高校实验室智能管理系统设计实践：以无锡职院为例

叶林

（无锡职业技术学院汽车与交通学院，江苏 无锡 214121）

国内外都非常重视实验室的建设，并且投入了大量的人力、物力来支持实验室建设。总体来说，国外高校实验室的建设水平明显高于国内高校实验室的建设水平。高校实验室是高校教学和科研体系不可或缺的一部分，是高等教育的重要组成部分，更是高校实验室的宝贵资产。随着教育体制改革的不断深入，高校扩招学生，高校实验室的投入也随之增多，规模也越来越大，实验室的功能越来越复杂，相应的管理工作也日益繁杂。然而高校实验室在运行、管理方面，存在的问题也日渐增多，高校实验室管理体系优化不足，实验室无法充分运用它发挥作用。特别是实验室的运行、仪器设备的管理、使用和维护，仍然以人工管理的模式为主，且实验室功能过于单一。建设实验室智能化管理系统已经迫在眉睫，通过加强建设实验室网络化、数字化信息平台，将实验室智能管理系统作为高校实验室管理工作革新的重要依据，对高校实验充分发挥其作用、提高管理水平具有重要的意义。

1 目前实验室管理中存在的主要问题

目前高校实验室管理方式相对落后，存在诸多问题。如仍然采用最原始的人工纸质记账式管理模式记录现代实训室设备及使用情况，这不仅浪费人力，而且存在诸多风险漏洞。实验室设备丢失、仪器存放位置无法确定、耗材难以把控，成为实验室资产管理中最突出的问题，此外实验室设备物品损坏无法第一时间追责、不能及时维护修理等也是常见问题。传统的人工记账式管理方式使得实验室管理严重缺乏科学性、合理性、规范性、高效性、交互性。利用实验室智能管理系统可以有效解决此类问题，同时将教师从烦琐的实验室管理事务中解放出来，使教师有更多的精力投入到日常教学、科研中。

2 实验室智能管理系统建设的意义

构建科学合理的实验室管理体系，建设实验室智能管理系统，可以将实验室管理进行数字化转化。在实验室仪器设备管理方面，实现设备购置的提前规划、采购、日常管理、使用、维护维修、报废等全程监管记录分析，提高实验室仪器设备的使用率、完好率。对于难以管理的耗材使用方面，实验室智能管理系统有着得天独厚的优势，根据不断采集更新的大数据分析，统一采购、科学合理管理实验室耗材，可避免耗材的重复购置、闲置虚耗，有效监控记录耗材的使用情况，避免不必要的人为浪费。

实验室智能管理系统可为教师提供一个方便高效的操作平台，有利于更好地开展实验室管理工作，充分保证仪器设备的资源价值，便于教师精准把握实验室整体使用情况、学生参与情况，为教师管理、教学、学生学习使用提供便利条件[1-2]。实验室管理系统可以根据反馈情况进行不断升级完善，在动态管理中更好地服务教学科研工作，从而最优使用实验室。

3 实验室智能管理系统的建设思路

高校实验室智能管理系统的建设，需要基于计算机技术、网络技术、智能技术等信息化处理技术进行设计，该系统软件系统主要包含OA 交互管理系统、移动APP 服务系统[3-4]。通过“设备集群、资源集成、管理集约、智能分析”等方法创新，充分发挥“实验设备、在岗教师、在校学生”的相互作用。同时应用“协同过滤、矩阵分解、深度学习”等算法，构建集项目查询、预约、沟通、实施、考核、评价、智能分析等的一体化信息化交互平台，形成便于实验室管理系统平台开放建设、使用和管理的窗口。实验室智能管理系统建设思路如图1 所示。实验室智能管理系统设计架构如图2 所示。

图1 实验室智能管理系统建设思路

图2 实验室智能管理系统设计架构

基于实验室管理使用的特点，实验室智能管理系统应用了基于深度学习的推荐模型、宽深模型和深度模型，结合相似度计算，根据数据特点的不同选择不同的相似度计算方法来实现智能管理分析。

杰卡德相似系数（Jaccard similarity coefficient）公式如下：

在二维空间中，向量A（x1，y1）与向量B（x2，y2）的夹角余弦公式如下：

2 个n维样本点a（x11，x12，…，x1n）和b（x21，x22，…，x2n）的夹角余弦公式如下：

此外，还有一些其他方法，例如欧式距离、曼哈顿距离等。

3.1 用户使用管理模块

此模块可与学校数据平台的数据实现交互共享，主要功能是采集用户信息、权限管理等。用户数据采集功能可实现与学校现有数据平台的数据交互共享，同时能够采集未在学生数据平台内的用户信息、临时用户信息等。权限管理功能可对不同的用户群体开放不同的管理权限，从而达到不同的管理效果。

3.2 资源配置管理模块

此模块是实验室智能管理系统的主要模块之一，它包含了实验室仪器设备的基础信息数据采集记录、位置信息共享、使用信息记录、维护保养信息储存、教学资料上传[5-7]等功能。

仪器设备的基础信息数据采集记录功能主要是采集记录仪器设备的设备名称、型号规格、性能、使用实验项目、使用方法，其中使用方法采用动画演示，并能通过扫描其二维码获得该设备的基础信息。

位置信息共享主要包括以下3 大类功能：①对于交通工具类，如汽车采用GPS 定位监控的方法记录位置信息，除了抓取其实时定位信息外，基于地理围栏技术，当设备进入、离开某个特定地理区域，或在该区域内活动时，手机可以接收自动通知和警告等，地理围栏的主要问题就是判断设备是否落在某多边形围栏内部；②对于中型设备及贵重设备，安装RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别）来记录位置信息；③小型物品采用二维码记录位置信息，主要出口安装防盗门禁报警设备。

使用信息记录功能主要是记录该设备的使用情况，主要记录该设备在何年何月在何地由谁使用、使用周期、有无损坏等情况。

维护保养信息储存功能：对于录入实验室智能管理系统的仪器设备，定时提醒它保养周期；记录其保养状态、维修记录等信息。

教学资料上传功能：教师端可上传与实验室相关的教学资料，便于学生课前下载、学习。同时系统会记录学生们对教学材料的使用学习情况，供教师课前有计划、针对性备课和开展教学。

3.3 开放交互管理模块

此模块主要包含实验室仪器设备借用及预约、实验实训任务书发布、学生签到、电子实验指导书发放、日志填写反馈、提问及意见反馈、实验室基本信息查询等功能[8]。

实验室仪器设备借用、预约：主要功能是实现仪器设备追踪管理，统计仪器设备的使用频率，及时记录存在的问题。实现仪器设备的资源共享，以免闲置浪费现有资源。

实验实训任务书发布功能：主要功能是教师端能够通过实验室智能管理系统将即将要进行的实验实训任务发布至学生手机APP 端，使学生能够提前对实验实训任务进行预习、准备、熟悉，同时统计学生的学习情况，记录反馈学生在预习中存在的难点，以便教师有针对地在实验实训中讲解示范，从而达到提高实验实训效果的目的。

学生签到功能：学生在用户管理端进行信息采集的时候，需绑定个人手机，每个实验阶段会定时发布签到任务，学生需进行定位签到。

电子实验指导书发放功能：主要功能是存储关联不同项目电子实验指导书，指导学生们进行实验。学生可以查询电子实验指导书，由负责实验指导教师开设、更新。

日志填写反馈功能：主要功能包括教师实验实训日志填写和学生实验实训日志填写，教师、学生可实时填写实验实训的基本数据、建议、问题反馈等情况。

基本信息查询功能：主要功能是实现实验室智能管理系统中人员、实验室功能介绍、仪器设备操作视频、实验实训项目、实验实训指导书、成绩评定等内容的快速查询使用。

3.4 智能分析模块

此模块主要包含评定实验实训综合成绩，以及为仪器设备的使用情况、寿命情况、损坏情况、丢失等情况给出智能处理分析报表并进行参考及提醒[9]的功能。基于对用户历史行为数据的挖掘，发现用户的偏向并预测用户可能关心偏向的学习资源。

评定实验实训综合成绩功能：根据教师、学生端实验数据、实验内容进行智能处理分析得到初步综合评定成绩供指导教师参考评分。

实验室仪器设备的使用情况、寿命情况、损坏情况、丢失情况等智能分析功能：主要是基于孤立森林算法进行实验室设备使用率异常检测。孤立森林基于Ensemble 的快速离群点检测方法，具有线性时间复杂度和高精准度，通过此算法为实验室的仪器设备基本状况提供综合智能的分析报表，特别是对学生使用仪器设备中产生的异常数据自动根据数据库以往记录存储的类似情况进行智能对比分析，给出初步分析结果供参考。

4 结束语

目前，提高实验室管理建设的水平已刻不容缓，但各个高校实验室的管理使用中存在着诸多不足，特别是实验室信息化能力较低，实验教学的安排处理依然以人工记账式管理为主，过程不但烦琐、数据准确率低，而且还使实验室管理效率低下，易出现人为差错。设计实验室智能管理系统，能够实现实验室管理、仪器设备管理、基本实验教学管理、实验室综合数据分析处理等功能。建设高校实验室智能管理系统，不仅可以减少数量方面的管理成本，更能实现质的飞跃。尤其是实验室智能管理系统的可升级改造性、数据共享性、资源的充分利用及节约性，数据的可靠性、精准性、及时性都是原始人工记账式实验室管理模式无法企及比拟的。因此，在高校实验室管理中建设实验室智能管理系统是对实验室整体管理水平质的提升，是高校教学改革中关键的一环，对高校的管理及为实验室培养高素质人才都具有至关重要的作用[10]。