人工智能背景下高校智慧实验室系统的构建与研究

梁莉娟

(武昌工学院 信息工程学院，湖北 武汉 430065)

近年来，移动互联网、深度学习、人工智能等技术的飞速发展，人工智能类的相关产品已经覆盖了我们的日常生活和工作的方方面面，使我们的学习、生活、工作都得到了很大的改变。笔者将其与高校实验室管理系统相结合，从实验条件的软硬件各方面对实验室进行改善，将最新的技术应用到高技术人才中去，同时也开阔学生视野，增加学校的整体竞争优势。因此，将人工智能技术与实验室管理结合一起具有一定的研究意义。

高校是人才培养的重要地方，实验室又是高校人才培养重要场所，特别是对于现在国家大力发展应用型高校，实验室建设就更为重要，在物联网技术、大数据技术高速发展的今天，各种智慧平台如雨后春笋般的出现，智慧工厂、智慧社区、智慧城市、智慧学校层出不穷。高校的智慧化发展也是必然的。智慧实验室管理平台能够全过程地对实验室的各项进行相应的全过程管控，对实验室的相关物资从采购、入库管理、领用管理、废旧处理等报废管理，实验室安全的监管和防护等功能，利用实验管理平台能够使实验室的各项资源得到更好的应用和优化，能够帮助学生和老师提供更好、更方便的实验环境。

1 高校实验室运行现状

现在，很多学校非常注重应用型人才的培养，因此也十分重视实验室的建设项目，同时对高校实验室也会加大仪器设备的投入，实验室在应用型大学中已然成为比较重要的组成部分，但目前高校的实验室相关管理制度，日常管理，仪器设备的维护、使用，耗材的使用及其管理等都还是运用原来的比较老的传统管理模式，在实验室的日常管理中，设备的维修登记、使用登记情况、实验室的安全管理情况都还是需要在学生和老师的帮助下共同完成。由于管理不够规范，会出现一些安全隐患，从而造成事故的发生，例如门窗、水电、仪器设备等出现故障没有得到快速的维护，卫生等没有得到改善。

1.1 实验室的开放模式

实验室还是沿用原来的固定课程固定时间的开放模式。仪器设备及其平台都需要在规定的课程时间内进行开放。随着应用型人才的建设需要，创新型人才越来越受到社会的青睐，创新型教学模式同时也在不断地推陈出新，例如创新创业小组、研究性学习、各种学科竞赛促使实践教学的内容和形式更加的多样化和灵活化。同时实验室的开放也应该随着教学方式的变化而变化，摒弃原始的固定时间，形成契合现阶段的教学特点的开放模式，同时也提高了实验室的利用率、仪器设备的利用率。

1.2 实验过程的管理和监督评价体系不够完善

传统的实验室管理方式，不能及时地将实验教学管理情况反映出来，需要教学管理部门人工检查教学情况，了解实验室的教学情况和师生的出勤情况。对于设备的管理，部门也需要单独地通过询问老师和学生去了解实验设备的情况，不能达到实时的监控作用，很难达到同步同时第一时间将现状立即反应，时效性不高，缺乏智能管理，很难做到实时跟进。

1.3 安全管理存在漏洞

现在很多高校都有实验室管理系统，但是其个性化特性不高，没有根据高校各自的特点来进行设计，与此同时实验管理者人数有限，需要一个人同时管理很多间实验室，且实验室有时候会分布在不同的位置，管理起来无法对实验室进行全天全时段的监管，这样很容易造成安全隐患，往往由于监管不及时会造成严重的损失，因此需要借助特性化的实时管理系统对实验室进行管理。应该根据实验室的不同特点对其进行针对性的管理，有些基础实验室由于使用的人数较多且设备使用频率较高，经常会出现安全事故，由于管理人员的疏忽等原因也会造成安全隐患。

现在高校智慧实验室的建设发展过程相对较慢，主要是由于：①高校的每个学院和每个系部基本上都建立有自己的实验室和计算机机房，但是实验设备相对比较多，管理人员却很少，很多实验室是由专业老师作为管理人员；②管理部门较多，管理繁杂；③实验室的管理方式薄弱，存在一些安全故障的漏洞，有的实验室甚至不能够直接管控其整个开放的过程；④由于实验室有限，导致实验教学排课的紧凑和繁杂，实验无法统一管理和安排；⑤实验室的管理工作量由于课程繁琐导致核算总量困难。综上，需要建立完善的智慧实验管理平台，对学校的所有实验室进行综合统一管理，才能使得很多问题得到解决。

2 人工智能背景下的智慧实验室构建思路分析

根据高校实验室现状和现存问题，应用人工智能技术对实验室进行智慧实验室的建设，在建设中将计算机、大数据、物联网、智能终端应用于软硬件中，建立其智慧实验室管理平台。

为了提升实验室的灵活性，在智慧型实验管理架构的过程中，根据实验室面对不同专业的实验需求不同，引进设备，进行实验项目的修订设计，课程安排，将其与教学管理系统、实验设备管理系统、实验资源库相连构建智慧实验室的管理系统框架，通过系统数据交互，统计实验室的各种耗材管理使用情况、教学管理考勤情况、实验室的利用率情况，并对其数据进行管理和分析，进而对实验室进行灵活的管理。智慧型实验室构建方案设计的具体方案如下。

2.1 智慧型实验室管理控制系统

现阶段高校实验室不断地朝信息智能化发展，在原始老式门禁的基础上增加读卡器门禁系统，其中包含感应卡、门禁控制器、电脑管理软件、读卡器、开关门按键、安防控制联动系统、报警系统、电脑管理软件等。实验室的使用人员经过实验室总管授权就可以在其制定的需求时间通过一卡通进出实验室，系统管理软件对进出人员的出入时间和人员名单进行记录，形成实验室管理大数据。在人工智能技术的不断发展中，门禁系统不断地完善，将人脸信息和其身份信息相结合，使用者可以在没有携带一卡通的情况下，刷脸进出实验室，这样可以减少因为实体卡的客观性带来的不便，身份识别系统还可以控制实验操作平台的电源，在其预约的时间范围内正常工作，超出时间电源自动断电，同时能够实时地记载其使用状态和使用时间。实验室门禁系统的智能控制性，不仅摆脱了传统的机械门锁繁琐的开关门的工作，还可以减少实验室管理人员的用工成本，还使得管理质量得到了提高，保障了实验室的安全。语音提示器、管理服务器、通信模块和摄像头等构成的远程视频监控系统能够实时监控实验室的总体情况，能够远程监督实验教学情况，把控实验教学质量，也可以远程提醒和指导实验操作人员。教学督导部门也可以在监控中心根据教师账号查阅其授课情况，同时也可以了解任意一间实验室的开放情况、整体运行情况、师生的出勤率，同时还可以指定查阅具体某位学生的具体操作流程，也能够监督实验课过程中老师是如何指导学生，监督整个教学过程，为学校质量监管部门提供有力的支撑。

2.2 高校实验室智能管理软件系统

智慧实验室智能管理系统包含有实验室数据采集信息、实验室管理软件平台、实验室管理系统。建立实验室的资源管理平台系统能够提高实验室资源管理的整体效率，管理平台中包括资源管理模块和用户管理模块，资源管理模块能够对实验室的仪器设备进行分类管理，也可以对实验室的低值易耗进行存储消耗管理，同时也可以对实验项目、教学实验内容、实验队伍进行管理。

同时为了提高仪器设备的使用率和平台的使用率，开通了网上预约系统。网上预约系统隶属于数据采集和管理系统。网上预约系统能够登记使用者的个人信息、使用具体时间、使用日期等信息，同时提供每台仪器的使用说明方法、操作流程等，通过管理员审批的使用者可在约定时间进出实验室并操作实验台。

2.3 实验中心资源共享平台

实验中心资源共享平台的建设，能够充分利用实验教学的优质资源，能够让专业和学科不同的老师相互学习、共同交流，不同专业的学生也能够在不同专业的实验室进行学习，完全的摒弃了专业限制，同时也提高了学生的实验技能。教学方法、管理制度、师资队伍、实验仪器相关实验资料都作为共享资源的一部分。

3 智慧实验室功能特性

3.1 智慧实验室的教研平台

众所周知，实验室是学生动手能力培养的摇篮，是实验教学和实践教学的主场地，智慧实验室能够进行线上教学和线下实验的前期预习准备工作，也具有课程管理功能，能够进行场所预约、选课、成绩统计分析等功能，能够为课程提供有力的数据支撑，能够记载学生的实验课程的学习情况，老师的教学进度。

线上和线下两部分模块构成了智慧实验教学平台。线上教学部分的主要功能是网络测试和线上教学平台。设备学习、制度学习、安全知识培训、课程学习构成了线上教学平台，其中课程的学习是包括实验步骤录像、实验的指导、创新知识、实验知识讲解等内容，能够让学生在整个学习过程中做到提前预习、课后复习。网络测试也是检查学生是否做好了课程的预习工作，测试合格的学生门禁系统才可以同意其使用实验室，门禁系统也将记录学生参加实验课程的情况，例如进出时间，参加实验的时长等等。

线下教学则是常规线下实验课程，学生在老师的指导下完成实验项目，老师可以通过网络平台对学生成绩进行记录，同时也可以对实验过程进行录像或者回访记录，实验课程结束后学生也可以在网上提交实验报告。

3.2 智慧实验室的科研平台

智慧实验室的科研平台系统，不仅能够承担学生的实验教学任务，还可以从事很多科研工作，大学生创新创业项目实验、各种竞赛项目实验、毕业设计相关实验工作。

进行这些科研项目的前提是学生需要提前在预约平台系统中进行预约，并且在使用实验设备之前在平台系统中进行学习。在进行科研活动中，不可避免的是交流，大家也可以通过系统平台进行师生交流和项目组成员交流，共同解决在项目过程中遇到的问题及看法，并把解决方案分享给其他的平台应用者和开发者，及时地对平台的问题进行解决。

3.3 智慧实验室的管理系统

智慧实验室的管理由仪器管理、日常维护管理、人员管理组成。人员管理将实验课程老师和实验室人员进行信息建库；设备管理 是针对不同的实验室的设备进行分类管理，其中包括设备的使用法和注意事项，维修记录及其耗材管理与使用；日常管理是针对实验室的日常清洁、整理、维护情况进行记录。

3.4 智慧实验室的安全系统

实验室的安全管理一直都是重中之重。将传感器信息技术融入实验室的安全管理中去，根据温度、光线、湿度、烟雾、火焰、有害气体等相关数据来保障实验室的环境，实现实验室的智能化，对实验室内部的各种安全隐患直接采用数据超标就报警的方式作为提醒。

4 结束语

笔者就目前高校实验室的现状进行分析，然后结合高校实验室的特点，就人工智能背景下智慧实验建设进行讨论。智慧实验室建设目的是使高校实验室的管理模式得以创新，利用智慧实验室，使得各级管理人员能够高效、充分地利用好学校实验室相关资源信息，并且使实验室的开放管理模式得到发展，能够充分地利用好实验室的资源，推进高校人才培养模式的发展，完善高校实验室的建设。智慧实验室以人工智能相关技术为依托，实现实验教学、科研管理、实验室管理、竞赛、创新项目等全方位的智能化管理体系，从时间和空间等各方面不断地提高实验室资源的利用率。