高校智慧实验室的模型设计与实现

高博

摘   要：随着现代信息技术的进步，传统的教育教学方式正在发生飞速改变。高校实验室是提升科研水平和实验能力的重要场所，应逐步改进传统的管理模式。文章设计出智慧实验室模型，将有效提高实验室管理效率与使用效能，更好地为教学与科研服务。

关键词：实验室;智慧;模型;设计

在高校中，学生和教师进行科研活动的主要场所是实验室，因此科学、有序地开展科研教学活动离不开实验室设计的科学性和高效管理。当前高校的教学规模、学生数量等都在高速增长，带来了更多的实验人员，实验器材设备等的使用频率和次数也在增加，这也增加了实验室环境的复杂性和不安全性。提高实验室科学管理水平和学生、老师使用实验室的安全性和实验效率是当下较为突出的高校实验室设计和管理问题[1]。

1    高校实验室建设存在的问题

1.1  实验室管理业务系统繁多，用户体验差

国有资产管理处或实验室与设备管理处是当前主要的实验室管理机构，其主要职责有：对实验室教学科研进行管理，为学生进行实验提供实验环境和所需设备、试剂等;采用仪器、设备等固定资产入账以及对大型仪器建档、分类等方式对实验室资产进行管理;实验用房分配，实验室安全管理和使用时间等实验室日常管理;环境改造和仪器、设备采购等实验室管理工作。相应的专职管理系统负责每一项主营业务，这些实验业务的不断出现和增加同实验室管理需求息息相关。当前大多数实验室管理工作系统都由独立的管理系统负责每一项业务，相互联系较少，导致用户在进行相关业务的处理时需要同时登陆不同系统进行分别管理，很容易造成工作的低效性和无效性。多个管理系统的运行消耗了更多的人力和物力，管理成本大大增加[2]。

1.2  信息化建设水平落后，形成“信息孤岛”

在传统的管理方式中，不同系统由相应的科室进行设计和管理，在构建系统时彼此没有共同设计，所使用的构建技术不一致，各管理系统会出现互不兼容、信息共享无效的状况，导致形成“信息孤岛”，技术手段的落后或者时间的限制导致与实验室管理的相关信息数据不够全面/真实。因此，要想真正突破实验室开放水平和服务质量的瓶颈，必须实现实验管理的信息化[3]。

学校开展的实验项目数量与种类随实验室开放的时间呈上升趋势，很大程度上增加了实验室人数、试剂药品与仪器设备数量。除去正常的研究生实验所需，很多大学生创新项目都需要在学生的课余时间进行，但是当前其运行机制存在一定漏洞和弊端，在网络共享信息化管理方面，实验室建设无法满足其需要。由于大部分学生实验安全素养水平不一，缺乏一定的维护实验设备，安全领取、使用和保管实验材料意识，没有培养相应的安全责任感，给实验室安全问题带来了较大的隐患。同时，很多学生进行实验时没有按照规范进行，在加快实验室设备损坏的同时也导致了人、物的安全風险提高，尤其一些需要用电、气的实验仪器，其安全问题尤为突出、明显[4]。

1.3  缺乏科学、有效的实验室管理制度和系统

局限在实验老师的管理下完成学生培训、教学实验、实验结果分析、学生实验辅导等工作，很容易出现错误或不到位的地方。通过网络技术完善实验室管理系统和体制是智慧实验室管理理念，将实验室日常管理、设备维护、考勤管理等众多业务集成到一个管理系统中，通过统一网络管理平台，即智慧实验室管理系统可实现实验数据信息的在线共享。在管理系统中包含管理员、教师、学生等，能够自动化管理实验室事务，极大地改善了当前实验室管理工作低效的问题，提高智慧化管理水平。

2    智慧实验室管理系统需求分析

2.1  系统目标

系统开发采用MySQL数据库系统搭建数据库，在结构上选择了浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）结构，从技术角度来说是可行的。开发系统采用的软件均为开源软件，投入费用较低，成本不高。同时，所需硬件配置要求不高，硬件成本不高，系统开发完成后可模拟校园实验管理平台，可满足日常管理需求，所以系统开发具有经济可行性[5]。

2.2  系统需求分析

2.2.1  教师主体的需求分析

教师作为本系统的普通用户，享有教师角色相应的权限，负责实验课程和内容的管理和安排，具体管理功能包括教务管理和考评与考勤管理。其中实验室安排、分组、课程管理等属于教务管理，学生实验报告、期末成绩评判和管理、学生日常实验、教师工作情况及出勤率统计信息属于考评与考勤管理功能。

2.2.2  学生主体的需求分析

学生作为本系统的普通用户，其享有学生角色相应的权限，主要有实验项目查看、实验报告提交和成绩查询功能。登录系统之后查看并下载实验项目安排、同时还可查看历史实验成绩，属于实验项目查看功能。实验完成后，将实验报告上传到系统，属于实验报告提交功能;教师对实验报告打分之后，学生可及时查看分数，属于查询功能。

2.2.3  管理员主体的需求分析

在整个系统中最高权限为管理员权限，不仅能查系统所有用户的信息，还可修改、增加、删除用户信息和账号。主要权限包括对用户、教师、学生、班级信息的管理，管理方式有对学生、老师等用户信息如ID、用户名、密码以及学院和出生日期等的增改，同时还可以管理实验室信息，能够在线实时查询到每一个实验室的当前使用状态以及该实验室相应的课程时间安排和实验内容等。

系统还包括管理实验设备、耗材的功能模块。设备管理有对设备基本信息、新增设备、设备故障报修和维护、借用与归还等信息的管理，由相应的实验室设备管理员进行相关信息的修改或增加，详细记录设备相关信息。耗材管理有对耗材基本库存信息、耗材出库与入库等信息的管理，由相应的耗材管理员对既定周期的耗材库存信息进行管理，根据实验需要和安排统计和预算下一周所需的耗材，并对其进行申报，将耗材出入库与购买信息进行更新。

3    智慧管理系統总体设计

智慧实验室管理系统功能模块如图1所示。

系统的数据库搭建需满足系统对数据保存和处理的4个需求，包括数据库的存储量足够大、数据存储的安全性足够高、数据保存的有效性足够完整和数据提取的高效性。本研究中系统开发使用的数据库类型为开源的轻型数据库MySQL，通过该数据库可实现系统数据库的功能和性能需求。

3.1  系统管理模块

系统管理模块以实现系统角色选择、用户管理、参数查看、工作流程管理和相关编号管理等功能为主。其中，目标开发系统总共包括实验室管理员、老师和学生这3类用户角色。借助互联网系统管理员可在线管理不同用户的详细信息，并对日志存储空间和系统备份时间利用系统参数进行在线设置。本管理模块中所需完成的系统工作流程有实验室申请和单据提交流程等，每次向系统提交的单据会自动分类编号，有助于系统进行后续管理。

3.2  基础管理模块设计

基础管理模块以实现系统基础信息的管理等功能为主，包括对不同用户角色如教师和学生相关信息的增删改等。同时，系统安排实验室使用是建立在本学期课程信息的基础上，可从教学信息中自动提取相应实验教师的信息和课程情况，自动安排实验并通知各位老师。系统会自动向教务系统服务器端发送请求，得到学生和教师的相关信息，返回的信息利用SQL语句导入至数据库。实验室人员流动情况的统计可通过智慧实验室的摄像头采集人体信息功能实现，不仅可以实现签到功能，还可以进行预警。

3.3  实验室管理模块设计

实验室管理模块以实现对实验室、实验室设备、工位、负责人信息按学期、院系与实验室管理数据进行管理，实现电源控制、门禁管理管理等功能为主。智慧实验室系统可依据不同时间节点，对没有实验任务的实验室进行自动断电，提高实验室的安全性。同时对有实验安排的实验室提前通电，保障实验任务的有序进行。

3.4  设备管理模块设计

设备管理模块以实现实验设备信息的管理功能为主。系统可利用终端扫描技术对每一项器材的唯一识别码进行感应，当器材远离时，就会发出警告并记录，实现自动管理实验设备和耗材，减少了大量人工成本;同时对于新增的设备也会采用同样的技术自动记录入库。

3.5  考勤与考评管理模块设计

考勤与考评管理模块以实现对学生考勤和综合考评的管理功能为主。系统自动对老师给学生统计的成绩信息进行管理，根据平时成绩、实验报告成绩、期末成绩和考勤状况综合计算总成绩。实验室学生人数的统计可通过智慧实验室的摄像头采集人体信息功能实现，可以实现签到功能，确定每一位学生的考勤状况。同时，系统可根据学生提交的实验报告和实验结果对其进行评分，然后自动同步到学生成绩数据库中进行综合评定。系统对学生成绩的管理可实现自动化统计，无需相关实验老师的人工管理，极大地提高了管理效率，降低了实验室管理成本。

建设智慧实验室不仅包含了硬件设备的投入，还包括相应软件的开发，这项工程的完成需建立在长期、耐心的工作基础上，要求学校不同部门的共同合作。因此，学校应当利用当前已有资源大力建设实验室信息化管理平台，通过加大对实验室管理建设的软硬件以及管理成本的投入，逐步实现智慧实验室建设，完成实验室的信息化管理，保障实验室管理的科学性、高效性。

[参考文献]

[1]刘棣中，陈炳森.高职院校实验室管理模式的改革与创新[J].中国电力教育，2013（28）：178-179.

[2]王江涛.高职院校实验室管理工作的探索与实践[J].实验科学与技术，2011（3）：173-175.

[3]杜娟.高职院校实验室管理模式改革的思考[J].甘肃联合大学学报，2010（11）：111-112.

[4]缪建华.基于物联网技术的高职院校智慧实验室设计[J].开封教育学院学报，2018（12）：145-145，220.

[5]王虹，王军.基于“智慧校园”的高校实验室安全管理平台建设[J].实验技术与管理，2019（2）：55-58.

Abstract：With the development of modern information technology， the traditional methods of education and teaching should be undergoing rapid changes. University laboratories are the important places to improve scientific research level and experimental ability. This paper design on intelligence laboratory model， improving the traditional management model and designing a intelligent laboratory model will effectively enhance laboratory management efficiency and usage efficiency， thus better serving teaching and research.

Key words：laboratory; intelligent; model; design