智慧实验室管理系统

章 诚 杨 燕

(常州大学 材料学院,江苏 常州 213164)

常州大学材料科学与工程学院拥有实验楼使用面积近万余平方，设有材料成型加工中心、材料分析测试中心等十几个省(市)级实验室，大型仪器设备总值超过7 000万元。

高校实验室是教学和科研的重要基地[1-2]，是高等教育教学资源的重要组成部分。高校实验室旨在培养创新性应用型人才[3]，大工程观和国际工程教育认证的人才培养理念都要求以学生为中心，强调产出导向，提高学生自主学习和创新实践的能力。实验教学在培养学生创新能力方面具有特殊的作用[3]，高校实验室管理水平在一定程度上也体现了高校人才培养的水平和质量。材料学院目前拥有大型仪器设备约100台套，实验设备总值较高。随着年度科研经费不断增长，新设备不断添置，但是实验中心配置人员有限，给管理带来了极大困难。例如：部分实验室在满足正常教学实验任务以外，由于缺乏有效的信息化管理手段，实验项目难以开放，学生难以预约，极大地浪费了实验室资源；同时，部分大型精密仪器在正常的教学和科研以外还有大量时间处于闲置状态，造成了设备资源浪费。因此，通过建立利用互联网和计算机技术的现代化信息管理系统，不仅可以提高学生实践动手能力，还能有效提高设备利用率，实现检验数据网络化共享、无纸化记录与办公、人员量化考核，为实验室的现代化管理提供经验[4-5]。目前,高校实验室信息化管理模式已经成为发展主流，构建智慧实验室管理的人才培养模式顺应了高校改革的发展趋势。

此智慧实验室管理系统旨在运用计算机远程控制技术、视频监控技术、物联网技术及智能卡技术等先进技术，以科学的管理理念为指导，实现教学科研工作使用实验室的全过程计算机管理，以此提升使用效率和为师生服务的水平；强化实验室资源的共享和监督调控，以及以安全为重中之重的理念。

1 系统功能概述

通过实验室综合管理系统平台(模块)，实现管理的规范化、流程化、信息化；通过实验中心网站(模块)，发布相关信息，如安排实验课程预约信息、实验仪器的工况完好率信息、实验仪器设备的共享与使用前培训信息、相关设备的教学成果等动态数据信息，并提供用户登陆后台入口;通过DPS(分布式电源)集中控制管理子系统(模块)，远程控制仪器设备的供电状态，以便实现在特殊情况下的实验室干预，保证设备安全；通过智能数据采集子系统(模块)，实现网上预约、授权及计费等功能，与门禁和电源控制器(弱电控制强电)联动，实现使用者网上预约、多种授权方式开门、对应分配座位并给相应设备供电；通过视频监控管理子系统(模块)，实现直播在线听课，定时采集实验课视频，使学生可以通过互联网在线观看视频资料，并对实验室安全保驾护航,综合管理系统功能模块如图1所示。

图1 综合管理系统功能模块

2 基础性功能

(1) 采用B/S架构，与校园一卡通、教务管理、资产管理等系统实现互通，方便多部门数据调用和汇总；对所有形式的开放均具有相应的流程化管理，系统可按时间段对实验室、仪器设备、实验项目、科研项目等类别设置开放，支持授权管理员使用手机等移动设备远程预约审核，与此同时，也支持预约使用者通过电脑登录系统和邮件方式的申请审核，基本实现无纸化操作；支持送样检测的标准化流程管理，对校内外各类用户的信息、卡号、余额、联系方式等信息进行管理，根据用户的属性定义角色，根据角色定义职责并分配相应操作权限，管理员可对系统中用到的选择性字段进行检索，以便做到快速编辑和维护。

(2) 初始化系统启用学期、节次等信息，按需设置部门、行政班级、选修班级、课程、专业等信息并进行管理，支持数据批量导入。根据下发的教学任务书直接生成教学排课，并可按实验室资源、实验项目状况进行实验分批；强制学生预习的内容(包括文档、视频资料、测试习题)，并对预习状态监测，根据排课及学生刷卡记录自动生成考勤结果，学生和教师可通过网络上传、批改实验报告，查询实验成绩，对成绩进行统计分析等;还能提供实验教学成果、教学课件、精品课程展示窗口。

(3) 建立教师个人资料库，用于信息搜索和工作量查询统计，可设定岗位、制定职责、优化教师权限，实验室管理员可添加工作日志，可根据各项数据对使用情况进行汇总评估；对房间、导师、用户、实验项目等条件查询或统计预约情况，可根据课程、实验内容、教师等条件查询实验教学的各种信息，自动生成符合教育部管理信息标准及数据报送格式的基本报表；提供开放的数据导入导出接口，能与课程设计、实习管理、毕业论文设计等系统实现数据流通，并且系统具备教师评教和学生评教的功能，并提供评教模板和自动汇总，做到可对教学质量进行管理。

(4) 仪器设备在购置计划、论证、采购、调试、验收、领用、维保等关键环节能形成细节化记录和流程化管理，做到每一个链接点清晰可查，有效保证基础教学设备的台套数和完好率，为后期的仪器添置计划提供数据支撑，在数量和功能性上不会重叠，更好、更全面地为教学和科研服务。根据用户需要，提供不同容量的网络存储空间，方便资料上传、下载，为师生提供交互共享的平台和站内短消息方便即时沟通，管理员能对各种信息进行管理。根据不同的仪器设备(用电功率、实验试剂耗材、气体)、使用方式(次数、时间)、用户群体(学生、老师、科研合作单位)等，分别设置合理的收费标准，以便设备的可持续良性运转，并在教学、科研的使用率上合理分配，系统会定期以邮件的方式向教师提供详细测试清单。

(5) 以安全为重中之重，凡涉及易燃易爆物、腐蚀性液体、带压力混合装置、高温加工、化学合成类仪器设备，使用先进的在线视频手段，实现全过程无死角监控，设置语音互动功能，发现问题及时提醒，从源头上杜绝安全隐患，并保存20天录像资料，以便对使用者在实验过程中规范操作的评定作参考和证据，建立完善的奖惩机制，对能够严格按照规程使用仪器、并保持实验室环境优良者，开放更多精密仪器的预约权限，保证软件平台健康运行。综合管理系统基本功能性需求如图2所示。

图2 综合管理系统基础功能性需求

3 拓展性功能

系统提供多种身份认证模式，在网络通畅与断网的状态下，均可通过权限密码、指纹、手机随机产生验证码等方式，保证预约用户在预约的时间段内能出入实验室；可对实验室门设置常开、常闭、刷卡自动开关等状态，并能为管理员设置多种形式的开门权限；智能数据采集终端可定时自动下载预约列表，无需直接连接计算机便可进行与软件系统功能联动，其中包含自动判断学生预习状态数据，对未通过预习的用户实时报警提示。

支持通过网络远程开关电源，无需直接连接计算机便可进行通讯控制，实现脱网后，预约用户也能定时开关设备电源，实时记录设备的使用时间，并获取电源负载状态，可自动获取每路仪器设备当前的电流负载及提供手动切换电源开关模式，预约用户刷卡进入实验室时，系统可自动对仪器设备通电或退出时断电。拓展性功能需求如图3所示。

图3 拓展性功能需求

实现刷卡进门视频记录功能，可全程录制实验过程视频，也可同时实现教学实验的在线听课；支持授权管理员通过远程能查看实验室实时动态；通过设置视频预置采集点和巡航路径，对实验室各方位进行巡视；所有实验课和预约时段的视频都将被保存供学生和教师回顾。

4 结语

智慧实验室管理系统有效实现了实验室管理的规范化、流程化和信息化，科学合理配置实验室资源，全面提高了高校实验室设备的利用率和安全性，提高了实验室的教学质量、管理水平和服务水平。在促进管理手段不断创新的同时，促进了实验教学的科学管理化程度，延长了实验的开放时间，方便学生自主灵活参与实验，充分发挥学生的主观能动性，让学生的独立操作能力得以充分锻炼和提高，大大提高了实验教学的效果，从而促进科研和学科发展。