高校实验室数字化升级改造：驱动科研与教学创新的新引擎

关键词：信息技术；自动化；虚拟仿真；资源共享

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）36-0149-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

在数字化时代，实验室转型势在必行。传统实验室面临着诸多挑战，例如设备老化现象普遍，部分仪器使用年限过长，超过15～20 年的设备占比达到63%，精度下降影响实验结果；数据管理混乱，大量实验数据记录不规范，存储分散，据调查约 42% 的数据难以有效查询和分析；实验效率低下，人工操作环节多，以某化学实验为例，传统操作流程需花费10小时，而数字化改造后可缩短至1～2小时；安全风险高，部分实验涉及危险物品或操作，如某些化学实验中有毒气体泄漏风险，因缺乏有效监控和预警机制，曾发生过安全事故等。因此，实验室数字化升级改造不仅是技术革新，更是提升科研和教学水平的战略举措。

实验室数字化升级改造不仅是技术层面的变革，更是一种战略和运行模式的转变，核心是支撑实验室形成有价值的数字资产，即可信任的数据，并最终赋能价值。

1 实验室数字化升级改造的重要性

1.1 提升科研和教学水平

1） 提高实验效率。统实验室的实验流程烦琐，数据记录和分析主要依靠人工操作，这不仅容易出现错误，还导致效率低下。而数字化实验室的出现，为解决这些问题提供了有效途径。

数字化实验室可以实现实验数据的自动记录、存储和分析。例如，在化学实验室中，数字化技术能够实时采集和记录实验数据，避免了传统方式下数据记录的错误和遗漏。通过数据处理软件，可以对实验数据进行快速、准确的分析和处理，提取出更多有用的信息。在理化生数字化探究实验室中，数据传感器把实验中测量的各种非电信号转换成标准的电信号，并传递给采集器，采集器再将这些电信号转换成数字信号输入到计算机中进行处理。这样的过程大大提高了数据的准确性和一致性，减少了人为错误[1]。

同时，数字化实验平台按实验准备、虚拟实验室、实验反馈三大模块分类设计，方便学生自主实验。以电工电子实验室为例，将电类基础“三电”实验常备的测量仪器集成在实验台中，并将教学场景设计和数字资源平台融合。学生可以远程调取测量仪器的数据以及截图，保证测量数据真实可靠；一体机（电脑） 负责和云端进行信息交互，将“实验过程”数据源源不断地汇至数据中心。这种设计使得学生能够更加自主地进行实验，提高了实验效率。

2） 提升教学质量。字化教学资源与传统教学方式的有机结合，为学生开辟了丰富多样的学习途径，充分满足了不同学生的个性化需求。

一方面，数字化教学资源极大地拓展了教学的时空范围。学生不再受传统课堂时间和地点的限制，可以在任何时间、任何地点以适合自己的方式学习课程。例如，通过在线学习平台，学生可以根据自己的学习进度和节奏，自主选择学习内容和学习时间[2]。

另一方面，数字化教学充分调动了学生的主观能动性，培养了学生的创新能力和实践技能。以化学实验室为例，通过数字化技术，学生可以进行虚拟实验，不仅可以节省实验成本，还可以进行一些危险或难以在真实环境中进行的实验。在虚拟实验室中，学生可以自主探索实验过程，尝试不同的实验方法和参数，培养创新思维和实践能力。同时，数字化实验平台还可以方便学生自主进行实验。学生可以在实验前通过虚拟实验室进行预习，了解实验原理和步骤；在实验中，通过数字化设备自动记录和分析实验数据，提高实验的准确性和效率；在实验后，通过实验反馈模块及时总结经验教训，进一步提高自己的实验技能[3]。

此外，师生可以课程平台交流学习心得，提高学习的积极性和主动性。例如，在南昌大学化学化工学院的课堂上，师生们正利用国家高等教育智慧教育平台的虚拟仿真实验完成教学目标。这种虚拟仿真实验不仅将抽象的理论知识转化为“形象可见”的实验教学内容，有效拓展了实验教学的广度和深度。

3） 提升安全保障，降低办学风险

数字化技术可以对实验室的安全进行实时监控和预警。例如，在生物实验室中，可以通过传感器监测环境温度、湿度、气体浓度等参数，当出现异常情况时及时发出警报。同时，通过数字化管理系统，可以对实验人员的操作进行规范和监控，避免因操作不当导致的安全事故。据某生物实验室统计，在数字化改造后，安全事故发生率大大降低。

1.2 推动科技创新

1） 数字化升级改造为科研人员带来了前所未有的机遇和先进的技术手段与平台。通过数字化平台对实验数据进行高效管理和分析，能够极大地助力科研人员发现潜在规律和新知识，从而推动科学的发展和突破。实验室数字化后，利用数据采集与处理技术，可以实现对实验数据的精准记录和快速分析，提取出更多有价值的信息。通过数据处理软件，科研人员能够对复杂的数据进行深入挖掘，发现其中隐藏的规律和趋势。同时，自动化实验设备的应用，如自动进样器、自动滴定仪等，能够自动完成一些烦琐、重复的操作，提高实验效率，减少人为误差，为科研人员节省更多的时间和精力用于数据分析和思考[4]。

2） 实验室数字化升级改造实现了资源共享和协同创新，促进了不同地区、不同机构科研人员之间的交流与合作。在当今全球化的时代，科学研究不再局限于一个实验室或一个地区，跨区域、跨机构的合作成为推动科学进步的重要力量。数字化技术使得实验数据能够方便地实现共享和交流，不同地区、不同机构的科研人员可以通过网络共享实验数据、研究成果和技术经验，形成全球化科研共同体。例如，德国史太白技术转移中心通过搭建数字化网络平台，促进了全球企业界和学术界的沟通与交流，为科技创新成果的产业化提供了有力支持。该中心不仅通过线上数字化网络平台搭建起全球企业界和学术界沟通的桥梁，促进创新信息的交流，还通过数字化平台提供技术转移人才培养服务，推动区域创新合作、促进产业生态升级。

2 实验室数字化升级改造的方法

2.1 评估规划

实验室数字化转型的第一步是进行全面评估，明确实验室当前的运作状态，涵盖流程、设备、数据管理及信息系统等方面。此阶段建议利用外部专业服务商的资源，以准确梳理业务流、质量流、数据流以及现有IT基础设施。该过程旨在清晰界定数字化转型的需求，包括人员、设施环境、仪器设备、计量溯源系统及外部支持服务等全方位的需求识别。

2.2 技术基础设施建设

基于评估规划的结论，应制定数字化转型的阶段性目标，并选取适宜的技术基础设施，这包括网络、计算设备、数据存储解决方案以及实验室信息管理系统（LIMS） 、数据采集设备和智能硬件等。针对不同特性及需求的实验室，应采取个性化技术基础设施建设计划。

2.3 业务流程再造

此阶段的重点是实验室流程的重新设计，推动业务模式的转型。核心在于实现业务的全面线上化，覆盖从委托登记到报告归档的全过程，并通过算法与机器学习技术，将人工经验转化为可传承的数字知识，达成数据自动计算和报告自动生成的目标，以此提升实验效率和精准度。

2.4 数据管理与分析

运用数字化平台实现对实验数据的高效管理，确保数据的自动记录、安全存储和深入分析，同时保障数据的准确性、一致性和可追溯性。平台应与数据采集系统、数据分析工具及智能设备无缝集成，以确保数据流通的效率和安全性。此外，所有数据应集中存储于数据库中，并以数据可视化技术展示样品、人员、实验流程等关键信息，辅助管理层做出科学决策， 如图1所示。

3 实验室数字化升级改造的关键技术

3.1 引入器材管理系统

该系统通过微信扫码功能，允许学生自助取还板卡，并自动记录使用日志和设备状态，确保板卡安全，便于责任追溯。

3.2 设计与业务紧密整合的智能实验台

例如，在电工电子实验室中，我们将常用的测量仪器（示波器、信号源、台式万用表、直流电源） 以及Easy舱和一体机（电脑） 整合于实验台内，结合教学设计与数字化资源平台。这使学生能够远程获取测量仪器数据及截图，确保数据的准确性和可靠性；同时，一体机（电脑） 负责与云端的信息交流，持续将实验过程数据传输至数据中心。

3.3 建立实验教学全过程管理平台

这个平台集成了实验课程、理论课程和实验室管理，形成一个“学、教、管”一体化的教学管理模式。此举旨在提高教师的教学效率，并逐步推广至双向互动式的理论课教学，支持教师对教学方法的创新探索。

3.4 虚拟现实/增强现实技术

虚拟现实（VR） 技术能够营造出一个仿真的环境， VR技术的应用可以拓展至实验室，通过构建虚拟实验场景，让学生在无实际风险的环境中进行实验操作。另一方面，增强现实（AR） 技术则是将虚拟成分融入现实世界中，让学生在实验过程中，可以通过AR技术获取即时的操作指导，进而提升实验操作的直观性和易学性。 虚拟技术使实验室克服传统实验教学的局限性，不仅降低了经济和安全成本，而且增强了实验的互动性和教育效果[5]。

3.5 大数据分析技术

大数据分析技术依赖于对海量数据的采集、组织和挖掘，应用于实验室场景，该技术能对生成的大量实验数据进行深入分析，揭示隐藏的模式和未来趋势。比如，通过分析来自不同学员的实验数据，教师可以洞察学生的学习行为和难点，以便个性化调整教学方案。此外，大数据分析同样可用于监控实验设备的工作状态，预测潜在的技术问题，并在设备发生故障前采取预防措施，提升了实验数据管理的条理性和预测维护的精度，确保实验流程的平稳进行。

3.6 人工智能技术

工智能技术涵盖机器学习和深度学习等领域。在实验室框架内，机器学习能通过分析大量的历史实验数据来建立预测模型，该模型可用于预估实验结果或对实验数据进行智能分类。深度学习则借助多层神经网络，对复杂的实验数据进行解读，促进了实验管理的智能化，提高了管理效率和决策的准确性，确保实验活动的有效执行。

4 实验室数字化升级改造的实际案例

1） 安徽理工大学新能源与智能网联汽车学院的实验室数字化升级改造项目。项目计划在 2023 年 6 月至 2025年12 月期间，完成实验室前期调研、方案制定、设备采购、教师培训、数据收集等工作，并最终实现实验室数字化转型升级。在前期调研阶段，项目团队将深入了解实验室的现状和需求，包括实验室设备、教学资源、师生需求等方面。通过调研，为后续的方案制定提供依据。在方案制定阶段，项目团队将结合前期调研的结果，制定详细的数字化升级改造方案。方案将包括技术基础设施建设、业务流程再造、数据管理分析等方面。在设备采购阶段，项目团队将根据方案的要求，采购先进的实验设备和数字化工具。在教师培训阶段，项目团队将组织专业的培训课程，帮助教师熟悉新的数字化工具和系统，提高教师的教学水平。在数据收集阶段，项目团队将收集实验数据和教学反馈，为后续的优化改进提供依据。

企业和研究所的实验室数字化改造对高校实验室的数字化改造也有指导和借鉴。

2） 数蚕科技通过为国家电网电科院及旗下分公司实验室提供数字化转型解决方案，实现了实验室的降本增效。该方案包括评估规划、技术基础设施建设、业务流程再造、数据管理分析和持续推进优化等步骤，为实验室的数字化转型提供了可参考的路径。

3） 青岛海尔生物医疗股份有限公司的“云眼”生物安全智慧实验室解决方案。该方案创新迭代出“云眼”生物安全智慧实验室解决方案，通过自主开发的智慧管理软件、智能硬件、整合方案等保障实验室科研人员安全、生物样本安全、环境安全。方案创建了生物安全实验室智慧管理平台，实现生物安全实验室全流程跟踪和管理，并开发了手机 App 及电脑软件，人员可以远程监控实验室的运行状态。

5 结束语

实验室数字化升级改造是当今时代的必然趋势，对于提高实验效率、提升教学质量、推动科技创新具有重要意义。通过评估规划、技术基础设施建设、业务流程再造、数据管理分析和持续推进优化等方法，结合自动取还的实验教学设备和业务深度融合的智慧实验台、实验教学全流程管理平台等关键技术，以及实际案例的借鉴，可以为实验室的数字化转型提供参考。在未来，实验室数字化升级改造将不断深入，为科研和教学提供更加先进的技术手段和平台，促进教育和科技的发展。