基于物联网的开放式实验室管理系统的设计

张欢 南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室 江苏南京（210037）

实验室是提高学生实践、创新能力的重要实践环境，其在高校不可或缺的地位毋庸置疑。开放式实验室为学生动手解决实际问题，提高科研素质和创新精神提供了一个更为广阔、自由的空间，其可以激发学生学习的主动性，也可鼓励教师开出更多高水平的科研课题，对提高实验室资源利用率非常有效。而实现实验室开放也是教育部《普通高校教学水平评估指标体系》的要求。

1 开放式实验室的必要性

一直以来，实验室教学通过验证性实验虽然能加深学生对理论知识的掌握和理解，但不能够培养学生的创新思维，所以开放式实验室有利于以学生为本，激发学生的学习、动手科研兴趣，自主学习[1]，培养创新型人才和应用型人才[2]。实行开放式实验室，教师只需要给予学生指导，具体由学生自己制定实验步骤和方法，长久以往，有利于不断对实验内容进行改革和完善，促进教学实验的改革。

此外，实验室完全开放，可以整合实验室资源，提高仪器设备的使用率，降低仪器设备的重复购置率，完全发挥设备效能，提高投资效益。开放式实验室不仅是对本院校开放，还可以实现不同高校之间的开放，实现资源互补，可以有效促进资源共享，以及高校之间的交流沟通[3]。

通过现代化的方法实行开放式实验室管理，可以将实验教师从常规的实验室管理工作中解放出来，避免了实验教师长期的重复性劳动，使其有更多的时间将实验室规范化管理，有利于实验教师自身的水平提高以及实验室的长远发展规划。

在过去的实验教学过程中，学生参与教师课题研究这样的模式已经无意识地在实行实验室开放。“开放”是今后实验室的工作主题，现在需要我们理清思路，有意识地有规章制度地进行开放式实验室管理的实践与探索。

2 开放式实验室的管理

目前，越来越多的大学自主制定了适合本院校、专业的开放式实验室管理措施。如：东北林业大学、哈尔滨工业大学、浙江师范大学、鲁东大学、山东工业职业学院等。实验室开放式管理是一项需要长期不断探索的工作，需要实践的不断总结。

2.1 以学生为本

开放式实验室相对于传统实验室，学生是实验室的主体，以学生为本，学生自主实验，较为零散，且学生的实验操作水平、仪器的操作水平高低不同，给开放式实验室管理带来了一定难度。因此，在施行开放式实验室之前，要对学生进行统一的仪器设备使用培训，并提出一定的规章制度，便于统一管理。对一些陈旧的实验内容进行改革、合并或停开，开放式实验内容要反映新技术、新知识、提高注重培养创新能力为主的实验内容，最终,使实验课程体系得到优化与整合，每学期结合教学大纲设置一定数量的开放性实验内容，针对开放性实验设置相应的学分，鼓励学生积极参加，培养学生学习主动性，创新性，动手实践能力。

学生实验分为教学计划内实验和开放性自主实验[4]。前者在实行时参照传统实验室运行制度，将教学计划下达学生手中，在规定的时间内必须完成。后者在不影响教学大纲规定的实验内容的前提下，学生预约使用实验室仪器设备，在规定时间段进行实验。

2.2 “物”的管理

开放式实验室的“物”主要指仪器、设备等。实验室完全开放后，可以避免仪器设备的重复购置，大大提高设备使用效率，同时，要加强仪器设备管理。

使用物联网技术对仪器设备监管，形成网络化管理。仪器设备从购置、使用、维护、维修到报废，都要进行有效的控制。加强仪器设备的责任到人制，要求实验师有专业的技术知识、高度责任感。建立大型设备共享平台，仪器设备对外使用时，采取有偿使用制度，收取的费用可用于学生开放式实验课题的经费来源[5-8]。

3 基于物联网的开放式实验室的设计

开放式实验室的管理制度需要在实践中不断总结摸索，其最终实现离不开技术支持。如今，物联网技术越来越多地渗透到生活的每个角落。不仅仅是开放式实验室，大到智慧校园（校园信息的智能化采集、运输、管理、控制、显示、推送等，最终实现全校各部门，子系统信息融合，互联互通）都以物联网云计算为核心。基于物联网的开放式实验室技术，可以有效解决实验室管理中的信息更新滞后，人力资源不足或浪费，设备冗余，重复投入，信息孤岛等现状，也可有效实现开放式实验室需要的科学决策，完全开放，及时管控，方便快捷要求。

3.1 基于物联网的开放式实验室管理系统的设计

通过使用物联网技术，为实验室完全开放提供了保障，为开放式实验室管理制度的探索提供了技术支持。从课程实验管理子系统和开放实验管理子系统这两个部分来进行基于物联网的开放式实验室建设。

①物联网课程实验管理子系统设计

图1课程实验中管理

对于开放式实验室，课程实验管理即将传统的教学大纲要求的实验内容连上物联网后，实验课老师可从教师端对该堂实验课进行实验地点及时间预约，并上传实验内容和步骤，学生可从学生端对老师上传内容进行预习。具体系统设计见图1。

该设计功能：门禁管理可以授权学生一卡通开启门禁；考勤汇总可以自动生成考勤表，用于出勤人员的统计（代替学生上课点到）；视频管理可以实时视频录制备案上课过程。

图2为课程实验后管理

图2课程实验后管理

将物联网技术用于课程实验管理，便于管理效率的提高以及信息的智能采集。学生课前预习，课中实践，课后报告提交全程记录，提高学习效率。仪器设备由任课老师监管授权使用，自动建立设备使用记录，方便数据统计，责任落实到人，也可减少实验师工作量。

②物联网开放实验管理子系统设计

开放创新型实验室开放式实验不可或缺的部分，也是实行开放式实验室的最终目的。图3为物联网用于开放创新实验管理系统设计。

图3物联网用于开放创新实验管理系统设计

该设计功能：实现开放式实验室的预约使用权（预约时间、实验内容及地点）；授权学生一卡通[9]，学生可在预约时间段享受开放实验室的权利，完成自主实验。

该设计优点：设计可减轻老师负担，提高学生动手能力；自动建立设备使用和器件消耗情况记录，方便数据统计与分析；提高开放式实验室的利用率，提高设备使用率，对设备台账管理（维修，维护，报废）提供依据；视频监管为开放式实验室提供安全保障[10]。

3.2 基于物联网的开放式实验室仪器设备的设计[11]

将物联网技术用于实验室仪器设备管理，对仪器设备的使用情况进行数据实时采集和记录，最终可实现设备仪器从购买、使用、维修、维护、报废整个生命周期的实时管理。

基于物联网的仪器设备管理系统主要包括：用户管理、采购流程管理、验收流程管理、使用过程管理、贵重设备仪器管理、维修管理、报废管理以及供应商管理。

①基于物联网的仪器设备用户管理[12]

学校的实验室管理基地（包括处长、到实验室主任、实验室）人员均可进入系统，对仪器设备进行信息查询，管理和跟踪。

②基于物联网的仪器设备采购管理

负责仪器设备采购的相关人员在物联网上登记采购项目、招标信息等。使采购过程公开透明化。

③基于物联网的仪器设备验收流程管理

组织验收后在物联网上对仪器设备进行注册，贴上RFID标签，自动形成报表（包括仪器设备名称、型号、数量、图片、供应商信息等）。

④基于物联网的仪器设备使用过程管理

通过远程在线采集仪器设备使用时间、次数、人员等信息，记录仪器设备使用状况，是否损坏、违章操作，是否有维修保养记录等。

⑤基于物联网的贵重仪器设备管理

主要针对大型贵重仪器设备进行的格外使用率、借还记录、授权使用、看护管理等。

⑥基于物联网的仪器设备维修管理

若仪器设备需要维修，当时的使用负责人从申请维修、维修登记、维修结束均在物联网登记记录备案。

⑦基于物联网的仪器设备报废管理

若仪器设备需要报废，管理人员可将报废申请、报废评估、报废注销等信息记录。

⑧基于物联网的仪器设备供应商管理

对供应商合同信息，设备优劣信息，售后服务信息进行记录，为学校下次采购仪器设备提供参考。

4 结语

开放性实验室是今后的趋势，实验室开放最终可以实现设备的高效合理使用、学生实验动手能力、创新思维的提高等，但是如何真正实现这一目的还需要一段时间的研究和探索实践。然而，基于物联网的开放式实验室管理，为实验室开放创造了一个非常切实、安全有效的运行维护管理环境，是实现实验室开放的一个可行方案。基于物联网这一技术手段，对实验过程前后进行监控管理等远程控制。

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