物联网技术下的实验室开放建设实践

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摘要：物联网技术在高校实验室的应用日趋成熟，实验室开放建设的需求也更为迫切。信息技术的成熟为实验室开放建设的科学化、规范化提供技术保障。文章从实验室建设和管理中存在的问题、实验室开放建设的条件准备、物联网技术应用于开放实验室的实践案例和成效分析等方面进行阐述。开放实验室的建设为教学改革创造了条件，同时也提升了实验室管理的效能。

关键词：物联网；开放实验室；实验室管理

一、引言

近年来，大数据、物联网、人工智能等新兴技术在高等学校的不断深入应用为学校教育教学带来了深刻变革，数字校园、智慧校园建设取得了突破性进展。长江师范学院实验室建设过程中，以“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念为指导，按照“智慧感知、服务教学、开放共享、科学决策”原则，以物联网技术应用为基础，以实验室管理改革为重点，以实验室开放共享为目的，通过实验室开放管理平台、实验室信息化综合管理系统和智慧门禁系统建设，实现了信息技术对实验室管理的支撑，促进了学校教育教学改革和发展。

二、实验室建设和管理中存在的问题

以长江师范学院为例，学校在实验室建设和运行中发现，当前的实验室管理过程存在如下问题：实验室建设各自为政；实验教学定时、定点、定内容、定辅导教师，个性化程度低；学生自主发展和实践锻炼的实践、空间和资源有限；实验教学质量评价机制不健全，不能有效调动师生的积极性。这些问题严重制约实践教学体系和创新教育体系建设。结合学校信息化工作开展和以上问题的实际，学校在《长江师范学院事业发展“十三五”规划》明确提出“大力实施信息化战略，加快教育现代化进程”，部署了“优化信息化环境”、“推动教学模式创新”、“实现管理信息化”等3项重大工程，着力推进教育资源和教学环境信息化建设、信息技术与教育教学深度融合、治理体系现代化与信息服务能力同步提升。在这样的背景下，打破实验室建设、管理、使用壁垒，打造基于信息化环境的开放实验室，是建设高水平应用型大学的必然要求，也是培养高素质应用型人才，提高学生实践动手能力、科学研究能力和创新能力的客观需要。

三、建设实验室开放管理平台可行性分析

1.体制机制保障为保证实验室开放建设工作的开展，在学校网络安全和信息化领导小组的统一领导下，教务处、资产管理中心、信息化办公室、各二级学校实验中心各司其职，分工协作，明确责任，对项目中提出的各项任务、重大决策与总体部署进行落实。通过开展实验室开放平台建设调研，定期召开建设工作会，探索实验室开放平台建设机制与应用模式，统筹协调实验室开放平台建设实施，开展实验室开放宣传普及与人员培训。

2.实验室开放建设经费保障依托学校智慧校园建设的经费投入，采取自筹、合作、项目申报等形式获取各级财政支持，按照边建边受益、分步实施的原则投入。形成良性的、循序渐进的资金投入机制，实验室开放建设持续稳定。

3.实验室开放平台政策保障建立校级领导研究实验室开放共享管理工作机制，确保实验室开放建设的规范运行。编制《长江师范学院实验室共享管理平台项目实施方案》，出台《长江师范学院贵重仪器设备管理办法》《长江师范学院仪器设备管理使用规程》《长江师范学院信息化数据管理办法》《长江师范学院信息化项目管理办法》等规章制度。为提高实验室开放建设使用成效，教务处、信息化办公室、各二级学院对教师、学生、试验室管理人员开展培训。

四、实验室开放平台架构

1.实验室开放平台架构基于物联网技术的实验室开放平台搭建，需对实验室人员、仪器设备、环境设施等有效感知识别，将视频监控、图像识别、人脸识别、门禁系统、传感器采集、电源控制、无线网络传输、RFID射频技术、实验管理等技术融合应用，实现考勤签到、环境监测、视频监控和远程控制于一体的实验室开放平台。实验室开放平台架构主要由实验室监控系统、实验室门禁系统、实验设备在线预约系统、实验设备综合管理系统、实验课程综合管理与分析系统等组成，如图1所示。（1）实验室监控系统实验室监控系统由视频摄像头、红外传感器、GIS定位等组成，负责采集实验室场地视频数据，实时对实验室监控、录像、视频动态感知、网络联动、存储、备份、画面分组等。是实验室安全监控、采集、存储重要保障，实现实验室安全预警。（2）实验室门禁系统实验室门禁系统充分融合学校统一身份认证，拓展校园卡（码）功能，运用IC卡射频、人脸识别、指纹密码、智能门禁终端、门禁控制器等，实现实验室人员进出权限控制的有效管理。门禁系统与监控系统有效结合实现实时对实验设备电源开启关闭和实验室视频监视，验证并保存记录实验室人员进出情况、实验室内部设备操作过程。（3）实验设备在线预约系统实验设备在线预约系统实现无人值守实验设备在线预约和管理。包括用户管理、权限管理、仪器管理和各类数据的统计分析，对实验室的仪器进行授权使用，对实际运行数据进行采集、监控和分析；管理者可通过统一身份验证进行成员管理、在线预约管理、授权管理、送样审批管理等管理工作。（4）实验设备综合管理系统实验设备综合管理系统实现实验仪器相关基础信息维护、授权维护、授权时段、预约规则定义、收费管理和成果与绩效的管理等。包括仪器管理、仪器计费管理、成果管理和绩效考核。（5）实验课程综合管理与分析系统实验课程综合管理与分析系统实现对实验仪器设备使用人员的基本使用规范的控制，监控实验过程，查询仪器存放位置，保证仪器设备使用安全。包括用户授权与经费、培训、预约等多方面进行关联，系统管理员实现对贵重仪器的实时监控，整合仪器信息与仪器分布地理信息，通过GIS地理监控程序在网页浏览器上对仪器所在楼宇的地理信息进行直观展现，项目成果与仪器的使用同步关联，实时汇总绩效考核信息与结果，自动生成仪器使用情况表等功能。

2.实验室开放平台关键技术方法（1）仪器设备管理控制开放实验室核心端是仪器设备管理控制，按照预约的规则开启和关闭，显示设备信息、使用状态、监控等。采用ZigBee协议无线传输，控制电源、读卡器等，实现刷卡对多台仪器或同一仪器多个组件进行同时控制。通过物联网路由器接入到校园网中，实现与管理平台软件的数据联通。考虑某些大型实验设备是强电压，仪器设备管理控制端，控制电流不低于30A，电压不低于380V。在网络出现脱机情况下，控制器仍能够根据存储信息进行访问控制。（2）ZigBeeZigBee无线通信技术是基于蜜蜂相互间联系的方式实现开放实验室控制平台、网络传输、传感器控制等通过互联网通信与服务器、计算机（或终端）相连接。ZigBee无线通信技术是基于IEEE802.15.4无线标准，具有传输数据流量小、组网安全和GPS功能等特点。作为开放实验室的无线通信技术选择，ZigBee可实现对传感节点网络的组建和实验设备的定位。（3）数据共享开放实验室平台建设与学校其他应用系统对接、共享是智慧校园（数字校园）建设中最重要的技术和管理问题，需要与校内人员信息、课程平台、统一资源库、校内视频监控系统、一卡通系统、财务系统等对接，实现统一身份识别、监控统一管理、报账结算和资源集中管理。数据共享要解决几个关键问题，即数据标准的规范、中心数据库设计、数据同步和对异常数据的处理。

五、实验室开放平台运行效果

1.改变实验室管理模式通过实验室开放管理平台的建设，把原来各二级学院分散的管理转变成学校集中统一的管理，实现实验项目开设中除专业培养方案、课程教学大纲中要求的集中实验项目外，教师、学生可自主申请开设和验证实验教学大纲外的实验项目，拓展了学生的学习资源和空间，有效调动了师生进入实验室的积极性，推进了实践教学体系和创新教育体系建设。

2.数据分析支撑实验室管理实验室开放平台可监控实验室实验过程，查询仪器存放位置，保证仪器设备使用安全，如图2所示。通过GIS地理监控程序在网页浏览器上对仪器所在楼宇的地理信息进行直观展现，如图3所示。项目成果与仪器的使用同步关联，实时汇总绩效考核信息与结果，自动生成仪器使用情况表。

3.实验室开放平台建设促进学校信息化发展（1）部门联动机制建立部门联动机制的建立推进了高校治理体系和治理能力水平现代化。按照“总体规划、明确责任、统一管理、分步实施”优化智慧校园建设体制机制，采取“责任分工、技术跟进、资源配合”原则开展实验室开放推广工作，明确各相关单位的职责和分工，积极培养技术团队，保障实验教学顺利执行和实验室开放平台运行稳定，根据系统推广需要，配置管理人员、经费、物资及政策等资源。（2）基础数据共享机制建立以学校智慧校园平台为基础，按照教育部、省（市）级智慧校园建设要求规范管理设备编码、人员、实验项目、场地条件等数据，为智能化实验开放提供基础数据。智慧校园基础平台提供标准接口文档，为不同的实验室管理系统、平台实现统一管理提供跨平台应用环境，实现实验室各类数据共享，推进学校信息化良性发展。实验资源建设、管理及实验教学体系从封闭走向开放，从分割走向共享，从统一要求走向自主创新，从仪器设备主导实验项目走向需求主导实验体系建设。（3）运用物联网技术进行数据采集的长效机制建立一是充分利用系统管理功能，严把实验项目、场地审核关。二是加强师生信息化能力培训，提高数据采集质量。三是对实验项目数据做分析，提升数据应用效果。通过物联网技术、大数据分析和业务再造，实现实验仪器管理、预约管理、自主实验管理、事件管理和统计报表的自动化和智能化，促进实验室开放和共享以及校内外实验资源共享，提高仪器设备的利用率。

六、结束语

实验室开放是学校教学、科研及学科建设的重要保障条件，在实验室教学和科学研究中起着极为重要的作用。高校需利用好物联网、大数据、人工智能等新兴技术提升学校实验室管理水平，充分发挥信息技术在教学、科研和社会服务方面作用。实验室仪器设备对外开放共享要从管理制度、管理机制、开放宣传和开放管理等方面着力提升，提高实验室仪器设备的有效使用率，促进学校教育信息化不断向前发展。

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作者：谭海军 单位：长江师范学院