高?！爸腔蹖嶒炇摇钡慕ㄔO(shè)路徑探索

竇海娥

（南京郵電大學(xué)傳媒與藝術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210003）

隨著素質(zhì)教育的全面推進(jìn)，高校對于實驗課程的重視程度逐漸提升， 實驗課程在教學(xué)中的比重也逐漸增多。 因此，推進(jìn)實驗室智能升級，加速科研創(chuàng)新成為高校信息化建設(shè)的一個熱點，“智慧實驗室”便應(yīng)運(yùn)而生。

“智慧實驗室” 基于分布式協(xié)同集中式統(tǒng)籌規(guī)劃的思想，在現(xiàn)有傳統(tǒng)實驗室的基礎(chǔ)上，融合各類人工智能技術(shù)，構(gòu)建業(yè)務(wù)系統(tǒng)、中臺管理及智能預(yù)測一體化的智慧實驗室生態(tài)圈，最終目的是助力科研創(chuàng)新加速。 智慧實驗室旨在融合傳統(tǒng)實驗室與教育信息化以打造智慧化學(xué)習(xí)環(huán)境，指明了未來實驗室的發(fā)展方向與道路。

1 當(dāng)前高校實驗室建設(shè)中存在的問題

無論是對于理工科還是文科而言，實驗教學(xué)都是課程教學(xué)中不可或缺的一部分，是學(xué)生將課本所學(xué)理論知識運(yùn)用于實踐的一個重要方式。 實驗教學(xué)是基礎(chǔ)課堂教學(xué)的深化與補(bǔ)充。 隨著高校對于實驗教學(xué)重視程度的提升，越來越多的實驗室建設(shè)改革方案已被提出[1-4]，但現(xiàn)下，大部分高校實驗室建設(shè)中仍存在一些不可規(guī)避的問題。

1.1 實驗設(shè)備的管理問題

當(dāng)下，高校實驗室，尤其是理工科實驗室中的儀器設(shè)備較為貴重， 很多設(shè)備必須進(jìn)行定期檢修護(hù)理，但由于儀器數(shù)量龐大、種類繁多，并分布于不同的實驗室，在管理方面常容易出現(xiàn)混亂。 現(xiàn)階段傳統(tǒng)實驗室可能缺乏對儀器集中管理的平臺，對于不同時間購入的儀器難以精準(zhǔn)定位，進(jìn)行定期維修和更換，這可能在一定程度上造成實驗結(jié)果的不準(zhǔn)確，減慢科研創(chuàng)新的速度，是不容小覷的問題。

1.2 實驗室使用時間調(diào)度問題

由于不同院系和同院系不同專業(yè)需安排不同類型的實驗課程，在基礎(chǔ)課堂教學(xué)安排完畢之后，對于空閑實驗室及各實驗室內(nèi)設(shè)備使用時間的安排可能出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象。 因此，可以建立一個在線共享的實驗課程排布平臺， 既能提升實驗室相關(guān)工作的效率，又能使教學(xué)任務(wù)更加順利地推進(jìn)。

1.3 實驗室使用后續(xù)管理問題

由于現(xiàn)下實驗室一般采用人工管理，實驗室中儀器、空調(diào)、多媒體用具及照明用具等在使用后的關(guān)閉均由人工操作，不僅十分耗費(fèi)人力資源，而且在一定情況下可能會造成能源資源的浪費(fèi)。 在人工智能發(fā)展迅速的時代，可考慮對實驗室供電系統(tǒng)和儀器使用系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理，實現(xiàn)用電設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。

2 智慧實驗室內(nèi)涵的探討

教育部于《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》中指出，要“打造適應(yīng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理、自主服務(wù)需求的智慧課堂、智慧實驗室、智慧校園。 大力推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代技術(shù)在教學(xué)和管理中的應(yīng)用”[5]。 當(dāng)前，“智慧實驗室”尚無特定統(tǒng)一的概念。 智慧教育的本質(zhì)在于技術(shù)化、信息化，其基本特點就是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和多媒體化，是教育現(xiàn)代化的必由之路，而智慧實驗室建設(shè)則是推進(jìn)智慧教育的必要一步[6]。簡而言之，“智慧實驗室”是打造“智慧校園”的重點部分，是學(xué)校信息化發(fā)展到一定階段時應(yīng)運(yùn)而生的。

有學(xué)者提出，智慧實驗室以現(xiàn)代教育理念為指導(dǎo)方針， 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建能夠全面感知的物理環(huán)境，基于互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建開放、互動、共享的綜合實驗室信息服務(wù)平臺，基于智能控制技術(shù)構(gòu)建可視化、智能化的自動化管理和監(jiān)控，基于云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)實驗教學(xué)過程的可視化采集、傳輸、交互、評價、應(yīng)用和服務(wù)[7]。

文章認(rèn)為， 智慧實驗室通過運(yùn)用新一代信息技術(shù)，以實現(xiàn)實驗室全環(huán)境及實驗教學(xué)全過程的智慧化管理為目的，完成實驗設(shè)備的智能化升級及其與實驗室的有機(jī)融合，打造一個既能夠推進(jìn)實驗過程，又能深化教學(xué)效果的智慧化學(xué)習(xí)環(huán)境。 智慧實驗室管理系統(tǒng)可結(jié)合先進(jìn)的云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、生物識別技術(shù)、手機(jī)App 技術(shù)等，改變傳統(tǒng)實驗室流程煩瑣、管理不便的現(xiàn)狀。 通過對現(xiàn)有的實驗室的智能化升級，能夠?qū)崿F(xiàn)對高校實驗室使用時間的智能分配、實驗人員身份的智能識別、實驗室狀態(tài)的實時監(jiān)控、實驗設(shè)備的遠(yuǎn)程操控以及實驗室內(nèi)用電系統(tǒng)的隨時管控。 在大數(shù)據(jù)和多媒體技術(shù)快速發(fā)展的背景下，智慧實驗室建設(shè)的可行性極高，也具有十分有價值的現(xiàn)實意義。

智慧實驗室建設(shè)工程任重而道遠(yuǎn)，是校園信息化道路之中的一項長期工程， 為保證項目的順利推進(jìn)，學(xué)校必須建立健全相應(yīng)的項目組織機(jī)構(gòu)和項目運(yùn)行保障機(jī)制，并且明確相關(guān)人員職責(zé)。 此外，要確保各種智能技術(shù)與實驗室基礎(chǔ)設(shè)備的順利對接，以保證實驗室管理系統(tǒng)智能化升級的順利推進(jìn)，將其對于項目的支撐作用落到實處。

3 智慧實驗室建設(shè)所需關(guān)鍵技術(shù)

智慧實驗室可以在現(xiàn)有實驗室基礎(chǔ)硬件設(shè)施上，將實驗室的基礎(chǔ)設(shè)備和現(xiàn)有系統(tǒng)與新一代信息技術(shù)融合在一起，建設(shè)成能夠全面感知物理環(huán)境、智能化管理與控制等的智慧型實驗學(xué)習(xí)基地，推動實驗室建設(shè)的更細(xì)化管理， 打造一個能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)化管理、全時空管理、全要素管理、全生命周期管理的智慧實驗室生態(tài)圈。 在智慧實驗室建設(shè)過程中，需要很多關(guān)鍵技術(shù)的支撐。

3.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)，通俗來講，就是采取一些特殊分析方法對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理，比如對目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取、對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析等，以此達(dá)到把脈數(shù)據(jù)現(xiàn)狀并預(yù)測未來結(jié)果的目的。

在對傳統(tǒng)實驗室進(jìn)行智能化升級的過程中，如建立在線實驗室使用調(diào)度平臺、 儀器智能管理平臺、能源使用智能管控平臺等，定會產(chǎn)生大量的不同類型的數(shù)據(jù)，而大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅能夠處理簡單數(shù)據(jù)，還能對文本數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)及圖像數(shù)據(jù)這些更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析。 除此之外，對于一些零散數(shù)據(jù)，也可利用大數(shù)據(jù)技術(shù)深入挖掘其中的潛藏價值。 因此，在智慧實驗室構(gòu)建與管理方案的研究中， 大數(shù)據(jù)技術(shù)能使所有智能化業(yè)務(wù)管理更加便捷和深入，是不可或缺的。

3.2 云計算技術(shù)

大數(shù)據(jù)與云計算的關(guān)系在技術(shù)層面猶如一枚硬幣的正反面，互相關(guān)聯(lián)，密不可分。 大數(shù)據(jù)的特色在于對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)挖掘，僅僅單臺計算機(jī)無法對大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，它必須依托云計算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫和云存儲、虛擬化技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)。結(jié)合云計算技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)后的智慧實驗室不僅能夠?qū)嶒炇揖W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理，而且可以實時記錄并存儲實驗教學(xué)情況或?qū)嶒炘O(shè)備使用情況的相關(guān)數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，通過分析結(jié)果來進(jìn)一步優(yōu)化實驗室管理方案和教學(xué)計劃，既能提升實驗教學(xué)的效率， 又能使實驗室系統(tǒng)的運(yùn)算速度得到提升，便于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可謂一舉多得。

3.3 生物識別技術(shù)

生物識別技術(shù)指的是將計算機(jī)與光學(xué)、 聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計學(xué)原理等高科技手段密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性（如指紋、五官、虹膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來進(jìn)行個人身份的鑒定[8]。

在各種生物識別技術(shù)中，虹膜識別的準(zhǔn)確性是最高的。 因此，智慧實驗室可以利用虹膜識別技術(shù)對實驗人員進(jìn)行統(tǒng)一身份認(rèn)證及管理，以此作為實驗室準(zhǔn)入準(zhǔn)出的“通行證”。 所有進(jìn)入實驗室的人員必須進(jìn)行虹膜識別調(diào)取身份信息，離開實驗室時也需要進(jìn)行同樣的操作，這樣對于所有人員身份及其進(jìn)出實驗室的時間均可以進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測，保證了實驗室人員身份及設(shè)備接觸的透明化。 同時，在條件允許的情況下，對于實驗設(shè)備的開啟關(guān)閉也可借助該技術(shù)進(jìn)行識別操作，以保證實驗過程的安全。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是按照約定的協(xié)議，將具有“感知、通信、計算”功能的智能物體、系統(tǒng)、信息資源互聯(lián)起來，實現(xiàn)對物理世界“泛在感知、可靠傳輸、智慧處理”的智能服務(wù)系統(tǒng)[9]。 物聯(lián)網(wǎng)可使用信息傳感設(shè)備，如射頻識別（RFID 技術(shù)）、紅外傳感器、激光掃描儀和氣體傳感器等，將物物均連接到互聯(lián)網(wǎng)以進(jìn)行信息交換。 利用物聯(lián)網(wǎng)可以建立實驗室設(shè)備和實驗室管理系統(tǒng)之間的獨特聯(lián)系，以此來精準(zhǔn)定位設(shè)備位置、類別等信息，對實驗室內(nèi)各設(shè)備可進(jìn)行智能識別、定位、跟蹤及監(jiān)控，實現(xiàn)設(shè)備的智能化集中管理，對于實驗室網(wǎng)絡(luò)管理也更加方便。

智慧實驗室中， 可利用不同頻率的RFID 設(shè)備實現(xiàn)實驗室的全方位智能管理。 比如，可以使用工作在120KHZ-134KHZ 頻率段的RFID 設(shè)備用于實驗室人員的身份核驗及教學(xué)考勤等[10]。 進(jìn)出實驗室的教師和學(xué)生通過刷卡來調(diào)取身份信息及其使用的設(shè)備的相關(guān)信息，并上傳至實驗室管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。 一些高頻RFID 設(shè)備還可被用于實驗設(shè)備的管理， 實現(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)定位，對于設(shè)備使用年限等信息都可以精準(zhǔn)調(diào)取，便于對實驗設(shè)備的定期維護(hù)，確保實驗設(shè)備的精準(zhǔn)度，使每次實驗的質(zhì)量能夠得到保證。 當(dāng)實驗設(shè)備被惡意破壞時，這些RFID 設(shè)備也能夠檢測到，并及時觸發(fā)實驗室系統(tǒng)報警功能。 另外，可利用氣體傳感器實時監(jiān)測實驗室環(huán)境，如當(dāng)實驗室出現(xiàn)火災(zāi)等異?，F(xiàn)象時，實驗室管理系統(tǒng)能及時得到告警反饋，及時降低實驗室損失，提升實驗室的總體安全性。

3.5 手機(jī)App 技術(shù)

為使智慧實驗室的建設(shè)進(jìn)一步實際化，可以設(shè)計一個用于實驗室全方位管理的App，即完成實驗預(yù)約、實驗設(shè)備管理及實驗室后續(xù)管理等一系列操作的全方位智慧型管理系統(tǒng)。

其中，實驗預(yù)約包括空閑實驗室預(yù)約、實驗設(shè)備使用申請等，教師或?qū)W生可以通過此App 預(yù)約空閑實驗室進(jìn)行教學(xué)活動或科研實踐，對于實驗需要使用的設(shè)備種類及數(shù)量也需要進(jìn)行相應(yīng)的登記，所有登記的信息均上傳至App 后臺，這樣既能夠保證不同院系間實驗課程安排更加井然有序，也能準(zhǔn)確地對實驗設(shè)備使用情況進(jìn)行監(jiān)督。 實驗室設(shè)備管理包括設(shè)備開關(guān)及使用監(jiān)控， 借助一些RFID 設(shè)備實現(xiàn)整個實驗過程的全程監(jiān)測，以保證師生實驗過程的規(guī)范性和實驗設(shè)備的安全性。 實驗室后續(xù)管理包括實驗數(shù)據(jù)的上傳、實驗報告的智能生成及對使用后設(shè)備的性能檢測，便捷分析實驗結(jié)果，保證設(shè)備無受損和不規(guī)范使用情況。

同時， 可將各類設(shè)備信息也傳至App 后臺數(shù)據(jù)庫， 結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)還能夠?qū)崟r追溯設(shè)備購入年限、損耗情況等數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)實驗設(shè)備的全方位信息化管理，保證實驗設(shè)備的及時更新，防止因設(shè)備極度老化而導(dǎo)致實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差無法達(dá)到預(yù)期。 除此之外，還可利用此App 對實驗室的照明設(shè)備及設(shè)備用電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，避免了人工控制，節(jié)約了人力資源，使得實驗室管理更加便捷可行。

4 結(jié)語

文章分析了當(dāng)前高校實驗室中存在的一些突出問題，并給出了改進(jìn)建議，然后進(jìn)一步探討智慧實驗室的內(nèi)涵，明確了智慧實驗室的現(xiàn)實意義。 智慧實驗室是推進(jìn)智慧校園建設(shè)的關(guān)鍵一步，文章通過分析相關(guān)技術(shù)在實驗室建設(shè)中的支撐作用，給出了其于智慧實驗室建設(shè)工程中的具體應(yīng)用方案，證明了智慧實驗室項目的可行性。

總之，智慧實驗室建成后定能大幅提高實驗室的實驗教學(xué)質(zhì)量及資源管理水平，節(jié)約人力資源，減輕實驗室管理人員的工作壓力，為廣大師生提供一個既能進(jìn)行實驗教學(xué)又能推動科研創(chuàng)新的實踐基地，為培養(yǎng)信息化人才提供了有力支撐。 智慧實驗室能夠徹底改變以往傳統(tǒng)實驗室滯后的管理模式，使實驗室管理向著便捷化和智能化的方向發(fā)展，是推進(jìn)傳統(tǒng)實驗室信息化的關(guān)鍵一步。 探索可行的高校智慧實驗室建設(shè)路徑，具有極其深遠(yuǎn)且有價值的現(xiàn)實意義。