智能實(shí)驗(yàn)室信息化系統(tǒng)的建設(shè)與管理

章玥云

（江南大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處 江蘇 無(wú)錫 214122）

0 引言

實(shí)驗(yàn)室是高等教育實(shí)踐教學(xué)與科研的重要平臺(tái)，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵場(chǎng)所[1]。在大數(shù)據(jù)應(yīng)用與普及的背景下如何提高實(shí)驗(yàn)室的管理水平與使用效率，已成為各高校亟須解決的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室依托人工管理維持實(shí)驗(yàn)室的日常運(yùn)行，很有可能造成工作人員管理效率低下、對(duì)象不明、響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，浪費(fèi)大量人力、物力與時(shí)間[2]。此外，一方面是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室定時(shí)定點(diǎn)的管理與使用模式?jīng)]有充分利用實(shí)驗(yàn)器材，導(dǎo)致教學(xué)資源的閑置與浪費(fèi)[3]；另一方面是僵硬的管理模式未能滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化需求，不利于創(chuàng)新人才培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)室僵化的管理模式與學(xué)生的個(gè)性化需求之間的矛盾刺激高校建設(shè)智能實(shí)驗(yàn)室，深化管理體系改革，建設(shè)信息化管理平臺(tái)，從而提高實(shí)驗(yàn)室管理效率，科學(xué)合理地配置實(shí)驗(yàn)室資源，滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能管理。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)制存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)室多按專(zhuān)業(yè)分類(lèi)管理，形成“校－院－系”三級(jí)管理模式。傳統(tǒng)的管理模式配合了學(xué)校的專(zhuān)業(yè)化教學(xué)，但面對(duì)當(dāng)前高等教育改革的新形勢(shì)與培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要任務(wù)[4]，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理模式的弊端日益明顯，嚴(yán)重阻礙當(dāng)代大學(xué)教研的發(fā)展。

1.1 管理體系不健全、模式落后

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理按專(zhuān)業(yè)劃分進(jìn)行分散式管理模式，規(guī)模小、功能簡(jiǎn)單且各專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室之間無(wú)統(tǒng)一科學(xué)管理機(jī)制，使各部門(mén)之間職責(zé)不明。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理體系方面，僵化的管理策略脫離學(xué)生實(shí)際需求。學(xué)生需要定時(shí)定點(diǎn)的預(yù)約實(shí)驗(yàn)室，但學(xué)生下課時(shí)間與實(shí)驗(yàn)室管理人員上班時(shí)間不重合，在實(shí)際操作中常出現(xiàn)學(xué)生課余時(shí)間并不完全吻合管理人員上班時(shí)間的現(xiàn)象。學(xué)生上下課時(shí)間的一致性，造成實(shí)驗(yàn)室爆滿(mǎn)或無(wú)人問(wèn)津兩種極端現(xiàn)象，也演化出實(shí)驗(yàn)室資源調(diào)度不匹配的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)室激勵(lì)機(jī)制方面，管理系統(tǒng)缺乏積極有效的激勵(lì)機(jī)制，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室管理人員工作積極性不足，學(xué)生參與度低，造成實(shí)驗(yàn)室設(shè)備儀器使用率低的問(wèn)題。

1.2 實(shí)驗(yàn)室管理隊(duì)伍思想固化，管理能力不足

受重理論、輕實(shí)踐傳統(tǒng)觀(guān)念的影響，實(shí)驗(yàn)室管理人員理念跟不上現(xiàn)代教育的發(fā)展需求。管理隊(duì)伍問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是實(shí)驗(yàn)設(shè)備采買(mǎi)方面，管理人員缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，導(dǎo)致采買(mǎi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)應(yīng)用于功能相近且品質(zhì)一般的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等問(wèn)題。二是實(shí)驗(yàn)室評(píng)估機(jī)制方面，缺乏有效的設(shè)備管理與維護(hù)的評(píng)估機(jī)制。高校采取“一刀切”式的僵化的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備淘汰機(jī)制，根據(jù)器材使用年限，報(bào)廢同批次的器材，造成使用率低、易損壞的儀器大量積壓，不但占用實(shí)驗(yàn)室空間，造成“物不盡其用”的浪費(fèi)，形成使用率低的儀器被閑置、而使用率高的儀器用之不足的矛盾境況。而在實(shí)驗(yàn)室管理方面，存在管理體系嚴(yán)重固化、管理模式古板不靈活等問(wèn)題。忽視互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要任務(wù)，依舊使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理體系且不知變通，落后的管理模式嚴(yán)重降低了實(shí)驗(yàn)室的儀器使用率，妨礙了學(xué)生的個(gè)性化需求與發(fā)展。

1.3 缺乏信息化管理平臺(tái)

隨著國(guó)家與高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重視，高校在科研設(shè)備上的投入大大增加，改善了實(shí)驗(yàn)室的科研環(huán)境。但不可否認(rèn)的是實(shí)驗(yàn)室管理人員不熟悉信息技術(shù)，更無(wú)意識(shí)搭建信息化管理平臺(tái)來(lái)更好地管理實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室的信息化平臺(tái)建設(shè)一拖再拖，而傳統(tǒng)固化、僵硬的管理機(jī)制造成實(shí)驗(yàn)室利用不充分、學(xué)生需求得不到滿(mǎn)足等問(wèn)題。分散化的管理模式使各院系之間沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一的信息化管理平臺(tái)，各自為政的管理模式也導(dǎo)致信息不通、消息不明，學(xué)生登錄實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的重復(fù)性申請(qǐng)與操作，造成時(shí)間與精力的浪費(fèi)。系統(tǒng)的分散化管理也使得實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與學(xué)生的信息掌握不全，造成工作效率低下與響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題 。

2 智能實(shí)驗(yàn)室信息化系統(tǒng)建設(shè)的可行性

為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種基于智能實(shí)驗(yàn)室管理數(shù)字化、信息化的管理機(jī)制。

2.1 智能實(shí)驗(yàn)室是一種基于大數(shù)據(jù)應(yīng)用背景下的新型實(shí)驗(yàn)室管理方式

智能實(shí)驗(yàn)室是指在信息技術(shù)的催化下實(shí)現(xiàn)環(huán)境、設(shè)備、資源和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等的智慧化管理，實(shí)現(xiàn)信息融合與技術(shù)融合，并加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中師生的交流與互動(dòng)的管理[5]。一方面，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生在網(wǎng)上搜索與瀏覽的碎片化行為被收集、分析并存儲(chǔ)起來(lái)，將這些看似毫無(wú)關(guān)聯(lián)的小數(shù)據(jù)整合生成有價(jià)值的大數(shù)據(jù)[6]。大數(shù)據(jù)描繪了學(xué)生的特征全貌，形成“用戶(hù)畫(huà)像”[7]，反映學(xué)生的個(gè)性化需求。另一方面，基于大數(shù)據(jù)信息技術(shù)，智能實(shí)驗(yàn)室可以將實(shí)驗(yàn)室各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作行為進(jìn)行數(shù)字化處理，對(duì)其進(jìn)行電子標(biāo)簽化，形成規(guī)格統(tǒng)一的信息化管理。因此在構(gòu)建智能實(shí)驗(yàn)室時(shí)，基于學(xué)生的訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室其他數(shù)據(jù)的融合，計(jì)算機(jī)的深度學(xué)習(xí)構(gòu)建推薦模型，滿(mǎn)足學(xué)生的個(gè)性化需求，為建設(shè)智能實(shí)驗(yàn)室奠定基礎(chǔ)。

2.2 技術(shù)的成熟是智能實(shí)驗(yàn)室信息化系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)

感知技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)與云技術(shù)等信息技術(shù)是建設(shè)智能實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)。在智能實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的過(guò)程中，感知技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)與云技術(shù)三者相輔相成。感知技術(shù)與存儲(chǔ)技術(shù)保障了大數(shù)據(jù)信息的收集與存儲(chǔ)，而云計(jì)算對(duì)所收集、存儲(chǔ)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以應(yīng)用數(shù)據(jù)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)智能實(shí)驗(yàn)室的個(gè)性化推薦與服務(wù)，讓這些數(shù)據(jù)有意義與價(jià)值。云計(jì)算讓收集與存儲(chǔ)技術(shù)所得到的數(shù)據(jù)有了用武之地，而數(shù)據(jù)的收集與存儲(chǔ)也讓分析技術(shù)更好地發(fā)揮其價(jià)值。現(xiàn)如今，隨著信息技術(shù)的發(fā)展與成熟，大數(shù)據(jù)的沉淀與處理顛覆了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的管理模式與理念，越來(lái)越受到管理者的重視。

2.3 個(gè)性化需求是建設(shè)智能實(shí)驗(yàn)室信息化系統(tǒng)的源動(dòng)力

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室固定時(shí)間、固定地點(diǎn)的使用方式限制了大學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室的使用，實(shí)驗(yàn)室使用高峰或低峰的信息不對(duì)稱(chēng)也造成了學(xué)生在預(yù)約實(shí)驗(yàn)室時(shí)出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室預(yù)約擁擠或者無(wú)人問(wèn)津的尷尬情境。而隨著網(wǎng)絡(luò)層大數(shù)據(jù)信息分析與統(tǒng)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)APP 的應(yīng)用與普及，越來(lái)越多的大學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室信息的及時(shí)性、準(zhǔn)確性與個(gè)體性提出越來(lái)越高的要求。根據(jù)智能實(shí)驗(yàn)室APP 開(kāi)放平臺(tái)的打造，學(xué)生期望通過(guò)APP 實(shí)時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約與使用情況，能夠自主地預(yù)約實(shí)驗(yàn)室。此外，學(xué)生在智能實(shí)驗(yàn)室APP 的平臺(tái)預(yù)約成功后，憑學(xué)生證件刷卡即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，無(wú)須二次登記。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一方面，學(xué)生可隨時(shí)登錄手機(jī)APP 反饋實(shí)驗(yàn)器材的使用情況，如遇到實(shí)驗(yàn)儀器故障可隨時(shí)通過(guò)智能平臺(tái)上報(bào)；另一方面，實(shí)驗(yàn)室管理人員也可以通過(guò)對(duì)手機(jī)APP 后臺(tái)管理實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)，及時(shí)上報(bào)需要維修的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，真正實(shí)現(xiàn)智能實(shí)驗(yàn)室的信息共享與平衡，滿(mǎn)足了學(xué)生個(gè)性化自主預(yù)約并使用實(shí)驗(yàn)室的需求，提高了學(xué)習(xí)效率，有利于實(shí)現(xiàn)科研創(chuàng)新。

3 構(gòu)建智能實(shí)驗(yàn)室信息化系統(tǒng)的舉措

構(gòu)建智能實(shí)驗(yàn)室信息化系統(tǒng)主要分為管理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與監(jiān)管三大部分。

3.1 智能實(shí)驗(yàn)室管理層面

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室以專(zhuān)業(yè)劃分分散管理，不利于信息化平臺(tái)的數(shù)據(jù)與資源的整合，構(gòu)建智能實(shí)驗(yàn)室應(yīng)探索合作共榮的管理模式。首先加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室信息化、數(shù)字化建設(shè)。傳統(tǒng)的管理模式已滿(mǎn)足不了智能實(shí)驗(yàn)室的管理需求，為更有效地滿(mǎn)足師生科研需求，提升管理效率，需加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的智能建設(shè)。智能實(shí)驗(yàn)室依托大數(shù)據(jù)信息技術(shù)，搭建信息化智能平臺(tái)，鼓勵(lì)管理人員信息化、數(shù)字化管理實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生個(gè)性化使用實(shí)驗(yàn)室，從而提高管理人員的工作效率、儀器設(shè)備的使用效果。其次更新管理體制建設(shè)。從學(xué)校視角出發(fā)，全面規(guī)劃推進(jìn)智能實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放機(jī)制管理建設(shè)，統(tǒng)一規(guī)范學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室的個(gè)性化預(yù)約與使用、實(shí)驗(yàn)室管理人員和設(shè)備更新與淘汰等日常管理工作，制定科學(xué)、合理的規(guī)章制度，減少因分散管理導(dǎo)致的各部門(mén)重復(fù)管理、低效管理等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的專(zhuān)業(yè)化管理。同時(shí)促進(jìn)各學(xué)院、各個(gè)專(zhuān)業(yè)之間的交流與合作，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)的資源共享，革新實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)管理策略，為提高學(xué)生科研創(chuàng)新保駕護(hù)航。

3.2 智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面

智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)包括無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和手機(jī)APP 等4 個(gè)部分。智能實(shí)驗(yàn)室一方面通過(guò)信息與技術(shù)的融合搭建信息化平臺(tái)，借助PC 端與手機(jī)移動(dòng)客戶(hù)端實(shí)時(shí)收集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部數(shù)據(jù)，再上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析與融合，并將整合后的精準(zhǔn)、有效的數(shù)據(jù)應(yīng)用到實(shí)際管理，從而形成智能實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的管理系統(tǒng)。另一方面，智能實(shí)驗(yàn)室基于所搭建的信息化平臺(tái)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)的智能推薦算法向?qū)W生提供個(gè)性化服務(wù)。

如圖1所示，學(xué)生方面：學(xué)生在PC 端或手機(jī)端操作發(fā)出個(gè)性化預(yù)約申請(qǐng)后，可隨時(shí)隨地刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可登錄智能實(shí)驗(yàn)室的信息化平臺(tái)，上報(bào)故障信息記錄實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況。服務(wù)器會(huì)積極提取并分析學(xué)生的請(qǐng)求數(shù)據(jù)，對(duì)每一個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行可識(shí)別編碼與標(biāo)注，追蹤設(shè)備使用信息，建立個(gè)人實(shí)驗(yàn)室使用標(biāo)簽。同時(shí)充分利用手機(jī)APP 對(duì)每個(gè)學(xué)生有針對(duì)性地推送實(shí)驗(yàn)室相關(guān)信息。此外，實(shí)驗(yàn)室管理人員方面，管理人員可以通過(guò)對(duì)信息化平臺(tái)的后臺(tái)管理隨時(shí)查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約與儀器使用情況，記錄統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備與資源的配置情況，及時(shí)上報(bào)并反饋發(fā)生故障的實(shí)驗(yàn)器材，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化統(tǒng)計(jì)與標(biāo)記?；诖?，依托大數(shù)據(jù)信息技術(shù)搭建信息化管理平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)室使用的信息數(shù)據(jù)與管理人員的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備與信息反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，最終生成總結(jié)性?xún)?nèi)容，不斷完善信息化平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息與功能，以備后期的持續(xù)有效管理。

圖1 智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 智能實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)管層面

構(gòu)建安全有效的智能實(shí)驗(yàn)室需要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性的監(jiān)督管理，因此為智能實(shí)驗(yàn)室更加科學(xué)運(yùn)轉(zhuǎn)，需通過(guò)信息化平臺(tái)依托信息技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管，積極搭建意見(jiàn)反饋渠道，賦予學(xué)生、管理人員提出問(wèn)題的權(quán)利。

如圖2所示，首先對(duì)智能實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管。借助信息化技術(shù)搭建實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能實(shí)驗(yàn)室的智能化、自動(dòng)化的自我監(jiān)管，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、使用情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，動(dòng)態(tài)掌握實(shí)驗(yàn)室的使用情況。為保障對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器的監(jiān)控，安裝傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的使用情況，對(duì)故障設(shè)備自動(dòng)上報(bào)處理。學(xué)生可通過(guò)信息化平臺(tái)隨時(shí)上報(bào)并反饋儀器故障，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)儀器設(shè)備與實(shí)驗(yàn)室使用情況的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。其次對(duì)學(xué)生與管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管。雖然實(shí)驗(yàn)室采用開(kāi)放式預(yù)約管理，為保障實(shí)驗(yàn)室的高效運(yùn)行與安全管理，實(shí)驗(yàn)室采取門(mén)禁系統(tǒng)，每個(gè)刷卡器均可實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)室的使用情況，并根據(jù)學(xué)生的刷卡情況自動(dòng)生成學(xué)生的個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)以及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行記錄，一方面是形成學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室電子標(biāo)簽，對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化推薦實(shí)驗(yàn)室相關(guān)信息，提高實(shí)驗(yàn)室使用率；另一方面是監(jiān)管學(xué)生規(guī)范使用實(shí)驗(yàn)室儀器，避免安全事故。根據(jù)管理人員刷卡上班以及對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器與信息化平臺(tái)的操作管理的記錄，生成管理人員的電子標(biāo)簽，從而更好地對(duì)管理人員進(jìn)行監(jiān)管，提高管理人員的工作效率。此外，為保證實(shí)驗(yàn)室的安全，智能實(shí)驗(yàn)室需實(shí)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的溫濕度、煙霧度以及安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管、檢測(cè)與分析[8-9]，如若發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警處理，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至信息平臺(tái)存儲(chǔ)與分析，以便后續(xù)管理[10]。

圖2 智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)監(jiān)管圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高校實(shí)驗(yàn)室是教學(xué)、科研的重要場(chǎng)所。智能實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理有利于合理配置實(shí)驗(yàn)資源，滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化使用實(shí)驗(yàn)室的需求，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率?；跀?shù)字化的信息平臺(tái)，建設(shè)數(shù)據(jù)融合的智能實(shí)驗(yàn)室管理體系，打破傳統(tǒng)管理思維與體系，追求實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)一、系統(tǒng)、科學(xué)的優(yōu)化管理，真正實(shí)現(xiàn)智能實(shí)驗(yàn)室的個(gè)性化開(kāi)放與預(yù)約、智能系統(tǒng)的推薦與管理，使高校實(shí)驗(yàn)室在深化教育體制改革、促進(jìn)科研創(chuàng)新中發(fā)揮更加積極的作用。