基于物聯(lián)、互聯(lián)技術融合的智慧實驗室建設研究

黃超

摘要：現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)開始廣泛應用，逐步融入生活中的多個場景，特別是在智慧城市、智慧物流、智能家居等方面。探討將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于高校實驗室管理，融合物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動端、大數(shù)據(jù)分析等技術，實現(xiàn)實驗室的智能化、可視化管理與監(jiān)控，建設線上實驗教學、實驗室設備智能管理、環(huán)境安全的實驗室，有效提升實驗室的管理和教學。

關鍵詞：物聯(lián);互聯(lián);智慧實驗室

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）13-0215-02

Abstract：Now， the Internet of things technology has been widely used and gradually integrated into many scenes of life， especially in smart city， smart logistics， smart home and so on. This paper discusses the application of Internet of things technology in laboratory management of colleges and universities， integrating Internet of things， Internet， mobile terminal， big data analysis and other technologies to realize intelligent and visual management and monitoring of laboratory， build online experimental teaching， intelligent management of laboratory equipment and environmental safety laboratory， and effectively improve the management and teaching of laboratory.

Key words： IOT; internet; intelligent laboratory

隨著我國創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略的實施，高等教育事業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，根據(jù)教育部《關于加快高 校建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》（教高[2018]2 號）和《教育信息化 2.0 行動計劃》（教技[2018]6 號）文件精神，智慧實驗室的建設提上日程，在智慧教室發(fā)展之后也將會得到大力推進。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，高校實驗室設備的固定資產(chǎn)管理、虛擬仿真實驗、實驗室開放、在線教學平臺、教學資源庫等環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)了信息化，高校實驗室管理的信息化應用有了較大提高。但在智慧實驗室建設方面仍處于探索階段， 一方面，實驗室信息化中，教學現(xiàn)場的互動、體驗與過程記錄的能力存在不足，只注重單一方面的建設，不能以提高教學質量為目標形成體系化的建設，也沒有形成成熟的應用模式。另一方面，在實驗室的管理上，實驗設備的遠程管理，預約共享，安全監(jiān)測預警等方面不完善，由于沒有使用數(shù)據(jù)作為科學決策依據(jù)，存在實驗資源重復購置、利用率低、開放共享差等問題[1]。

智慧教學實驗室是數(shù)字校園發(fā)展中重要的一部分，是數(shù)字化校園發(fā)展到一定階段所必須面對和解決的問題，智慧教學實驗室是在綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等新技術，不斷改善和提升高校教學信息化建設水平，提供給師生網(wǎng)絡化、數(shù)字化、個性化的教育教學環(huán)境，推動新技術在教育教學中的深度廣泛應用，實現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)融通、業(yè)務協(xié)同、智能服務，促進信息技術與高校教學、科研上的融合創(chuàng)新。

1智慧實驗室研究現(xiàn)狀分析

智慧實驗室為實驗教學全方位的提升提供了各方面的保障。有以往的實驗條件下，實驗室只提供給教師和學生教學的空間，教學過程和實驗室的管理與實驗室本身沒有深度的融合。目前，高校的實驗室的信息化還存在一些需要解決的問題[2]。

1）信息系統(tǒng)未實現(xiàn)一體化。教學實驗室信息化系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的設計，只有功能單一、不成體系的一些小系統(tǒng)。沒有完善的實驗智能管理系統(tǒng)，不支持系統(tǒng)的考評、實驗過程記錄、實驗開放等工作。

互聯(lián)技術規(guī)范無統(tǒng)一的會話通道協(xié)議、流媒體通道協(xié)議、互聯(lián)信息數(shù)據(jù)轉換、網(wǎng)絡傳輸協(xié)議轉換、設備地址轉換、媒體傳輸協(xié)議及數(shù)據(jù)編碼格式的轉換。

2）設備管理未實現(xiàn)信息化。教學儀器設備主要靠人工管理，雖然有固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)，但多停留在賬面的管理，不能獲取和及時更新設備的使用情況，存放的真實位置和變動也沒辦法掌握，更談不上對其進行遠程的控制，對使用情況及時并真實地進行記錄，設備的維護保養(yǎng)也難以有計劃并合理地開展，更難實現(xiàn)對其開放共享。

3）安全管理未能實現(xiàn)智能化。實驗室安全管理沒有形成全方位的監(jiān)測管理體系，對一些潛在的危險并不能及時發(fā)現(xiàn)，只能靠管理人員人工巡查，但由于實驗教學和科研的發(fā)展，管理人員所需承擔的任務越來越多，加上開放實驗室的增加，監(jiān)控管理風險越來越高。

4）實驗設備未能實現(xiàn)共享。由于沒有信息化的實驗室共享平臺，使用人沒有渠道去別的院系、實驗室使用設備，不同使用單位出于自己使用的需要，只能去重新購置新的設備，造成大量的重復購置。

物聯(lián)網(wǎng)等技術給實驗室的發(fā)展帶來美好的前景，但同時也面臨諸多問題，怎么樣才能更有效推動智慧實驗室的建設，更有利于實驗室的管理，讓技術更好地為教學科研服務，所要解決的不僅是技術問題，還需要技術應用的落實和創(chuàng)新，創(chuàng)造性地探索出行之有效的應用模式[2]。

2智慧實驗室系統(tǒng)建設方案

智慧實驗室整體的系統(tǒng)建設中應包含有智能實驗管理系統(tǒng)、實驗過程記錄系統(tǒng)及終端、智能儀器管理終端系統(tǒng)、分布式移動儲存服務系統(tǒng)、實驗室環(huán)境檢測系統(tǒng)、互聯(lián)互通中間件系統(tǒng)等部分。具體如下：

1）智能實驗管理系統(tǒng)應支持下發(fā)實驗報告模板、獲取實驗過程記錄數(shù)據(jù);支持教師對實驗原始數(shù)據(jù)報告進行線上批改與查閱;支持統(tǒng)一下發(fā)實驗批次和學生自主選擇時間進行實驗;支持實驗室開放管理;支持課程總成績，分項目成績數(shù)據(jù)統(tǒng)計、實驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)智能審核、課前預習、課后報告與習題測試智能統(tǒng)計及處理[3]。

2）實驗過程記錄系統(tǒng)及終端支持學生在線簽到認證（與教務系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接）、實驗考核模板網(wǎng)聯(lián)推送、實驗過程數(shù)據(jù)記錄（圖像、儀器接口數(shù)據(jù)等）、實驗內(nèi)容輸入、實驗審核結果在線反饋、實驗報告上傳、審核報告下載。

3）智能儀器管理終端系統(tǒng)應滿足直流低壓設備及大功率儀器設備檢測與控制;支持網(wǎng)絡接入認證和使用人進行離線認證;支持一對多輸出電源控制管理;支持主流 RFID 讀卡功能。

4）分布式移動儲存服務系統(tǒng)支持以教室為單位進行數(shù)據(jù)高效存取與處理。支持全網(wǎng)時鐘同步和主從雙向、從從雙向、混合雙向數(shù)據(jù)同步;支持網(wǎng)聯(lián)、計算、電源管理一體化。

5）實驗室環(huán)境檢測系統(tǒng)包括實驗室環(huán)境監(jiān)測終端、門禁及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等部分。支持濕度、溫度監(jiān)測、有毒氣體、可燃氣體檢測、煙霧報警、光電煙感應報警;支持受控儀器非法帶出實驗室在線報警; 支持環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)在線接入智能實驗管理系統(tǒng)。

6）智慧實驗室互聯(lián)互通中間件系統(tǒng)。支持與全校乃至全區(qū)本科高校智慧教學系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接，支持在線開放實驗課程選修，學分互認與轉換等。

3 智慧實驗室建設的目標與效果

智慧實驗室是在互聯(lián)網(wǎng)+的基礎上利用物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能技術、圖像識別技術等技術對實驗室進行全面的管理。用戶之間，實驗室之間，用戶與實驗室之間的互通均由智慧實驗室系統(tǒng)完成，使教師、學生和管理人員能實現(xiàn)各自的需求，在一個智能的實驗室環(huán)境中完成教學、科研、管理、創(chuàng)新等工作，形成一個綜合性的智能平臺[4-6]。

1）在教學現(xiàn)場的互動、體驗與過程記錄方面

改變以往單一的功能，形成課前、課中、課后完整的實驗教學體系。課前有觀看教學視頻、平臺交流、課前練習等，課中有課堂互動、實驗考核、實驗原始數(shù)據(jù)記錄。課后在線學習、有實驗室開放管理、支持課程總成績，分項目成績數(shù)據(jù)統(tǒng)計、支持教師對實驗原始數(shù)據(jù)報告進行線上批改與查閱。

通過實驗室智慧化建設，提高教學現(xiàn)場的互動性，改善體驗感，加強實驗數(shù)據(jù)的記錄能力，進而提高教學質量。

2）在實驗儀器管理方面

①能實現(xiàn)對實驗室儀器設備的動態(tài)管理，實時掌握儀器設備的在線狀態(tài)（是否開關機、電流、電壓、使用時間、使用人等）。能掌握儀器設備的使用率，通過預約系統(tǒng)加強共享共用，系統(tǒng)還能對儀器設備精準定位，還具有位移報警等功能，能確保實驗室資產(chǎn)的安全完整。

②能實現(xiàn)對實驗室儀器設備進行遠程的查看和控制。

③能實現(xiàn)對實驗室儀器設備維修保養(yǎng)管理，能記錄維修記錄、保養(yǎng)記錄、計量較正、維修單位人員信息，并能線上維保和在線咨詢。

3）在實驗室安全方面

實驗室安全是實驗室管理的重要內(nèi)容，智慧實驗室通過對實驗室環(huán)境的有效監(jiān)測和預警，有效提高教學實驗室的安全建設。環(huán)境監(jiān)測通過安裝在實驗室內(nèi)的溫濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器等各種傳感器對實驗室內(nèi)的不同環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，智慧視頻監(jiān)控報警系統(tǒng)為實驗室的安全提供保障，當有非法入侵或者發(fā)生緊急故障時，系統(tǒng)會報警，并可遠程查看現(xiàn)場情況。還可通過遠程可控設備第一時間進行管理，盡快解決問題，保障實驗室安全[6]。

4）在實驗室實現(xiàn)績效評價方面

通過實驗室儀器設備的使用監(jiān)測數(shù)據(jù)，為管理者提供全局性的資料管理信息展示，為采購決策及效能評估提供數(shù)據(jù)支撐。通過智慧技術的應用，實現(xiàn)對實驗室進行使用效率等績效方面的評價，解決目前存在的重復購置問題，共享共用問題[7]。

4結束語

物聯(lián)網(wǎng)技術正在不斷的發(fā)展，應用的深度和廣度也在進一步拓展，成熟度也會得到提高，這肯定是一個長期的過程，但智慧實驗室是將來實驗室發(fā)展的必然趨勢。本文探討在實驗現(xiàn)場教學、實驗室開放、實驗室環(huán)境監(jiān)測、實驗室安全、遠程控制、儀器維護、績效評價等方面實現(xiàn)一體化建設，促進智慧實驗室的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 劉昌鑫，陳慧娟，歐陽春娟，等.物聯(lián)網(wǎng)技術支持下的高校智慧實驗室構建探析[J].中國教育信息化，2016（7）：54-56.

[2] 周春月，閆子淇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實驗室架構研究[J].實驗室研究與探索，2014，33（5）：239-243.

[3] 張凱，宋慧寧，楊再明.高校智慧實驗室的構建路徑研究[J].數(shù)字教育，2019，5（6）：30-35.

[4] 徐守萍，溫聰源，范劍文.基于物聯(lián)、互聯(lián)的智慧化經(jīng)管類實驗室建設[J].電腦迷，2016（4）：165.

[5] 陳麗萍，陳惠濱.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室架構設計與實現(xiàn)[J].韶關學院學報，2017，38（9）：27-30.

[6] 林魯春，邵根富，姜周曙，等.智慧實驗室系統(tǒng)的研究與構建[J].實驗科學與技術，2020，18（1）：151-154.

[7] 劉昌鑫，陳慧娟，歐陽春娟，等.物聯(lián)網(wǎng)技術支持下的高校智慧實驗室構建探析[J].中國教育信息化，2016（7）：54-56.

【通聯(lián)編輯：梁書】