高职院校电子类开放实验室探索——以福建信息职业技术学院为例

2023-01-11张超峰陈开洪李政平

现代计算机 2022年20期

张超峰，陈开洪，李政平

（福建信息职业技术学院物联网与人工智能学院，福州 350003）

0 引言

培养创新型应用人才是新时期我国高职院校人才培养的重要目标［1］。怎样把这一重要目标全面深入到高职院校日常教育工作中去，是目前各高职院校必须考虑的问题。作为高校培养人才的重要基地［2］——实验室也必须适应这一人才培养目标，走开放性实验室教育之路。进一步完善和加强开放性实验室的建设，使实验室成为学生积累经验、自主创新、自由实践得以体现的重要场所［3］。随着社会经济、科学技术的发展和学生就业实行双向选择，对高职院校人才培养质量提出了更高的要求［4］。而建设好、管理好、使用好开放性实验室，对培养学生专业技能和实践能力、创新能力和严谨的科学态度及素质协调发展具有重要意义［5］。

在传统的实验教程条件下，实验教师既要参与实验教学工作，还需要完成实验室管理工作，工作量大，工作效率低［6］；教师对实验教学的过程难以管理，无法准确把握所有学生的实验进度，无法确保实验结果数据的真实性，难以有效提升实验教学成果，难以更好督促学生对实验课程的重视［7］；因为实验室管理需要，实验室设备难于被充分利用，学生的实验需求无法得到有效满足，学生的实验水平得不到有效提升［8］。

鉴于此，本文探索了电子类开放实验室建设，以期提高实验室管理的开放性和智能性。

1 建设目标

以目标为导向的实验室建设，是一种快速建设实验室的有效途径，因此在实施前，必须明确实验室建设的基本目标、经济效益、社会效益。

1.1 基本目标

实现实验室使用开放化、管理平台模块化、安全管理智能化是电子类开放实验室的基本目标。该目标的实现依托在线开放实验室智能管理系统。学生端可实现随时预约实验室，经审核后学生可按时进行实验学习。教师端是多功能实验教学系统，把学校教务信息，实验室资源，智能设备和实验室仪器进行整合，可24小时开放，可辅助教学，减少重复工作。

1.1.1使用开放化

学生可通过微信公众号查询实验室实时状态以及资源配置，自主预约实验时间以及实验台，并取得数字钥匙。在预约时间内，学生凭数字钥匙进入实验室开展实验。

1.1.2 管理平台模块化

通过开展一套在线开放实验室适用管理系统，实现实验室管理平台模块化管理，便于学校后期根据实际需要扩展信息管理系统业务应用模块。

（1）基础管理。基础数据管理中心是实验室管理平台运行的核心支撑系统，平台支持配置学校实验室、师生和控制点的基本信息，为设备的智能控制提供地理位置及操作权限等。包含组织结构管理，角色管理，班级管理、用户及管理，学期及课节的管理，课程及项目管理，控制点管理等。

（2）教学实践管理。平台支持实现与教务系统进行对接，包含支持课程发布、课程调整、课表查询、个人实践记录查询以及当前实验信息查询；学生可实现自主预约管理，实验课程完成情况统计，实验课程考试结果统计。

（3）智能数据统计分析。以系统运行产生的大量真实数据为基础，利用相关功能模块，实现自动生成相关统计分析报表的功能，包括设备使用率、实践教学统计、学生自主上机统计、实践课程统计等。

1.1.3 安全管理智能化

通过系统实现智能门禁管理，预约实验，分配实验桌，预约的学生通过数字钥匙进入实验室，自动开启实验室照明，空调控制，学生在预约对应号数的实验台通过扫描二维码上电，实验台自动开启照明及设备电源，实验台自动检索设备运行状态后，学生在通过人脸身份识别后，可进入实验操作。实验操作结束后学生可自行断电或到达预约时间后实验台自动断电，所有学生都离开实验室10分钟后，实验室自动断电，也可远程控制设备，具备漏电保护和过载保护、烟雾报警等功能，实现安全预警和告警功能，实现实验室无人值守。

1.2 经济效益

建成在线开放智能管理实验室后，将形成具有数字化、智能化、网络化为特色的创新专业级实验室，使之成为提供从事实验教学或科学研究、生产试验、技术开发的教学或科研实体的创新平台。促进电子信息大类学科建设，对培养学生专业技能、提高学生科学研究和实践能力、创新能力和严谨的科学态度及素质协调发展具有重要意义，增强学院电子信息工程技术等专业的综合实力与竞争力。随着实验室的建设完成，必将提高教师和学生的专业知识和技术创新能力，促进学研成果孵化，为行业和相关产业提供人才和技术支持，服务于地方经济发展，利用学研成果转化形成社会经济效益。

1.3 社会效益

建成在线开放智能管理实验室后，可满足应用学院教学、科研、对外服务等领域的发展需求，满足学校重点学科的建设发展需要，提高学校服务地方社会经济发展能力，提升学院在现代电子技术研发、检测、试制的综合研究应用水平，为高职院校实验室发展提供了新思路、新模式，促进兄弟院校实验教学交流与进步。实验室除满足本学院电子信息学科的需要外，还可面向社会其他高校及企业开放。为数字福州、为数字福建、为我国产业升级提供优质人才。

2 设计与实现

为了达到电子类实验室建设目标，需设计实现三个子系统，包括电子配件智能管理系统、在线智能实训台、开放实验室智能管理系统，并进行有机整合。

2.1 电子配件智能管理系统

电子配件智能管理系统采用先进的云计算技术、互联网技术、无线RFID识别技术、手机APP等技术，对现有的实验室的改造，系统架构如图1所示。它实现对高校实验室器材或物品的智能存取，实验设备装置的历史追溯，实验器材的无人化存储，实验耗材的使用情况监控。它亦可解决实验室资源的浪费、实验室器材和耗材的管理难、学生找实验室器材和耗材流程繁琐等问题。通过存储系统的后台系统，可收集每个学生、甚至每个实验室器材的使用时长以及使用率。它有助于管理人员收集分析数据，及时掌握实验室器材和耗材使用情况，从而实现对实验耗材的及时采购补充。

图1 电子配件智能管理系统架构图

电子配件智能管理系统，实现远程授权、手机扫描存取器材和耗材、查询存取记录、实现物品智能识别。学生可事先在手机APP上预约使用器材或耗材，预约审批后，即可通过手机扫码在实验室存储柜上领用实验器材或耗材。手机端可实时查看实验室存储柜的当前使用状态，实验室存储柜上可显示柜子当前存储的物品和数量，实验完成后学生归还实验器材，存储柜根据物品识别码和重量实现实验器材的识别。

2.1.1 存储柜

存储柜（储物柜）用来管理实验室器材和耗材的存取，其外观如图2所示。

图2 存储柜

（1）存储柜组成。存储柜采用10.1寸安卓主机为主控制器；安卓主机自带高清摄像头；可实现拍照记录存取时现场照片；学生可以通过扫描设备上二维码，来实现实验器材的领用和归还。

（2）物品识别方式。物品的识别采用RFID读卡方式来实现归还的物品的识别；RFID采用EPCglobal UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C ISO 18000-6B标准；工作频率在860 MhZ-960 MhZ，可同时识别超过1000张标签；RFID采用分布式读取方式，可定位卡片在具体的格口中。

（3）平台功能。平台采用云服务器，方便服务器管理，系统扩容升级，并且可以进行数据的定时备份，保证数据的安全。平台的功能模块包括设备管理模块：配置设备权限、设备区域、设备管理对象；用户管理模块：用户分类、用户基础信息查询和修改、用户权限管理；告警管理模块：配置告警模式、配置告警监控范围；设备记录查询模块：各类查询统计；调试管理模块：研发调试、设备对外接口。

2.1.2 软件开发

为使系统具有良好的恒通和扩展性，采用JAVA编程语言、MySQL数据库进行开发。MySQL数据库具有体积小、速度快、总体拥有成本低、开放源代码、应用广泛等特点，加之其社区版的卓越性能，可搭配PHP和Apache服务器组成良好的开发环境。平台操作系统采用Centos，因它与硬件的兼容性强，软件生命周期长。

2.1.3 使用流程

通过实验器材预约—>预约审批—>实验器材领用—>实验器材归还的使用流程，实现实验室器材的无人值守，智能化管理。存储柜运行思维导图如图3所示。

图3 存储柜运行思维导图

2.2 在线智能实训平台

在线智能实训平台含智能实训管理软件、触控终端、智能控制操作台、数字示波器、信号发生器、可编程电源，采用先进的人工智能技术、物联网技术、网络通信技术和电子信息技术等相结合，使其达到扫码登陆、自动开启、人脸身份识别、人员信息显示、设备状态自检、仪器数据自动采集、可视化管理、智能电源管理、实验题材自索、实验结果在线统计、随机组卷、在线考试、自动评分、数据自动上传服务器等功能。

2.2.1 在线智能实训平台管理软件

（1）后台管理。后台管理实现的功能包括课表自动控制、开放预约控制、控制策略、远程控制、控制记录查询、状态监测、与教务系统对接、课程发布、课程调整、课程删除、课表查询、实践记录查询、实验信息查看、课程统计、考试结果统计。管理软件界面示例如图4所示。

图4 在线智能实训平台管理软件界面示例

（2）电源管理。在学生扫码后自动开启设备电源，对应实验台自动开启照明及设备电源，在实验结束后或者无人情况下实验台自动关机。

（3）登陆方式。实验台自动检索设备运行状态后，学生通过人脸识别登录，可进入实验操作。可选择刷卡登录/扫码登录/帐号登录等登录方式。

（4）人员信息展示。实验平台能显示在线实验学生信息，如班级、姓名、学号等。

（5）UI设计。采用扁平化的UI设计风格。这样使得UI界面变得更加干净整齐，使用起来格外简洁，从而带给用户更加良好的操作体验。工作台开机后，自动进入全屏化展示。在经过短暂的仪器自检之后，学生登录进入答题闯关界面。界面功能区域划分合理。界面构成要求：左边仪器状态展示区，左下方关卡选择框，右边及中部设计显示/查看积分排行榜和难度闯关排行榜。在左下方，展示了当前的时间日期。设计AI小助手，能够根据实验操作情况显示信息提示，外形活泼可爱，灵活可拖动，正常默认放在右下角。

（6）实验任务管理。平台支持查看实验任务，可切换题目。在测试时间未到之前，可提前通关。测试时间到了以后，会自动交卷。读取仪器数据会得到仪器监测点的提交值和所操作仪器的截图，并对实验结果在线统计，进行判断和给分。

（7）可视化管理。实验平台的摄像头在学生实验过程中，可不定时进行图像拍照，记录学生在线实验过程情况。

（8）实验结果统计。实验过程中，老师可以在总览页面实时观察学生的答题进度，在学生交卷以后可自动生成实验报告，老师可以统一查看这批学生的实验结果，并评阅。

（9）试题库管理。在线智能实验平台支持考试题库创建与维护，从题库中随机生成作业和考试。支持两种出题方式：手动筛选与系统随机选题。

2.2.2 在线智能实训硬件平台

在线智能实训硬件平台采用组合式钢架结构，底座采用4个重型万向轮设计，可自由转向滑动也可锁死固定、结实、稳固，实验台面采用防静电耐磨材料，要求防静电、耐磨、防腐蚀、阻燃等，实验台背面采用设备架设计，配置4.1寸显示屏、1个输入漏电保护开关、1个复位按键、4个串口插座、4个USB插座、1个以太网插座；4个具有开关功能的五孔插座，配置21.5寸触控显示器以及人脸识别摄像头；两层仪器设备层架（实验检测设备应包含示波器、信号发生器、可编程电源）、支架侧面具有4个五孔插座；电源和网络输入口在实验平台的左右下方各1套；实验平台顶端上支架配有LED照明灯；在上支架角落位置配有摄像设备，可采集实验过程。