智能实验室信息化系统的建设与管理

章玥云

（江南大学实验室与设备管理处 江苏 无锡 214122）

0 引言

实验室是高等教育实践教学与科研的重要平台，是培养创新人才的关键场所[1]。在大数据应用与普及的背景下如何提高实验室的管理水平与使用效率，已成为各高校亟须解决的重要问题。传统实验室依托人工管理维持实验室的日常运行，很有可能造成工作人员管理效率低下、对象不明、响应时长等问题，浪费大量人力、物力与时间[2]。此外，一方面是传统实验室定时定点的管理与使用模式没有充分利用实验器材，导致教学资源的闲置与浪费[3]；另一方面是僵硬的管理模式未能满足学生个性化需求，不利于创新人才培养。实验室僵化的管理模式与学生的个性化需求之间的矛盾刺激高校建设智能实验室，深化管理体系改革，建设信息化管理平台，从而提高实验室管理效率，科学合理地配置实验室资源，满足学生个性化需求，实现实验室的智能管理。

1 传统实验室管理机制存在的问题

国内高校实验室多按专业分类管理，形成“校－院－系”三级管理模式。传统的管理模式配合了学校的专业化教学，但面对当前高等教育改革的新形势与培养创新型人才的重要任务[4]，传统实验室管理模式的弊端日益明显，严重阻碍当代大学教研的发展。

1.1 管理体系不健全、模式落后

传统的实验室管理按专业划分进行分散式管理模式，规模小、功能简单且各专业实验室之间无统一科学管理机制，使各部门之间职责不明。在传统实验室管理体系方面，僵化的管理策略脱离学生实际需求。学生需要定时定点的预约实验室，但学生下课时间与实验室管理人员上班时间不重合，在实际操作中常出现学生课余时间并不完全吻合管理人员上班时间的现象。学生上下课时间的一致性，造成实验室爆满或无人问津两种极端现象，也演化出实验室资源调度不匹配的问题。实验室激励机制方面，管理系统缺乏积极有效的激励机制，导致实验室管理人员工作积极性不足，学生参与度低，造成实验室设备仪器使用率低的问题。

1.2 实验室管理队伍思想固化，管理能力不足

受重理论、轻实践传统观念的影响，实验室管理人员理念跟不上现代教育的发展需求。管理队伍问题主要体现在以下几个方面：一是实验设备采买方面，管理人员缺乏长远规划，导致采买实验设备的专项经费应用于功能相近且品质一般的实验仪器设备等问题。二是实验室评估机制方面，缺乏有效的设备管理与维护的评估机制。高校采取“一刀切”式的僵化的实验室设备淘汰机制，根据器材使用年限，报废同批次的器材，造成使用率低、易损坏的仪器大量积压，不但占用实验室空间，造成“物不尽其用”的浪费，形成使用率低的仪器被闲置、而使用率高的仪器用之不足的矛盾境况。而在实验室管理方面，存在管理体系严重固化、管理模式古板不灵活等问题。忽视互联网环境与培养创新型人才的重要任务，依旧使用传统的实验室管理体系且不知变通，落后的管理模式严重降低了实验室的仪器使用率，妨碍了学生的个性化需求与发展。

1.3 缺乏信息化管理平台

随着国家与高校对实验室建设的重视，高校在科研设备上的投入大大增加，改善了实验室的科研环境。但不可否认的是实验室管理人员不熟悉信息技术，更无意识搭建信息化管理平台来更好地管理实验室运转，导致实验室的信息化平台建设一拖再拖，而传统固化、僵硬的管理机制造成实验室利用不充分、学生需求得不到满足等问题。分散化的管理模式使各院系之间没有达成统一的信息化管理平台，各自为政的管理模式也导致信息不通、消息不明，学生登录实验室系统的重复性申请与操作，造成时间与精力的浪费。系统的分散化管理也使得实验室管理人员对实验设备与学生的信息掌握不全，造成工作效率低下与响应时间较长的问题 。

2 智能实验室信息化系统建设的可行性

为解决上述问题，本文提出了一种基于智能实验室管理数字化、信息化的管理机制。

2.1 智能实验室是一种基于大数据应用背景下的新型实验室管理方式

智能实验室是指在信息技术的催化下实现环境、设备、资源和实验教学等的智慧化管理，实现信息融合与技术融合，并加强实验教学中师生的交流与互动的管理[5]。一方面，随着互联网信息技术的发展，学生在网上搜索与浏览的碎片化行为被收集、分析并存储起来，将这些看似毫无关联的小数据整合生成有价值的大数据[6]。大数据描绘了学生的特征全貌，形成“用户画像”[7]，反映学生的个性化需求。另一方面，基于大数据信息技术，智能实验室可以将实验室各种实验设备、实验操作行为进行数字化处理，对其进行电子标签化，形成规格统一的信息化管理。因此在构建智能实验室时，基于学生的访问数据与实验室其他数据的融合，计算机的深度学习构建推荐模型，满足学生的个性化需求，为建设智能实验室奠定基础。

2.2 技术的成熟是智能实验室信息化系统建设的基础

感知技术、存储技术与云技术等信息技术是建设智能实验室的基础。在智能实验室构建的过程中，感知技术、存储技术与云技术三者相辅相成。感知技术与存储技术保障了大数据信息的收集与存储，而云计算对所收集、存储的信息数据进行分析处理，以应用数据为目标，实现智能实验室的个性化推荐与服务，让这些数据有意义与价值。云计算让收集与存储技术所得到的数据有了用武之地，而数据的收集与存储也让分析技术更好地发挥其价值。现如今，随着信息技术的发展与成熟，大数据的沉淀与处理颠覆了传统实验室的管理模式与理念，越来越受到管理者的重视。

2.3 个性化需求是建设智能实验室信息化系统的源动力

传统实验室固定时间、固定地点的使用方式限制了大学生对实验室的使用，实验室使用高峰或低峰的信息不对称也造成了学生在预约实验室时出现了实验室预约拥挤或者无人问津的尴尬情境。而随着网络层大数据信息分析与统计技术的发展，手机APP 的应用与普及，越来越多的大学生对实验室信息的及时性、准确性与个体性提出越来越高的要求。根据智能实验室APP 开放平台的打造，学生期望通过APP 实时掌握实验室的预约与使用情况，能够自主地预约实验室。此外，学生在智能实验室APP 的平台预约成功后，凭学生证件刷卡即可进入实验室进行实验操作，无须二次登记。在实验过程中，一方面，学生可随时登录手机APP 反馈实验器材的使用情况，如遇到实验仪器故障可随时通过智能平台上报；另一方面，实验室管理人员也可以通过对手机APP 后台管理实时监控实验室运转，及时上报需要维修的实验设备，真正实现智能实验室的信息共享与平衡，满足了学生个性化自主预约并使用实验室的需求，提高了学习效率，有利于实现科研创新。

3 构建智能实验室信息化系统的举措

构建智能实验室信息化系统主要分为管理、系统设计与监管三大部分。

3.1 智能实验室管理层面

传统实验室以专业划分分散管理，不利于信息化平台的数据与资源的整合，构建智能实验室应探索合作共荣的管理模式。首先加强实验室信息化、数字化建设。传统的管理模式已满足不了智能实验室的管理需求，为更有效地满足师生科研需求，提升管理效率，需加强实验室的智能建设。智能实验室依托大数据信息技术，搭建信息化智能平台，鼓励管理人员信息化、数字化管理实验室，学生个性化使用实验室，从而提高管理人员的工作效率、仪器设备的使用效果。其次更新管理体制建设。从学校视角出发，全面规划推进智能实验室开放机制管理建设，统一规范学生对实验室的个性化预约与使用、实验室管理人员和设备更新与淘汰等日常管理工作，制定科学、合理的规章制度，减少因分散管理导致的各部门重复管理、低效管理等问题，实现实验室的专业化管理。同时促进各学院、各个专业之间的交流与合作，实现实验室数据库的资源共享，革新实验室平台管理策略，为提高学生科研创新保驾护航。

3.2 智能实验室系统设计层面

智能实验室管理系统包括无限传感器网络、网关、服务器和手机APP 等4 个部分。智能实验室一方面通过信息与技术的融合搭建信息化平台，借助PC 端与手机移动客户端实时收集实验室内部数据，再上传至数据库对不同类型数据进行深度分析与融合，并将整合后的精准、有效的数据应用到实际管理，从而形成智能实验室开放的管理系统。另一方面，智能实验室基于所搭建的信息化平台，通过深度学习的智能推荐算法向学生提供个性化服务。

如图1所示，学生方面：学生在PC 端或手机端操作发出个性化预约申请后，可随时随地刷卡进入实验室，进行实验操作。当发现实验设备发生故障时，可登录智能实验室的信息化平台，上报故障信息记录实验设备情况。服务器会积极提取并分析学生的请求数据，对每一个学生的实验设备与目标对象进行可识别编码与标注，追踪设备使用信息，建立个人实验室使用标签。同时充分利用手机APP 对每个学生有针对性地推送实验室相关信息。此外，实验室管理人员方面，管理人员可以通过对信息化平台的后台管理随时查看学生的实验室预约与仪器使用情况，记录统计实验室仪器设备与资源的配置情况，及时上报并反馈发生故障的实验器材，对实验设备进行数字化统计与标记。基于此，依托大数据信息技术搭建信息化管理平台，通过网络层对学生实验室使用的信息数据与管理人员的实验室设备与信息反馈数据进行统计与分析，最终生成总结性内容，不断完善信息化平台的数据库信息与功能，以备后期的持续有效管理。

图1 智能实验室系统结构图

3.3 智能实验室的监管层面

构建安全有效的智能实验室需要对其进行系统性的监督管理，因此为智能实验室更加科学运转，需通过信息化平台依托信息技术对实验室进行统一监管，积极搭建意见反馈渠道，赋予学生、管理人员提出问题的权利。

如图2所示，首先对智能实验室的仪器设备进行实时监管。借助信息化技术搭建实验室远程监管系统，实现智能实验室的智能化、自动化的自我监管，对实验设备、使用情况等进行实时监管，动态掌握实验室的使用情况。为保障对实验室仪器的监控，安装传感系统实时监控实验室的使用情况，对故障设备自动上报处理。学生可通过信息化平台随时上报并反馈仪器故障，真正实现实验室对仪器设备与实验室使用情况的实时远程监控。其次对学生与管理人员进行实时监管。虽然实验室采用开放式预约管理，为保障实验室的高效运行与安全管理，实验室采取门禁系统，每个刷卡器均可实时记录实验室的使用情况，并根据学生的刷卡情况自动生成学生的个人数据库以及实验运行记录，一方面是形成学生的实验室电子标签，对学生进行个性化推荐实验室相关信息，提高实验室使用率；另一方面是监管学生规范使用实验室仪器，避免安全事故。根据管理人员刷卡上班以及对实验室仪器与信息化平台的操作管理的记录，生成管理人员的电子标签，从而更好地对管理人员进行监管，提高管理人员的工作效率。此外，为保证实验室的安全，智能实验室需实时对实验室的温湿度、烟雾度以及安全状态进行监管、检测与分析[8-9]，如若发现异常及时报警处理，并将检测数据上传至信息平台存储与分析，以便后续管理[10]。

图2 智能实验室系统监管图

4 结语

综上所述，高校实验室是教学、科研的重要场所。智能实验室的建设与管理有利于合理配置实验资源，满足学生个性化使用实验室的需求，提高实验设备的利用率。基于数字化的信息平台，建设数据融合的智能实验室管理体系，打破传统管理思维与体系，追求实验室的统一、系统、科学的优化管理，真正实现智能实验室的个性化开放与预约、智能系统的推荐与管理，使高校实验室在深化教育体制改革、促进科研创新中发挥更加积极的作用。