基于“互联网+”的高校实验室智能管理信息系统构建

孙澄宇 于军 鲁志海

1.吉林化工学院;2.山东京博控股集团有限公司

实验室是高校进行教学实践和人才培养的重要场所,利用现代信息技术建设新型实验室智能管理系统,可有效解决当前高校实验室在安全、管理等方面存在的问题。本文基于“互联网+”技术探讨了一种集人员管理、器材管控以及环境监测等多功能于一体的实验室管理系统。该系统能够实时对实验过程、设备工作状态、实验室温湿度、物品使用情况等信息进行采集、分析、存储以及控制,从而实现实验室的智能化管理,提高管理工作的便捷性和准确性,为高校实验室安全管理与信息技术融合提供参考。

0 引言

实验室作为高校人才培养的重要场所,是培养学生运用知识能力、实践创新能力的重要平台,在高校教学环节中具有非常重要的作用。随着信息技术的发展以及学生数量的增加,对实验室的信息化水平要求也越来越高,对实验室管理人员的工作提出了强大的挑战。总之,当前实验室建设现状已经无法适应新时期教学改革的要求,亟需在“互联网+”的基础上,加快信息技术融合,不断探索和创新管理模式,推进实验室管理的制度化、规范化和信息化,对实验室设备和材料实施高效、安全管理,为师生提供便利、快捷的服务,以适应科技发展对高校教学改革的需要[1]。

1 实验室管理中存在的问题

1.1 实验室专职管理人员数量不足

传统实验室教学管理模式下,很多实验室没有专职的管理和维护人员,设备的管理与维修、实验材料的保管与处理等工作通常由实验教师现场进行,而在上完课后存在的问题又留给了下次上课的教师。在这种情况下,很少有教师在平时去关心设备的状态、材料的保管等问题,导致设备维护、保养不及时,实验设备在出现故障的时候通常需要找专门的技术人员上门维修,实效性差。同时,随着学校对实验教学的重视,加大投资,新进了很多先进的仪器和设备,现有的教师对其使用和维护方法不熟悉,只能现学现教,急需实验室配备专门的技术人员,对设备器材进行有效的管理[2]。

1.2 实验室资源不共享,综合利用率低

当前高校实验室中,各学院的实验室基本采取独立管理,学校把实验室按照专业分给各学院,各学院再把其分配给各任课教师管理,负责实验室设备的使用和管理,这种管理模式使各学院的教学资源不能共享,存在资源浪费的现象。需要将这些资源进行集中管理、优化配置、合理共享、有效利用,各学院相同专业之间形成开放性、综合性的共享机制,从而实现跨学科的交叉渗透,以培养学生的综合实操能力和创新思维。

1.3 智能化程度差,信息无法实时采集

传统实验室管理过程中还存在很多弊端,实验课上进行学生考勤工作时,通常采用教师点名,或学生签到的方式进行,一是占用了宝贵的上课时间,二是真实性还不是特别准确,在最后成绩评定的时候还要费力去一一查对。而在实验设备与材料的登记和使用时,也基本是用纸和笔逐一记录,比如耗材库存量、入库出库信息等,过程繁琐,这不仅增加了实验教师的工作量,在信息统计、查看的时候也劳神费力,资产动态管理难落实,容易出错。实验室的设备通常比较贵重,对室内温度、湿度等环境要求比较高,需要实时监控实验室内的环境状态。还有的实验用材料属于危险的化学药品或易燃易爆物品,对其管制需要更加严格。而很多实验室的现有条件并不具备在线监控功能,只能靠人为查看,实时性不好[3-4]。

2 基于“互联网+”的实验室智能管理系统构建

2.1 系统架构

基于“互联网+”的智能实验室管理系统由感知层、传输层、应用层三层架构组成,系统架构如图1所示。其中,感知层是整个系统的底层,主要包括各种信息采集终端,对视频监控信息、人员信息、实验设备运行参数、环境温湿度数据等信息进行采集,然后将数据信息传输到网络传输层。传输层起着通信的作用,包括各种协调和网关,常见的几种无线通信技术有:Zigbee、蓝牙、Wi-Fi等,是感知层与应用层之间通信的桥梁,感知层采集到的信息通过传输层输送到应用层。应用层对各信息进行分析、储存和管理,并对各设备和系统进行控制,应用层主要包括用户界面、数据库以及各控制系统,是整个系统的核心。智能实验室管理系统可对实验室设备及环境进行全面的智能感知与监控,实现对实验室的智能化、信息化与可视化管理,创造出一个绿色环保、低碳节能、智能安全的实验环境,实现学生—教师—实验室之间的信息交互,打破传统实验室的管理格局,更好地为学生培养提供保障。

图1 系统架构设计Fig.1 System architecture design

2.2 实验室智能管理信息系统的功能

在“互联网+”背景下,运用物联网技术,通过信息采集、数据分析、监管控制等功能对实验室的整个运行过程进行管控,将校园一卡通、校园网公众平台、微信公众号与实验室智能控制系统连接越来,构建出一种新型的智能化实验室开放管理模式。实验室系统的主要功能需求可归纳为用户管理、机房器材管理、教务课程管理、智能控制管理等模块,如图2所示。

图2 智能实验室管理系统总体功能架构Fig.2 The overall functional architecture of the intelligent laboratory management system

2.2.1 智能控制

将互联网技术应用到实验室门禁系统中,构建智能门禁管理系统,对学生及教师进行出入管理。实验管理人员根据教务系统发放的课程安排将学生和教师的身份证信息、学号、专业等信息先通过校园数据库调入系统中,再根据不同用户身份分配不同权限。上课之前,学生和教师可通过一卡通或人脸识别等方式进行验证,系统审核身份后允许进入实验室。平时学生没有随意进入实验室的权限,如果确有需要,可以在实验室管理系统中申请,管理员审核通过后方可允许进入实验室。视频监控系统则可以实时记录实验室动态状况,比如学生实验过程、漏水、火灾等问题的随着查看和记录。室内温湿度控制则通过传感器采集室内环境信息,然后通过控制程序对电动窗帘、通风机、空调等设备进行自动控制。

2.2.2 器材管理

机房设备和实验材料是实验室的核心,是完成实验教学的重要条件。传统实验室在对材料进行管理里,通常要采取人工记录方式,如入库、出库登记等。在对材料的库存量、位置、型号、数量等信息的查询时,还要通过记录本慢慢查找,费时费力,效率很低。而对实验室里的设备检修工作也需要由人工定期进行,无法实现在线预警,实时性不好。智能实验室管理系统的应用,以上问题可得到很好的解决。(1)实时采集各设备的工作状态和数据参数,并对其进行分析和管理,管理员通过对数据的分析了解各设备的工作状态,及时发现和解决存在的安全隐患,使实验设备能够发挥其正常的工作状态。另外,师生在进行实验教学过程中,如果发现设备故障后,可在管理系统或公众平台上在线报修,管理员接到消息后及时处理,缩短了故障设备的闲置时间,提高设备利用率。(2)实验室的材料在系统中均有录入,用户可以在系统中即时查找想到的材料信息,平台提供高效、便捷、准确的信息。如图3所示为某化工学院在进行化学实验之前,学生申领化学药品的流程。

图3 实验材料申领流程Fig.3 Application process for experimental materials

2.2.3 教务管理

(1)课表变更。管理员用户可以导入实验课表,并根据调、停课情况及时更新课表。教务管理模块不仅为系统的智能操作提供数据支持,还为师生用户提供房间状态和个人课表查询服务。(2)开展线上、线下相结合的教学模式。实验教学过程中,可以采用线上与线下相结合的教学模式,打破原有教学模式对时间和空间的限制。学生可通过实验室智能管理信息系统App和网上平台,进入实验室数据资源库,浏览相关实验操作视频,对实验内容进行自学,激发了学生学习积极性和主动性,提高其分析问题和解决问题的能力。师生之间还以实时进行在线交流,给予学生即时指导和帮助,为现场实验教学提供参考,大大提高了学习效率。(3)实验数据信息化。学生的实验数据和实验报告实时上传至管理系统中,教师可随时查看学生的实验结果,并能够对实验过程进行考核、评价和量化成绩结果,同时反馈相关的批改和情况说明,使实验过程更加快捷、高效。

3 结论

针对目前高校实验室教学中存在的安全与管理问题,在传统实验室管理模式中充分融入现代数据信息资源管理手段,利用“互联网+”技术从人、物、环、管等功能模块进行高校实验室智能管理信息系统构建,从而实现人员管理、设备状态监测、环境实时管控、教学模式改革等功能。实现了高校实验室的智能化管理,对实验室的管理更加的智慧、便捷、高效、安全。使实验室的管理形成一个高效的整体,更加科学与规范,提高了教学效果和管理水平。

引用

[1] 周叶华.高职院校实验室管理信息化改革的研究[J].现代信息科技,2019,9(18):187-189.

[2] 殷社萍,王皎月.移动互联网时代高校实验室智能化管理与实践[J].实验技术与管理,2018,35(10):256-258.

[3] 杜朋.基于“互联网+”的高校开放实验室管理系统研究[D].淮南:安徽理工大学,2018.

[4] 陆和萍.基于数据挖掘的高校计算机实验室管理水平评价研究[J].现代电子技术,2021,44(13):115-119.