合作、提高服务水平的媒介。实验室对外开放水平、创新性科研实验开展质量、精密贵重仪器使用绩效、实验教学信息化能力等关系着新时代高职教育专业建设、实践教学体系、教学评价、校企联动机制等改革成效[6]。因此，“双高计划”背景下高职智慧实验室建设，需要在开放管理、科研项目管理、实验仪器管理、实验安全管理以及信息化教学能力上对标改革。

作为“双高计划”的建设单位，深圳信息职业技术学院依照“总体规划、分步实施、软硬结合、灵活搭配”原则，紧密结合各项实验室管理业务，以智慧实验室建立为重点，以稳定可靠的智能控制设备为基础，以实验室的“人员”“仪器”“环境”“项目”为抓手，依托物联网、云计算、软件、大数据技术建设“全面感知、可靠传递、智能处理”的智慧实验室管理平台，打造可视化、安全化、智能化的教学科研环境，实现实验工作从粗放式向精细、安全、智能、高效、节能管理转变，完善实践教学内容的数字化以及实践教学软硬件资源的共享化，提升实践教学质量。

2 建设探索

2.1 智慧实验室平台建设

图2 智慧实验室平台结构图

构建感知层（数据收集）、网络层（数据传输）、应用层（数据处理）三个层次的智慧实验室（如图2）。感知层由RFID终端、ZigBee传感器、智能监控等硬件设备来获取实验室信息。其中RFID终端由电子标签、读卡器、门禁器、电子门锁等组成，ZigBee传感器由红外传感器、烟雾传感器、窗磁传感器、温湿度传感器、光敏传感器、可燃气体传感器组成，智能监控由人脸识别、红外夜视、仪器识别等监控组成；网络层通过以太网、Internet有线网络和Wi-Fi、WSN、移动互联网等无线网络的融合，传递感知层获取的信息；应用层有8大应用系统，分别为准入管理、智能监控、环境监控、仪器管理、教学管理、预约管理和数据库，各系统利用感知层收集的信息以及网络层传送的数据进行数据分析和处理，实现教学、科研、社会服务等业务的信息化管理。

2.2 智慧实验室管理机制

图3 智慧实验室平台管理流程图

根据实验教学、科研的工作需求，以先进的管理理念为指导，构建了使用计划、安全教育、准入管理、实验过程、分析统计5个环节的管理流程（如图3）。每个流程由一定的业务板块构成，以“管理系统”为支撑，流水作业，循序渐进，促进人工管理模式向智慧化管理模式转变。

2.2.1 预约管理工作机制（如图4）

设计实验室类型、仪器设备、使用时段和耗材试剂等需求的预约管理系统。建立预约等级制度，采取源头管控措施，重点关注科研实验室、贵重仪器、管控试剂等需求，跟踪流向。建立信用积分考察、安全教育与考核管理环节，形成双控工作机制。建立由校领导、职能处室领导、院长和实验室负责人组成的四级管理审批制度。记录、汇集预约信息，建立信息资源库。

图4 预约管理工作机制

预约管理工作包括预约信息登记、安全教育、仪器操作规程认知、信用考察、管理员审批、数据采集等6个环节。安全教育和信用考察是本平台建设的特色。在安全教育环节，智慧实验室导入学习任务清单，建立教学资源库以供在线自主学习，以3D仿真技术为手段、结合视频案例、实操体验、翻转课题的形式组织教学过程，最后设置题库考试和仿真考试进行综合考核；信用考察则建立信用积分制度，对违反实验室安全规定的行为进行积分扣除，建立动态调整机制。

2.2.2 准入管理工作机制（如图5）

构建RFID信息认证、人脸识别认证双层认证体系，增设精密设备RFID信息认证程序，构建事前监管工作机制。记录准入人员信息，建立数据库，供管理人员查阅、了解实验室或仪器设备的使用信息，建立事后追查的信息化管理手段。

图5 准入管理工作机制

在具体的管理中，系统根据用户的注册信息生成RFID准入信息，以刷卡登记的形式完成第一道认证。采集人脸信息，以刷脸登记的形式完成第二道认证程序。基于RFID信息认证和人脸信息认证建立双认证体系，加强人员准入管理。针对贵重仪器，精密仪器，系统增设RFID刷卡认证，加强仪器使用管理。此外，建立实验人员电子准入证制度，签订安全承诺书，生成准入人员档案。

2.2.3 过程管理工作机制（如图6）

过程管理工作包含行为识别、过程记录、资产监管、环境监控和数据汇总分析等5个内容。依托ZigBee环境监控技术、智能监控技术，全方位监测实验环节的人员、仪器、环境。基于云计算技术，记录实验过程信息，建立数据库，实现共享管理；基于AI技术和在线巡课手段，识别、记录违规行为，建立黑白名单信用档案，调整人员准入名单，形成动态管理；基于RFID技术，识别仪器设备的信息，对资产进行定位，统计，并通过视频录制，监管人员使用资产情况，形成资产管理；基于智能传感器技术，监测可燃气体、有害气体、水电门窗、温湿度、光照等状态，进行预警、调节和处理，实现安全、节能管理。

图6 过程管理工作机制

2.3 混合式实验教学策略

基于智慧实验室的信息技术手段，研究课前“自主学习”、课中“案例教学+翻转课堂+仿真实验”学习、课后“实验报告+考核”，构建线上+线下的混合式学习模式（如图7）。

图7 混合制实验教学策略

首先，基于职业教育和现代教育技术的融合，依托虚拟仿真技术、VR技术等，将实践教学中的典型工作任务转换为多媒体、案例教学、仿真场景、题库等实验教学资源，并分类成知识学习性、工具练习性、创新性学习等类别，根据不同的学习性质和学习阶段分配和推送教学资源。

其次，开展线上+线下的混合式实验教学，探索人脸识别考勤、智能课堂分析、电子实验报告等教学管理手段。在课前，通过任务清单导入、交流互动、多媒体资源学习等模块建立课前线上自主学习模式；在课中，点名由智能监控的人脸识别技术完成，智慧实验室对学生的课前预习、线上学习进行数据挖掘和分析，生成评估报告，推送实验教学案例视频、仿真学习模块等学习资料，以供学生自主学习，完成线上教学。针对典型工作任务，教师通过设计仿真场景+真实场景的方式，发布实验教学任务，学生通过小组讨论制定、执行方案，教师最后对学习情况进行总结。在课后，学生完成电子实验报告，接受仿真或实操考核，巩固实验学习成果。

最后，基于智慧实验室平台，学生通过选取方向、拟定题目、组建团队、开展协作交流、制定工作方案、教师或企业导师指导等形式，开展实验创新活动、技能竞赛等第二课堂学习，培养创新思维，提升职业技能。

3 建设成效和特色

2019年，深圳信息职业技术学院以二级学院——交通与环境学院为试点，以成熟的智慧实验室管理平台、管理机制的构思为蓝图，以实验室的责任体系与制度建设、师资队伍建设、准入制度建设与运行建设、安全教育与管理机制建设、仪器管理等前期实践成果为素材，整合实验室安全3D软件、实验室安全教育平台、AI课堂，大型仪器管理共享平台等技术，开发智慧实验室，探索建立实验室管理工作机制，取得良好的成效。

3.1 实现实验室智能化管理

以感知层、网络层、应用层为框架，装配RFID终端、ZigBee传感器、智能监控等感知设备，设计预约管理系统、准入系统、教学系统、环境监控系统、设备管理系统、智能监控系统等应用程序，打造系统完备、功能多元、内容详实的智慧实验室管理平台。一是建立过程管理模式。基于RFID技术、智能监控技术，构建实验仪器的信息化管理手段，实现对实验室、仪器设备全过程性电子化管理；二是建立数字化管理模式。基于预约管理、仪器管理等手段，建立管理流程化、数字化的实验室科研教学项目管理模式，实现实验仪器管理与维护、实验教学数据挖掘与分析、实验项目管控与绩效的宏观控制，节约管理成本。

3.2 实现实验室安全管理

基于智能传感器、Zigbee、RFID等技术，全方位武装实验室安全管理环节，实现动态化的安全管理，提升实验室安全管理水平。一是建立人员准入管理。在实验室预约管理阶段对实验人员进行安全环境、应急技能、贵重仪器使用等教育与考核，建立人员档案，赋予信用评价属性；二是建立实验耗材出入库管理。对实验耗材进行分类别的源头管理，基于信息平台建立管控试剂的“五双”管理流程，提高安全管理效能；三是建立动态过程管理机制。通过智能监控、传感器等技术，全程监测实验环境，收集和分析实验行为数据，形成信用评价数据库，对实验人员进行动态调整，形成预警机制；四是建立等级管理体系，实施多级垂直监管，基于云计算技术实现安全数据的共享互通。

3.3 实现实验室开放管理

基于预约管理、智能监控等手段，优化实验室资源配置，延长实验室服务时段，提高实验室开放水平。一是实现业务处理流程化。构建“使用计划”“安全教育”“准入管理”“实验过程”“分析统计”等管理流程，实验室管理模块与具体工作相辅相成，业务处理可视化、标准化，提供菜单式操作界面，以便实验人员使用和操作；二是实现人工智能化的开放管控。在非工作时段，建立预约使用、审批授权、身份认证、远程电源控制、视频监控等人工智能管理，并采集各业务流程数据，以供统计、研究、结算、分析、决策、调整，提高管理效率，延长开放时段。

3.4 实现信息化实验教学

基于虚拟仿真、云计算技术，建立实验资源库，使实验不再受时间和地域的限制；研究课前“自主学习”，课中“案例教学+翻转课堂+仿真实验”学习，课后“实验报告+考核”，探索线上+线下、翻转课堂、仿真教学、案例教学等混合式教学模式，促进信息技术与实验教学的深度融合，满足学生个性化学习的需求，实现“教”与“学”的方式转变；管控实验资源使用过程和环节，有效提升实验教学质量和管理水平。

4 结语

基于物联网、云计算、软件、大数据技术，整合资源、创新技术，以实验管理信息化改革为主线，以培养学生创新精神和实践能力为核心，构建信息化、智能化管理的智慧实验室，并以智慧实验室为依托，探索以软件技术、人工智能技术、物联网技术参与管理，以虚拟仿真技术、云计算技术来协同教学的工作机制，是促进高职院校实验室开放共享，提高实验仪器管理能力，提升“双创”教育和社会服务水平的有力举措，为“双高计划”打造技术技能人才培养高地和创新服务平台，提升校企合作水平、服务发展水平、信息化水平等发展任务提供有力支撑。