教育新基建背景下实验室信息平台建设与应用

2023-01-27吴祝武白向玉

实验室研究与探索 2022年10期

吴祝武，白向玉，袁玲，辛良

（中国矿业大学a.实验室与设备管理处；b.环境与测绘学院；c.化工学院，江苏徐州 221116）

0 引言

教育部等六部门《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》指出，教育新型基础设施是以信息化为主导，聚焦信息网络、平台体系、数字资源、智慧校园、创新应用、可信安全等方面，深入应用5G、人工智能、大数据、云计算、区块链等新一代信息技术，推动教育数字转型，支撑教育高质量发展［1］。教育管理信息化作为教育信息化的重要组成部分，是以信息系统、数据资源、基础设施为基本要素，利用信息技术转变管理理念、创新管理方式、提高管理效率，支撑教育决策、管理和服务，推进教育治理现代化的进程［2］。实验室是高校“双一流”建设的重要支撑，是落实立德树人根本任务的重要载体［3-4］。实验室管理信息化建设必须紧跟时代发展的新形势、新要求，以融合、共享和安全为先导，着力提升实验室资源的配置效率、使用效益，有效提升支撑服务学校事业发展水平。

1 信息化平台建设现状

高校实验室信息化建设涉及综合管理、实验教学、实验室开放、仪器设备管理、大型仪器设备开放共享和实验室安全管理等方面，信息技术与实验室工作深度融合是必然趋势［5-6］。高校实验室信息化建设起步较早，但普遍存在顶层设计不够、系统整合不够、数据共享不畅等共性问题，特别是从校、院两个层面统筹建设的研究与实践不够，普遍缺乏全面系统科学规划［7］。

（1）平台一体化不够。实验室信息平台中校院两级数据纵向流动不畅，各业务系统交互机制不完善、横向耦合度偏低，实验教学、实验室开放、设备共享和安全管理等方面的深层次融合不够［8-9］。

（2）教学个性化不足。实验室信息平台中实验教学模块功能不完善、较为单一，侧重管理层面多、服务师生层面少，如涉及教师、学生和教学资源等方面功能有待进一步拓展和完善［10-11］。

（3）资源共享化不够。实验室信息平台中共享模块功能不完善，跨部门单位、跨学科专业、跨平台系统共享机制不健全，服务便捷化不够，以至于实验室资源存在“部门化、私人化”现象［12-14］。

（4）安全智能化不足。实验室信息平台中安全基础设施建设相对薄弱，安全防控智能化水平相对滞后，设备设施终端感知能力较低，安全预警及应急处置能力相对较弱，仅靠以人为主的传统安全管理难以实现对各层面各环节风险点的精准管控［15］。

2 平台建设目标

在实验室信息平台建设过程中始终坚持以创新、融合、协同、安全、共享为建设理念，实施认证一个口、服务一个厅、流程一张图、决策一平台和数据一个库，构建平台一体化、教学智慧化、资源共享化、安全智能化的校院两级全覆盖信息化综合管理平台。

（1）构建支撑创新型人才培养实验室信息平台。打造智慧学习平台，深度融合实验教学全过程，构建泛在式智慧实验教学环境。搭建资源开放共享平台，构建科研反哺教学机制，通过项目驱动、政策支持引导学生进课题、进团队，集聚实验室资源支持创新型人才培养。

（2）构建智能物联、智慧管控的实验室安全防控平台。推进一体化安全防控平台建设，集智能门禁准入、智能视频监控、智能环境监测、培训检查管控、智能应急处置、智能控制决策融为一体，对实验人员、设备状态和环境状况等进行多维监测和智慧管控，提高实验室的安全预警、应急与防护智能化水平。

3 平台建设方案

实验室信息平台建设始终围绕“四个坚持”逐步推进实施。坚持以融合为导向，建立校院两级互联互通、共融共享的智能管理平台。坚持以学生为中心，构建全天候开放、个性化培养的智慧学习空间。坚持以共享为牵引，形成资源集约利用、功能集合构建的服务体系。坚持以安全为保障，建立全过程监控、全方位感知的安全防控体系。

3.1 建立校院两级互联互通、共融共享的信息化平台

针对校院两级数据纵向流动不畅、业务系统横向耦合度偏低以及实验教学、实验室开放、设备共享和安全保障等深层次融合不够等问题，实验室信息平台采用校院两级架构模式（见图1），通过模块化设计和大数据技术，推动信息平台一体化、校院两级全覆盖，实现学校部门与二级单位的业务协同、数据共享、互联互通，极大提高了实验室工作透明度和办事效率。

图1 实验室信息平台架构图

3.2 构建全天候开放、个性化培养的智慧学习空间

实验室信息平台通过用户层、场景应用层、产品支撑层、数据服务层以及智能支撑层5 个层级的联通（见图2），推动了物理空间、网络空间的深度融合，打通线上线下、课内课外的教学资源，创新教学、评价和管理等应用，构建泛在式智慧实验教学环境。

图2 实验室信息平台层级图

打造智慧学习系统，将教学辅导、在线学习空间、教学资源、教学分析等各方面各环节嵌入平台模块，实现实验室管理者—学生—教师—实验室之间的信息交互，打破传统教学模式时间、空间的限制，更好地为学生培养和科研创新提供保障。学生可通过实验室信息平台进入资源库，浏览、观看相关实验操作视频，利用虚拟仿真资源对实验内容进行自学、预操作，大大提高了实验课程的线下教学效果。同时，师生之间还可以实时进行在线交流，及时给予学生指导与帮助。教师可通过管理平台获得教学相关数据，对实验过程进行考核、评价和量化，实现实验教学全过程深度融合。

3.3 形成资源集约利用、功能集合构建的服务体系

利用物联网、大数据、MAP GIS、移动通信等技术，通过关联传感器和云计算，建立大数据库，搭建实验室信息平台共享模块（见图3），解决目前管理平台相互独立、管理分散和关联度不高的问题。共享模块以开放共享为目的，融合实验教学、仪器设备、实验室开放、虚拟仿真实验等模块，汇聚全校实验项目、虚拟仿真实验项目、创新创业训练项目、开放基金项目、仪器设备测试项目等实验室资源，以项目驱动主动服务人才培养、科学研究和区域经济，实现资源高效利用。构建科研反哺教学机制，将科研资源转化为共享资源，制定政策支持引导学生进课题、进团队，以科学思想发现问题，用科研方法解决问题，助推一流人才培养。

图3 实验室信息平台共享模块架构图

3.4 构建智能物联、智慧管控的实验室信息平台

实验室信息平台安全模块集智能门禁准入、智能视频监控、安全风险防控、智能环境监测、培训检查管控、智能应急处置、智能控制决策融为一体（见图4），对实验人员、环境状况、安全风险等进行多维监测和智慧管控，提高实验室的安全预警、应急与安全防护能力。推进智能门禁与鹰眼视频系统建设，对实验人员进行安全准入，对违规行为进行精准识别，实现实验室的安全预警。持续完善危险源管理，将危险化学品管理、气瓶管理、安全考试、安全检查等整体纳入系统，从人和物两方面实现危险源的全流程监控、安全考试的全覆盖管理和安全检查的闭环控制。布设气体探测、温湿度监测、烟雾监测、语音广播、控制大屏等安全终端，开发智能控制系统，实现对安全隐患的实时监测、预测预警和应急处置。

图4 实验室信息平台安全模块架构图

4 平台运行成效

学校自2014 年起先后投入2 000 余万元用于实验室信息化建设，至今，基本建成了“管理规范化、教学智慧化、资源共享化、安全智能化”校院两级全覆盖实验室信息化平台。通过近8 年的运行，平台全面保障了实验室安全、高效、智慧、科学运行，为学校培养信息时代创新型人才提供了有力支撑。该平台入选了2020 年度中国高等教育博览会“校企合作双百计划”典型案例。

（1）教学服务多样化。实验教学服务更加多元化，实验教学活动变得有序、实验资源协同度更强、教学安排灵活多样、实验项目充分体现个性、实验教学效果更加突出。

（2）实验室管理规范化。将相关制度固化为业务流程，促使实验室管理规范有序，促进实验室服务水平提升，提高实验室综合治理能力。

（3）信息溯源准确化。系统能够及时检索教学安排情况、预约共享、安全准入证书、安全整改信息报告、危险化学品全生命周期的数据信息，做到数据准确留痕。

（4）资源共享便捷化。管理者、使用者能够及时了解综合管理、实验教学、大仪开放、安全管理等信息，方便师生预约实验室和仪器设备，及时了解和完成教学活动、学业安排，增强了数据共享和服务能力，消除了数据孤岛。

（5）资源配置精准化。彻底摸清了实验室“家底”，明确了虚拟仿真、实验用房、仪器设备等实验室资源真实使用状态，明晰配置需求，使得资源配置更加科学、公平和精准。

（6）安全管控智能化。充分利用物联网、人工智能等信息技术，对实验人员、设备状态和环境状况等进行实时监测，实现实验室安全的全要素管理、全过程管控和全方位感知，安全防控更加智能化。构建了风险分级管控和隐患排查治理双重预防机制，对实验室安全进行综合研判，提高实验室安全预警、应急与防护能力，提升实验室安全管控水平。