人工智能背景下高校智慧實驗室系統(tǒng)的構(gòu)建與研究

梁莉娟

(武昌工學院 信息工程學院，湖北 武漢 430065)

近年來，移動互聯(lián)網(wǎng)、深度學習、人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能類的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋了我們的日常生活和工作的方方面面，使我們的學習、生活、工作都得到了很大的改變。筆者將其與高校實驗室管理系統(tǒng)相結(jié)合，從實驗條件的軟硬件各方面對實驗室進行改善，將最新的技術(shù)應(yīng)用到高技術(shù)人才中去，同時也開闊學生視野，增加學校的整體競爭優(yōu)勢。因此，將人工智能技術(shù)與實驗室管理結(jié)合一起具有一定的研究意義。

高校是人才培養(yǎng)的重要地方，實驗室又是高校人才培養(yǎng)重要場所，特別是對于現(xiàn)在國家大力發(fā)展應(yīng)用型高校，實驗室建設(shè)就更為重要，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)高速發(fā)展的今天，各種智慧平臺如雨后春筍般的出現(xiàn)，智慧工廠、智慧社區(qū)、智慧城市、智慧學校層出不窮。高校的智慧化發(fā)展也是必然的。智慧實驗室管理平臺能夠全過程地對實驗室的各項進行相應(yīng)的全過程管控，對實驗室的相關(guān)物資從采購、入庫管理、領(lǐng)用管理、廢舊處理等報廢管理，實驗室安全的監(jiān)管和防護等功能，利用實驗管理平臺能夠使實驗室的各項資源得到更好的應(yīng)用和優(yōu)化，能夠幫助學生和老師提供更好、更方便的實驗環(huán)境。

1 高校實驗室運行現(xiàn)狀

現(xiàn)在，很多學校非常注重應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，因此也十分重視實驗室的建設(shè)項目，同時對高校實驗室也會加大儀器設(shè)備的投入，實驗室在應(yīng)用型大學中已然成為比較重要的組成部分，但目前高校的實驗室相關(guān)管理制度，日常管理，儀器設(shè)備的維護、使用，耗材的使用及其管理等都還是運用原來的比較老的傳統(tǒng)管理模式，在實驗室的日常管理中，設(shè)備的維修登記、使用登記情況、實驗室的安全管理情況都還是需要在學生和老師的幫助下共同完成。由于管理不夠規(guī)范，會出現(xiàn)一些安全隱患，從而造成事故的發(fā)生，例如門窗、水電、儀器設(shè)備等出現(xiàn)故障沒有得到快速的維護，衛(wèi)生等沒有得到改善。

1.1 實驗室的開放模式

實驗室還是沿用原來的固定課程固定時間的開放模式。儀器設(shè)備及其平臺都需要在規(guī)定的課程時間內(nèi)進行開放。隨著應(yīng)用型人才的建設(shè)需要，創(chuàng)新型人才越來越受到社會的青睞，創(chuàng)新型教學模式同時也在不斷地推陳出新，例如創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)小組、研究性學習、各種學科競賽促使實踐教學的內(nèi)容和形式更加的多樣化和靈活化。同時實驗室的開放也應(yīng)該隨著教學方式的變化而變化，摒棄原始的固定時間，形成契合現(xiàn)階段的教學特點的開放模式，同時也提高了實驗室的利用率、儀器設(shè)備的利用率。

1.2 實驗過程的管理和監(jiān)督評價體系不夠完善

傳統(tǒng)的實驗室管理方式，不能及時地將實驗教學管理情況反映出來，需要教學管理部門人工檢查教學情況，了解實驗室的教學情況和師生的出勤情況。對于設(shè)備的管理，部門也需要單獨地通過詢問老師和學生去了解實驗設(shè)備的情況，不能達到實時的監(jiān)控作用，很難達到同步同時第一時間將現(xiàn)狀立即反應(yīng)，時效性不高，缺乏智能管理，很難做到實時跟進。

1.3 安全管理存在漏洞

現(xiàn)在很多高校都有實驗室管理系統(tǒng)，但是其個性化特性不高，沒有根據(jù)高校各自的特點來進行設(shè)計，與此同時實驗管理者人數(shù)有限，需要一個人同時管理很多間實驗室，且實驗室有時候會分布在不同的位置，管理起來無法對實驗室進行全天全時段的監(jiān)管，這樣很容易造成安全隱患，往往由于監(jiān)管不及時會造成嚴重的損失，因此需要借助特性化的實時管理系統(tǒng)對實驗室進行管理。應(yīng)該根據(jù)實驗室的不同特點對其進行針對性的管理，有些基礎(chǔ)實驗室由于使用的人數(shù)較多且設(shè)備使用頻率較高，經(jīng)常會出現(xiàn)安全事故，由于管理人員的疏忽等原因也會造成安全隱患。

現(xiàn)在高校智慧實驗室的建設(shè)發(fā)展過程相對較慢，主要是由于：①高校的每個學院和每個系部基本上都建立有自己的實驗室和計算機機房，但是實驗設(shè)備相對比較多，管理人員卻很少，很多實驗室是由專業(yè)老師作為管理人員；②管理部門較多，管理繁雜；③實驗室的管理方式薄弱，存在一些安全故障的漏洞，有的實驗室甚至不能夠直接管控其整個開放的過程；④由于實驗室有限，導致實驗教學排課的緊湊和繁雜，實驗無法統(tǒng)一管理和安排；⑤實驗室的管理工作量由于課程繁瑣導致核算總量困難。綜上，需要建立完善的智慧實驗管理平臺，對學校的所有實驗室進行綜合統(tǒng)一管理，才能使得很多問題得到解決。

2 人工智能背景下的智慧實驗室構(gòu)建思路分析

根據(jù)高校實驗室現(xiàn)狀和現(xiàn)存問題，應(yīng)用人工智能技術(shù)對實驗室進行智慧實驗室的建設(shè)，在建設(shè)中將計算機、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能終端應(yīng)用于軟硬件中，建立其智慧實驗室管理平臺。

為了提升實驗室的靈活性，在智慧型實驗管理架構(gòu)的過程中，根據(jù)實驗室面對不同專業(yè)的實驗需求不同，引進設(shè)備，進行實驗項目的修訂設(shè)計，課程安排，將其與教學管理系統(tǒng)、實驗設(shè)備管理系統(tǒng)、實驗資源庫相連構(gòu)建智慧實驗室的管理系統(tǒng)框架，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，統(tǒng)計實驗室的各種耗材管理使用情況、教學管理考勤情況、實驗室的利用率情況，并對其數(shù)據(jù)進行管理和分析，進而對實驗室進行靈活的管理。智慧型實驗室構(gòu)建方案設(shè)計的具體方案如下。

2.1 智慧型實驗室管理控制系統(tǒng)

現(xiàn)階段高校實驗室不斷地朝信息智能化發(fā)展，在原始老式門禁的基礎(chǔ)上增加讀卡器門禁系統(tǒng)，其中包含感應(yīng)卡、門禁控制器、電腦管理軟件、讀卡器、開關(guān)門按鍵、安防控制聯(lián)動系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、電腦管理軟件等。實驗室的使用人員經(jīng)過實驗室總管授權(quán)就可以在其制定的需求時間通過一卡通進出實驗室，系統(tǒng)管理軟件對進出人員的出入時間和人員名單進行記錄，形成實驗室管理大數(shù)據(jù)。在人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展中，門禁系統(tǒng)不斷地完善，將人臉信息和其身份信息相結(jié)合，使用者可以在沒有攜帶一卡通的情況下，刷臉進出實驗室，這樣可以減少因為實體卡的客觀性帶來的不便，身份識別系統(tǒng)還可以控制實驗操作平臺的電源，在其預約的時間范圍內(nèi)正常工作，超出時間電源自動斷電，同時能夠?qū)崟r地記載其使用狀態(tài)和使用時間。實驗室門禁系統(tǒng)的智能控制性，不僅擺脫了傳統(tǒng)的機械門鎖繁瑣的開關(guān)門的工作，還可以減少實驗室管理人員的用工成本，還使得管理質(zhì)量得到了提高，保障了實驗室的安全。語音提示器、管理服務(wù)器、通信模塊和攝像頭等構(gòu)成的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控實驗室的總體情況，能夠遠程監(jiān)督實驗教學情況，把控實驗教學質(zhì)量，也可以遠程提醒和指導實驗操作人員。教學督導部門也可以在監(jiān)控中心根據(jù)教師賬號查閱其授課情況，同時也可以了解任意一間實驗室的開放情況、整體運行情況、師生的出勤率，同時還可以指定查閱具體某位學生的具體操作流程，也能夠監(jiān)督實驗課過程中老師是如何指導學生，監(jiān)督整個教學過程，為學校質(zhì)量監(jiān)管部門提供有力的支撐。

2.2 高校實驗室智能管理軟件系統(tǒng)

智慧實驗室智能管理系統(tǒng)包含有實驗室數(shù)據(jù)采集信息、實驗室管理軟件平臺、實驗室管理系統(tǒng)。建立實驗室的資源管理平臺系統(tǒng)能夠提高實驗室資源管理的整體效率，管理平臺中包括資源管理模塊和用戶管理模塊，資源管理模塊能夠?qū)嶒炇业膬x器設(shè)備進行分類管理，也可以對實驗室的低值易耗進行存儲消耗管理，同時也可以對實驗項目、教學實驗內(nèi)容、實驗隊伍進行管理。

同時為了提高儀器設(shè)備的使用率和平臺的使用率，開通了網(wǎng)上預約系統(tǒng)。網(wǎng)上預約系統(tǒng)隸屬于數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)。網(wǎng)上預約系統(tǒng)能夠登記使用者的個人信息、使用具體時間、使用日期等信息，同時提供每臺儀器的使用說明方法、操作流程等，通過管理員審批的使用者可在約定時間進出實驗室并操作實驗臺。

2.3 實驗中心資源共享平臺

實驗中心資源共享平臺的建設(shè)，能夠充分利用實驗教學的優(yōu)質(zhì)資源，能夠讓專業(yè)和學科不同的老師相互學習、共同交流，不同專業(yè)的學生也能夠在不同專業(yè)的實驗室進行學習，完全的摒棄了專業(yè)限制，同時也提高了學生的實驗技能。教學方法、管理制度、師資隊伍、實驗儀器相關(guān)實驗資料都作為共享資源的一部分。

3 智慧實驗室功能特性

3.1 智慧實驗室的教研平臺

眾所周知，實驗室是學生動手能力培養(yǎng)的搖籃，是實驗教學和實踐教學的主場地，智慧實驗室能夠進行線上教學和線下實驗的前期預習準備工作，也具有課程管理功能，能夠進行場所預約、選課、成績統(tǒng)計分析等功能，能夠為課程提供有力的數(shù)據(jù)支撐，能夠記載學生的實驗課程的學習情況，老師的教學進度。

線上和線下兩部分模塊構(gòu)成了智慧實驗教學平臺。線上教學部分的主要功能是網(wǎng)絡(luò)測試和線上教學平臺。設(shè)備學習、制度學習、安全知識培訓、課程學習構(gòu)成了線上教學平臺，其中課程的學習是包括實驗步驟錄像、實驗的指導、創(chuàng)新知識、實驗知識講解等內(nèi)容，能夠讓學生在整個學習過程中做到提前預習、課后復習。網(wǎng)絡(luò)測試也是檢查學生是否做好了課程的預習工作，測試合格的學生門禁系統(tǒng)才可以同意其使用實驗室，門禁系統(tǒng)也將記錄學生參加實驗課程的情況，例如進出時間，參加實驗的時長等等。

線下教學則是常規(guī)線下實驗課程，學生在老師的指導下完成實驗項目，老師可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺對學生成績進行記錄，同時也可以對實驗過程進行錄像或者回訪記錄，實驗課程結(jié)束后學生也可以在網(wǎng)上提交實驗報告。

3.2 智慧實驗室的科研平臺

智慧實驗室的科研平臺系統(tǒng)，不僅能夠承擔學生的實驗教學任務(wù)，還可以從事很多科研工作，大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目實驗、各種競賽項目實驗、畢業(yè)設(shè)計相關(guān)實驗工作。

進行這些科研項目的前提是學生需要提前在預約平臺系統(tǒng)中進行預約，并且在使用實驗設(shè)備之前在平臺系統(tǒng)中進行學習。在進行科研活動中，不可避免的是交流，大家也可以通過系統(tǒng)平臺進行師生交流和項目組成員交流，共同解決在項目過程中遇到的問題及看法，并把解決方案分享給其他的平臺應(yīng)用者和開發(fā)者，及時地對平臺的問題進行解決。

3.3 智慧實驗室的管理系統(tǒng)

智慧實驗室的管理由儀器管理、日常維護管理、人員管理組成。人員管理將實驗課程老師和實驗室人員進行信息建庫；設(shè)備管理 是針對不同的實驗室的設(shè)備進行分類管理，其中包括設(shè)備的使用法和注意事項，維修記錄及其耗材管理與使用；日常管理是針對實驗室的日常清潔、整理、維護情況進行記錄。

3.4 智慧實驗室的安全系統(tǒng)

實驗室的安全管理一直都是重中之重。將傳感器信息技術(shù)融入實驗室的安全管理中去，根據(jù)溫度、光線、濕度、煙霧、火焰、有害氣體等相關(guān)數(shù)據(jù)來保障實驗室的環(huán)境，實現(xiàn)實驗室的智能化，對實驗室內(nèi)部的各種安全隱患直接采用數(shù)據(jù)超標就報警的方式作為提醒。

4 結(jié)束語

筆者就目前高校實驗室的現(xiàn)狀進行分析，然后結(jié)合高校實驗室的特點，就人工智能背景下智慧實驗建設(shè)進行討論。智慧實驗室建設(shè)目的是使高校實驗室的管理模式得以創(chuàng)新，利用智慧實驗室，使得各級管理人員能夠高效、充分地利用好學校實驗室相關(guān)資源信息，并且使實驗室的開放管理模式得到發(fā)展，能夠充分地利用好實驗室的資源，推進高校人才培養(yǎng)模式的發(fā)展，完善高校實驗室的建設(shè)。智慧實驗室以人工智能相關(guān)技術(shù)為依托，實現(xiàn)實驗教學、科研管理、實驗室管理、競賽、創(chuàng)新項目等全方位的智能化管理體系，從時間和空間等各方面不斷地提高實驗室資源的利用率。