“雙高計劃”背景下高職實驗室智慧化建設和管理運行機制探索

朱 睿

（深圳信息職業(yè)技術學院交通與環(huán)境學院 ，廣東 深圳 518172）

2019年，國家相關部門相繼出臺了《關于實施中國特色高水平高職學校和專業(yè)建設計劃的意見》《中國特色高水平高職學校和專業(yè)建設計劃項目遴選管理辦法（試行）》等文件，提出“雙高計劃”建設，指出了新時代職業(yè)技術教育高質(zhì)量發(fā)展方向和路徑?！半p高計劃”提出促進物聯(lián)網(wǎng)技術、信息技術和實踐教學融合等要求，因此，高職院校實訓室建設與管理實現(xiàn)信息化、智能化是大勢所趨。

1 建設需求

1.1 “雙高計劃”背景下高職實驗室智慧化建設價值

《教育信息化2.0行動計劃》中指出，要將教育信息化作為教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量。職業(yè)教育除了要堅持產(chǎn)教融合校企“雙元”育人的核心模式，也要立足于工業(yè)4.0時代背景。因此，“雙高計劃”提出加快智慧校園建設，促進信息技術、智能技術教育教學和管理服務全過程的深度融入等信息化建設要求。在這樣的背景下，高職院校實踐教學體系應充分考慮教育信息化和智慧化，創(chuàng)建實驗室管理服務平臺，實時感知實訓資源使用和績效等方面的信息，使學校管理層能夠?qū)嵱柣剡M行有效的管理與決策[1]；此外，作為實驗教學和科研創(chuàng)新的支撐平臺，高校實驗室在創(chuàng)新人才培養(yǎng)和科學研究的過程中扮演了十分重要的角色，其建設和管理水平在一定程度上反映了高校的綜合實力和整體發(fā)展水平。因此，隨著“雙高計劃”建設的不斷推進，實驗室建設資金、人員、設備等投入的力度必定加大，硬件水平也將大大提升，隨之而來的是實驗人員結構和環(huán)境也越來越復雜，實驗室的安全、人員和儀器的管理等方面問題日益凸顯，亟待解決和完善。依托物聯(lián)網(wǎng)技術、圖像識別技術、人工智能技術構建智慧實驗室，實現(xiàn)對實驗的智慧化、安全化管理是解決上述問題的一種策略。

1.2 當前實驗室智慧化建設存在問題

智慧實驗室融合了Zigbee技術、RFID技術、嵌入式技術、軟件開發(fā)技術等物聯(lián)網(wǎng)技術，是開展實踐教學和管理的理想平臺[2]。車轔轔等研究人員通

過互聯(lián)網(wǎng)技術、物聯(lián)網(wǎng)技術建設和完善實驗室信息管理系統(tǒng)，應用于實驗室管理和實踐教學的信息化、網(wǎng)絡化、流程化、數(shù)據(jù)化，提高實驗室資源利用率和管理的便利性，增加實踐教學效果，具有良好的實踐價值和參考意義[3-4]。盡管成績顯著，但實驗室智慧化建設管理也待整合與提升，尤其是實驗室的預約、準入、過程管理等工作不盡完善。一是預約過程僅僅是信息登記，缺乏安全告知、安全教育等環(huán)節(jié)，無法形成有效的事前教育；二是預約過程無法進行人員核查，缺少動態(tài)調(diào)整的事前監(jiān)管機制；三是人員準入認證單一。大部分的實驗室認證，僅僅是通過RFID卡進行刷卡登記，無法準確辨別實驗人員，身份核實方式存在漏洞；四是人員準入管理片面化、靜態(tài)化[5]。當前的安全準入僅僅聚焦人員和設備、耗材等管理，缺乏系統(tǒng)全面的認識。實驗室準入管理還應當包含安全環(huán)境監(jiān)控、安全行為分析等環(huán)節(jié)，實施準入過程的全方位管理。再則，大部分的實驗室準入管理，僅僅是身份的準入識別，只要身份符合即予以通行，忽略實驗人員、實驗儀器、實驗項目等過程性交互因素，缺乏動態(tài)管理機制。

1.3 “雙高計劃”背景下高職智慧實驗室建設目標

圖1 目標和擬解決的問題

實驗室是開展高技能人才培養(yǎng)的教學空間，也是高水平專業(yè)群建設、“雙師”型隊伍建設的平臺，更是深化校企合作、提高服務水平的媒介。實驗室對外開放水平、創(chuàng)新性科研實驗開展質(zhì)量、精密貴重儀器使用績效、實驗教學信息化能力等關系著新時代高職教育專業(yè)建設、實踐教學體系、教學評價、校企聯(lián)動機制等改革成效[6]。因此，“雙高計劃”背景下高職智慧實驗室建設，需要在開放管理、科研項目管理、實驗儀器管理、實驗安全管理以及信息化教學能力上對標改革。

作為“雙高計劃”的建設單位，深圳信息職業(yè)技術學院依照“總體規(guī)劃、分步實施、軟硬結合、靈活搭配”原則，緊密結合各項實驗室管理業(yè)務，以智慧實驗室建立為重點，以穩(wěn)定可靠的智能控制設備為基礎，以實驗室的“人員”“儀器”“環(huán)境”“項目”為抓手，依托物聯(lián)網(wǎng)、云計算、軟件、大數(shù)據(jù)技術建設“全面感知、可靠傳遞、智能處理”的智慧實驗室管理平臺，打造可視化、安全化、智能化的教學科研環(huán)境，實現(xiàn)實驗工作從粗放式向精細、安全、智能、高效、節(jié)能管理轉(zhuǎn)變，完善實踐教學內(nèi)容的數(shù)字化以及實踐教學軟硬件資源的共享化，提升實踐教學質(zhì)量。

2 建設探索

2.1 智慧實驗室平臺建設

圖2 智慧實驗室平臺結構圖

構建感知層（數(shù)據(jù)收集）、網(wǎng)絡層（數(shù)據(jù)傳輸）、應用層（數(shù)據(jù)處理）三個層次的智慧實驗室（如圖2）。感知層由RFID終端、ZigBee傳感器、智能監(jiān)控等硬件設備來獲取實驗室信息。其中RFID終端由電子標簽、讀卡器、門禁器、電子門鎖等組成，ZigBee傳感器由紅外傳感器、煙霧傳感器、窗磁傳感器、溫濕度傳感器、光敏傳感器、可燃氣體傳感器組成，智能監(jiān)控由人臉識別、紅外夜視、儀器識別等監(jiān)控組成；網(wǎng)絡層通過以太網(wǎng)、Internet有線網(wǎng)絡和Wi-Fi、WSN、移動互聯(lián)網(wǎng)等無線網(wǎng)絡的融合，傳遞感知層獲取的信息；應用層有8大應用系統(tǒng)，分別為準入管理、智能監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、儀器管理、教學管理、預約管理和數(shù)據(jù)庫，各系統(tǒng)利用感知層收集的信息以及網(wǎng)絡層傳送的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析和處理，實現(xiàn)教學、科研、社會服務等業(yè)務的信息化管理。

2.2 智慧實驗室管理機制

圖3 智慧實驗室平臺管理流程圖

根據(jù)實驗教學、科研的工作需求，以先進的管理理念為指導，構建了使用計劃、安全教育、準入管理、實驗過程、分析統(tǒng)計5個環(huán)節(jié)的管理流程（如圖3）。每個流程由一定的業(yè)務板塊構成，以“管理系統(tǒng)”為支撐，流水作業(yè)，循序漸進，促進人工管理模式向智慧化管理模式轉(zhuǎn)變。

2.2.1 預約管理工作機制（如圖4）

設計實驗室類型、儀器設備、使用時段和耗材試劑等需求的預約管理系統(tǒng)。建立預約等級制度，采取源頭管控措施，重點關注科研實驗室、貴重儀器、管控試劑等需求，跟蹤流向。建立信用積分考察、安全教育與考核管理環(huán)節(jié)，形成雙控工作機制。建立由校領導、職能處室領導、院長和實驗室負責人組成的四級管理審批制度。記錄、匯集預約信息，建立信息資源庫。

圖4 預約管理工作機制

預約管理工作包括預約信息登記、安全教育、儀器操作規(guī)程認知、信用考察、管理員審批、數(shù)據(jù)采集等6個環(huán)節(jié)。安全教育和信用考察是本平臺建設的特色。在安全教育環(huán)節(jié)，智慧實驗室導入學習任務清單，建立教學資源庫以供在線自主學習，以3D仿真技術為手段、結合視頻案例、實操體驗、翻轉(zhuǎn)課題的形式組織教學過程，最后設置題庫考試和仿真考試進行綜合考核；信用考察則建立信用積分制度，對違反實驗室安全規(guī)定的行為進行積分扣除，建立動態(tài)調(diào)整機制。

2.2.2 準入管理工作機制（如圖5）

構建RFID信息認證、人臉識別認證雙層認證體系，增設精密設備RFID信息認證程序，構建事前監(jiān)管工作機制。記錄準入人員信息，建立數(shù)據(jù)庫，供管理人員查閱、了解實驗室或儀器設備的使用信息，建立事后追查的信息化管理手段。

圖5 準入管理工作機制

在具體的管理中，系統(tǒng)根據(jù)用戶的注冊信息生成RFID準入信息，以刷卡登記的形式完成第一道認證。采集人臉信息，以刷臉登記的形式完成第二道認證程序?；赗FID信息認證和人臉信息認證建立雙認證體系，加強人員準入管理。針對貴重儀器，精密儀器，系統(tǒng)增設RFID刷卡認證，加強儀器使用管理。此外，建立實驗人員電子準入證制度，簽訂安全承諾書，生成準入人員檔案。

2.2.3 過程管理工作機制（如圖6）

過程管理工作包含行為識別、過程記錄、資產(chǎn)監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)控和數(shù)據(jù)匯總分析等5個內(nèi)容。依托ZigBee環(huán)境監(jiān)控技術、智能監(jiān)控技術，全方位監(jiān)測實驗環(huán)節(jié)的人員、儀器、環(huán)境。基于云計算技術，記錄實驗過程信息，建立數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)共享管理；基于AI技術和在線巡課手段，識別、記錄違規(guī)行為，建立黑白名單信用檔案，調(diào)整人員準入名單，形成動態(tài)管理；基于RFID技術，識別儀器設備的信息，對資產(chǎn)進行定位，統(tǒng)計，并通過視頻錄制，監(jiān)管人員使用資產(chǎn)情況，形成資產(chǎn)管理；基于智能傳感器技術，監(jiān)測可燃氣體、有害氣體、水電門窗、溫濕度、光照等狀態(tài)，進行預警、調(diào)節(jié)和處理，實現(xiàn)安全、節(jié)能管理。

圖6 過程管理工作機制

2.3 混合式實驗教學策略

基于智慧實驗室的信息技術手段，研究課前“自主學習”、課中“案例教學+翻轉(zhuǎn)課堂+仿真實驗”學習、課后“實驗報告+考核”，構建線上+線下的混合式學習模式（如圖7）。

圖7 混合制實驗教學策略

首先，基于職業(yè)教育和現(xiàn)代教育技術的融合，依托虛擬仿真技術、VR技術等，將實踐教學中的典型工作任務轉(zhuǎn)換為多媒體、案例教學、仿真場景、題庫等實驗教學資源，并分類成知識學習性、工具練習性、創(chuàng)新性學習等類別，根據(jù)不同的學習性質(zhì)和學習階段分配和推送教學資源。

其次，開展線上+線下的混合式實驗教學，探索人臉識別考勤、智能課堂分析、電子實驗報告等教學管理手段。在課前，通過任務清單導入、交流互動、多媒體資源學習等模塊建立課前線上自主學習模式；在課中，點名由智能監(jiān)控的人臉識別技術完成，智慧實驗室對學生的課前預習、線上學習進行數(shù)據(jù)挖掘和分析，生成評估報告，推送實驗教學案例視頻、仿真學習模塊等學習資料，以供學生自主學習，完成線上教學。針對典型工作任務，教師通過設計仿真場景+真實場景的方式，發(fā)布實驗教學任務，學生通過小組討論制定、執(zhí)行方案，教師最后對學習情況進行總結。在課后，學生完成電子實驗報告，接受仿真或?qū)嵅倏己?，鞏固實驗學習成果。

最后，基于智慧實驗室平臺，學生通過選取方向、擬定題目、組建團隊、開展協(xié)作交流、制定工作方案、教師或企業(yè)導師指導等形式，開展實驗創(chuàng)新活動、技能競賽等第二課堂學習，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提升職業(yè)技能。

3 建設成效和特色

2019年，深圳信息職業(yè)技術學院以二級學院——交通與環(huán)境學院為試點，以成熟的智慧實驗室管理平臺、管理機制的構思為藍圖，以實驗室的責任體系與制度建設、師資隊伍建設、準入制度建設與運行建設、安全教育與管理機制建設、儀器管理等前期實踐成果為素材，整合實驗室安全3D軟件、實驗室安全教育平臺、AI課堂，大型儀器管理共享平臺等技術，開發(fā)智慧實驗室，探索建立實驗室管理工作機制，取得良好的成效。

3.1 實現(xiàn)實驗室智能化管理

以感知層、網(wǎng)絡層、應用層為框架，裝配RFID終端、ZigBee傳感器、智能監(jiān)控等感知設備，設計預約管理系統(tǒng)、準入系統(tǒng)、教學系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)等應用程序，打造系統(tǒng)完備、功能多元、內(nèi)容詳實的智慧實驗室管理平臺。一是建立過程管理模式?；赗FID技術、智能監(jiān)控技術，構建實驗儀器的信息化管理手段，實現(xiàn)對實驗室、儀器設備全過程性電子化管理；二是建立數(shù)字化管理模式?；陬A約管理、儀器管理等手段，建立管理流程化、數(shù)字化的實驗室科研教學項目管理模式，實現(xiàn)實驗儀器管理與維護、實驗教學數(shù)據(jù)挖掘與分析、實驗項目管控與績效的宏觀控制，節(jié)約管理成本。

3.2 實現(xiàn)實驗室安全管理

基于智能傳感器、Zigbee、RFID等技術，全方位武裝實驗室安全管理環(huán)節(jié)，實現(xiàn)動態(tài)化的安全管理，提升實驗室安全管理水平。一是建立人員準入管理。在實驗室預約管理階段對實驗人員進行安全環(huán)境、應急技能、貴重儀器使用等教育與考核，建立人員檔案，賦予信用評價屬性；二是建立實驗耗材出入庫管理。對實驗耗材進行分類別的源頭管理，基于信息平臺建立管控試劑的“五雙”管理流程，提高安全管理效能；三是建立動態(tài)過程管理機制。通過智能監(jiān)控、傳感器等技術，全程監(jiān)測實驗環(huán)境，收集和分析實驗行為數(shù)據(jù)，形成信用評價數(shù)據(jù)庫，對實驗人員進行動態(tài)調(diào)整，形成預警機制；四是建立等級管理體系，實施多級垂直監(jiān)管，基于云計算技術實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)的共享互通。

3.3 實現(xiàn)實驗室開放管理

基于預約管理、智能監(jiān)控等手段，優(yōu)化實驗室資源配置，延長實驗室服務時段，提高實驗室開放水平。一是實現(xiàn)業(yè)務處理流程化。構建“使用計劃”“安全教育”“準入管理”“實驗過程”“分析統(tǒng)計”等管理流程，實驗室管理模塊與具體工作相輔相成，業(yè)務處理可視化、標準化，提供菜單式操作界面，以便實驗人員使用和操作；二是實現(xiàn)人工智能化的開放管控。在非工作時段，建立預約使用、審批授權、身份認證、遠程電源控制、視頻監(jiān)控等人工智能管理，并采集各業(yè)務流程數(shù)據(jù)，以供統(tǒng)計、研究、結算、分析、決策、調(diào)整，提高管理效率，延長開放時段。

3.4 實現(xiàn)信息化實驗教學

基于虛擬仿真、云計算技術，建立實驗資源庫，使實驗不再受時間和地域的限制；研究課前“自主學習”，課中“案例教學+翻轉(zhuǎn)課堂+仿真實驗”學習，課后“實驗報告+考核”，探索線上+線下、翻轉(zhuǎn)課堂、仿真教學、案例教學等混合式教學模式，促進信息技術與實驗教學的深度融合，滿足學生個性化學習的需求，實現(xiàn)“教”與“學”的方式轉(zhuǎn)變；管控實驗資源使用過程和環(huán)節(jié)，有效提升實驗教學質(zhì)量和管理水平。

4 結語

基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、軟件、大數(shù)據(jù)技術，整合資源、創(chuàng)新技術，以實驗管理信息化改革為主線，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力為核心，構建信息化、智能化管理的智慧實驗室，并以智慧實驗室為依托，探索以軟件技術、人工智能技術、物聯(lián)網(wǎng)技術參與管理，以虛擬仿真技術、云計算技術來協(xié)同教學的工作機制，是促進高職院校實驗室開放共享，提高實驗儀器管理能力，提升“雙創(chuàng)”教育和社會服務水平的有力舉措，為“雙高計劃”打造技術技能人才培養(yǎng)高地和創(chuàng)新服務平臺，提升校企合作水平、服務發(fā)展水平、信息化水平等發(fā)展任務提供有力支撐。