智能化自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與管理探究

王新偉　朱先磊　劉雨霞　張強(qiáng)斌

［摘 要］ 學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的安全有效管理是高校實(shí)驗(yàn)室開放共享過程中的難點(diǎn)。鑒于學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)過程中存在的實(shí)驗(yàn)室安全問題和教師指導(dǎo)管理問題，基于layui搭建的微信公眾號(hào)和小米監(jiān)控系統(tǒng)，搭建了實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)、自主學(xué)習(xí)平臺(tái)及師生遠(yuǎn)程互動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)和創(chuàng)新性管理模式，實(shí)現(xiàn)了智能預(yù)約、網(wǎng)上學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程管控、遠(yuǎn)程互動(dòng)和學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過兩年多的建設(shè)與實(shí)踐，取得了良好的運(yùn)行效果，提高了實(shí)驗(yàn)室智能化共享和管理水平，可為全國(guó)實(shí)驗(yàn)室開放管理提供應(yīng)用示范。

［關(guān)鍵詞］ 自主實(shí)驗(yàn)；預(yù)約系統(tǒng)；遠(yuǎn)程互動(dòng)；智能化

［基金項(xiàng)目］ 2020—2022年中國(guó)石油大學(xué)（北京）教學(xué)改革項(xiàng)目“環(huán)境科學(xué)專業(yè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”（2020-2022）

［作者簡(jiǎn)介］ 王新偉（1976—），女（蒙古族），內(nèi)蒙古赤峰人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境生物學(xué)和能源與環(huán)境研究；朱先磊（1974—），女，天津人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事大氣環(huán)境化學(xué)研究；劉雨霞（1987—），女，甘肅金昌人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事水環(huán)境化學(xué)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）07-0017-04［收稿日期］ 2022-04-13

引言

加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)建設(shè)，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法已經(jīng)成為高校開展教學(xué)改革的重點(diǎn)［1-2］。實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、科技創(chuàng)新能力的重要場(chǎng)所，是融教學(xué)與科研開展科技研究的重要基地。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校人才培養(yǎng)和教育中起著關(guān)鍵作用。近年來，我國(guó)不斷加大對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)投入，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及儀器設(shè)備的配制等有了很大的改善和提高，但是傳統(tǒng)的人工管理運(yùn)行模式和有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)已經(jīng)不能滿足學(xué)生開展探究的需求，學(xué)生亟須一個(gè)能在課外時(shí)間自由開展科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。有專家指出，目前我國(guó)高校本科人才培養(yǎng)模式所欠缺的是具有探索性、創(chuàng)新性的實(shí)踐活動(dòng)［3］。習(xí)近平總書記在全國(guó)科技創(chuàng)新大會(huì)、中國(guó)科學(xué)院第十八次院士大會(huì)和中國(guó)工程院第十三次院士大會(huì)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)第九次全國(guó)代表大會(huì)上指出：“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置?！保?］因此，致力于培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造、自主學(xué)習(xí)與合作交流的能力，開發(fā)開放性、自主性、合作性與研究性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既可以促進(jìn)大學(xué)生的全面發(fā)展，又可以成為大學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合、學(xué)習(xí)與應(yīng)用相統(tǒng)一的關(guān)鍵紐帶。

很多高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室開放管理方式進(jìn)行了研究，從實(shí)驗(yàn)預(yù)約、智能化、信息化等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)管理方法的有益探索［5-6］，但多是從教師角度進(jìn)行的管理改革，學(xué)生的中心地位并未充分體現(xiàn)，而從學(xué)生的角度調(diào)動(dòng)積極性才是改革之本。因此，為了有效滿足學(xué)生在課外開展科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的需求，為了順利有序開展大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行科學(xué)、有序的開放共享，構(gòu)建智能化的實(shí)驗(yàn)開放共享平臺(tái)勢(shì)在必行。

學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)面臨的主要問題是實(shí)驗(yàn)室安全問題和教師指導(dǎo)管理問題［7］。一方面，要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全天候、全方位對(duì)學(xué)生開放，會(huì)出現(xiàn)不同專業(yè)、不同基礎(chǔ)的學(xué)生在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者構(gòu)成復(fù)雜，安全意識(shí)參差不齊。雖然我校實(shí)驗(yàn)類專業(yè)的學(xué)生需要在大一進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前完成實(shí)驗(yàn)室的安全考核，但仍存在少數(shù)學(xué)生安全意識(shí)較差、不按操作規(guī)范進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況。此外，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的安全問題與基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的安全問題存在差異，如何保證專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的安全是要解決的重要問題。另一方面，學(xué)生自主開展的研發(fā)實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，多是利用課余時(shí)間來完成，指導(dǎo)教師不可能一直在實(shí)驗(yàn)室陪同學(xué)生，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的質(zhì)量保證和實(shí)驗(yàn)室安全是自主實(shí)驗(yàn)難以開展的限制因素。如何實(shí)現(xiàn)自主實(shí)驗(yàn)、如何有效對(duì)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)、教師對(duì)學(xué)生的管理問題等都是需要解決的關(guān)鍵問題。

針對(duì)上述問題，中國(guó)石油大學(xué)（北京）環(huán)境科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室以簡(jiǎn)單高效、安全第一為目標(biāo)探索搭建了智能化自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括預(yù)約系統(tǒng)、學(xué)習(xí)平臺(tái)及遠(yuǎn)程互動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程管控、智能預(yù)約、遠(yuǎn)程互動(dòng)、網(wǎng)上學(xué)習(xí)和學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過兩年多的建設(shè)，解決了自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)資源等受限的問題和在開放共享過程中存在的安全管理隱患問題，推進(jìn)了專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革，提高了實(shí)驗(yàn)室智能化共享和管理水平。

一、智能化自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

（一）實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)

要想實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室在空閑時(shí)段面向?qū)W生開放共享，需要在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約，而如何確保預(yù)約學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全和對(duì)設(shè)備規(guī)范使用，是需要解決的首要問題。很多高校進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)預(yù)約平臺(tái)建設(shè)［6-8］，但平臺(tái)涉獵多樣、系統(tǒng)龐大、操作較為煩瑣，亦多未進(jìn)行安全準(zhǔn)入，如果能借助微信平臺(tái)進(jìn)行掌上實(shí)驗(yàn)室管理，將會(huì)使實(shí)驗(yàn)室管理工作變得更加便捷?；诖?，針對(duì)自主實(shí)驗(yàn)的管理與運(yùn)行現(xiàn)狀，建立了“石大環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”微信公眾號(hào)，開發(fā)完成了實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)，并在預(yù)約前設(shè)置了實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)和相關(guān)設(shè)備使用的考核功能。

預(yù)約系統(tǒng)利用java編程，使用springboot輕服務(wù)框架搭建了服務(wù)端后臺(tái)，基于layui搭建了公眾號(hào)管理可視化模塊，并基于Weui可視化組件構(gòu)建了移動(dòng)端用戶界面——“石大環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”微信公眾號(hào)，指導(dǎo)教師隨時(shí)在微信公眾號(hào)上進(jìn)行審核，使用起來方便快捷。預(yù)約系統(tǒng)有兩大功能：考核與預(yù)約。預(yù)約的基本流程為學(xué)生信息填寫—考核—預(yù)習(xí)設(shè)備空閑時(shí)段查詢—預(yù)約—等待審核—審核情況查詢。

考核為預(yù)約設(shè)備時(shí)需要通過的考試，主要考核設(shè)備的使用方法和注意事項(xiàng)。因?yàn)轭A(yù)約服務(wù)主要是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備預(yù)約，因此學(xué)生需要先行了解所預(yù)約設(shè)備的使用規(guī)程和注意事項(xiàng)，經(jīng)過考核方可預(yù)約成功，目的是審核學(xué)生自學(xué)設(shè)備使用方法的效果，確保學(xué)生自主完成設(shè)備使用或具備使用設(shè)備的基礎(chǔ)，可節(jié)約技術(shù)人員對(duì)每一位學(xué)生的設(shè)備培訓(xùn)時(shí)間，增加設(shè)備使用壽命，也提高了實(shí)驗(yàn)室的安全性。石大環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室公眾號(hào)和預(yù)約界面見圖1。

（二）學(xué)生自主學(xué)習(xí)平臺(tái)

為使學(xué)生能方便快捷地獲取開放實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)信息，學(xué)生自主學(xué)習(xí)平臺(tái)搭建在公眾號(hào)里。自主學(xué)習(xí)內(nèi)容包括自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用方法視頻、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡(jiǎn)介及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)推送，形成了理論與實(shí)踐技術(shù)知識(shí)學(xué)習(xí)平臺(tái)，方便學(xué)生自學(xué)。我校環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室類型包括生態(tài)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、水環(huán)境實(shí)驗(yàn)室及土壤環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，如生態(tài)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室開放的設(shè)備有顯微鏡、滅菌器、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、植物培養(yǎng)架等，在學(xué)習(xí)平臺(tái)制作這些設(shè)備的使用視頻，供學(xué)生自學(xué)和復(fù)習(xí)。在掌握了使用方法和注意事項(xiàng)后，完成預(yù)約中的設(shè)備安全考核項(xiàng)，方可進(jìn)行某一設(shè)備的預(yù)約使用。

（三）自主實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程互動(dòng)系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)室全方位開放共享過程中，由于缺乏管理人員，教師指導(dǎo)管理的問題成為實(shí)驗(yàn)室開放的限制因素之一。建立嚴(yán)格的準(zhǔn)入制度與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)安全監(jiān)管和師生遠(yuǎn)程互動(dòng)。因此，自主實(shí)驗(yàn)管理過程首先需要預(yù)約，預(yù)習(xí)系統(tǒng)通過后，再提交自主實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)方案通過后，方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。在自主實(shí)驗(yàn)過程中，隨時(shí)和指導(dǎo)教師交流設(shè)備的使用問題，試劑使用及自主實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)問題，可以隨時(shí)進(jìn)行師生互動(dòng)。

遠(yuǎn)程互動(dòng)系統(tǒng)包括小米智能門鎖、監(jiān)控?cái)z像頭、路由器及遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件。智能門鎖可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生進(jìn)門的遠(yuǎn)程密碼解鎖功能，每次學(xué)生進(jìn)門系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)碼發(fā)給學(xué)生，學(xué)生輸入隨機(jī)碼即可自行開鎖進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，便進(jìn)入小米監(jiān)控?cái)z像頭監(jiān)控范圍，小米攝像頭可以監(jiān)控整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的空間，并具有存儲(chǔ)視頻功能。學(xué)生在自主實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題時(shí)可與指導(dǎo)教師進(jìn)行視頻互動(dòng)，解決問題。此外，指導(dǎo)教師可在空閑時(shí)間回放存儲(chǔ)的視頻內(nèi)容，檢查學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室操作過程中是否有有誤或不規(guī)范之處。學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)流程見圖2。

1.設(shè)備安全考核。此設(shè)備安全考核與預(yù)約系統(tǒng)中的設(shè)備預(yù)約考核為同一個(gè)窗口。學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)的前提是通過自主學(xué)習(xí)平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)室對(duì)應(yīng)的設(shè)備安全模塊學(xué)習(xí)，預(yù)約時(shí)先進(jìn)行設(shè)備考核，只有考核合格的學(xué)生才有資格進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)。

2.實(shí)驗(yàn)方案的提交和準(zhǔn)入。學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)前需要先將實(shí)驗(yàn)方案提交給負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室安全的指導(dǎo)教師審核，指導(dǎo)教師需要判斷設(shè)備是否可用、試劑是否充足及實(shí)驗(yàn)的其他耗材是否完備，這些實(shí)驗(yàn)條件具備后可通過審核。審核通過后，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的開放情況（如空閑設(shè)備型號(hào)、空閑時(shí)段等），繼續(xù)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入。這一步申請(qǐng)審核通過后，才能按預(yù)約時(shí)間進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，此過程保障了自主實(shí)驗(yàn)的可行性和學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能達(dá)標(biāo)，確保了自主實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)施條件。

3.自主實(shí)驗(yàn)與遠(yuǎn)程互動(dòng)。學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)成功后，在預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間的范圍內(nèi)可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，監(jiān)控系統(tǒng)可以全程看到學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的情況，所以指導(dǎo)教師無(wú)須時(shí)刻親自到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到困難與問題，可以通過監(jiān)考系統(tǒng)直接遠(yuǎn)程與指導(dǎo)教師進(jìn)行視頻通話，指導(dǎo)教師通過遠(yuǎn)程方式幫助學(xué)生解決問題。學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程互動(dòng)系統(tǒng)見圖3。

二、自主實(shí)驗(yàn)管理方法改革

為了保障學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的良好運(yùn)行，在搭建智能化自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了開發(fā)和改革。

（一）創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)

目前已經(jīng)開發(fā)了多項(xiàng)綜合性及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并應(yīng)用于相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表1。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于環(huán)境污染問題和實(shí)驗(yàn)室的條件，從目前的研究熱點(diǎn)出發(fā)，涉及無(wú)機(jī)污染物、有機(jī)污染物的污染過程及生物效應(yīng)研究，研究對(duì)象涉及面廣。學(xué)生基于研究興趣自選污染物種類進(jìn)行研究，不同實(shí)驗(yàn)組基于相似的研究思路開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大大激發(fā)了學(xué)生的研究興趣和研究思維，同時(shí)，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力、協(xié)作能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究能力。

（二）學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

在學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)—線下學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。線上項(xiàng)目簡(jiǎn)介及實(shí)驗(yàn)原理，總體上加強(qiáng)了線下學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，充分利用線下實(shí)驗(yàn)室的空間和空余時(shí)間，教師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答疑，研究生做實(shí)驗(yàn)輔助，大力培養(yǎng)學(xué)生從試劑準(zhǔn)備到實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的全過程的動(dòng)手能力與系統(tǒng)性研究思維，完善了以實(shí)驗(yàn)室開放為基礎(chǔ)的學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。最近兩年，學(xué)生獲得市級(jí)以上科技創(chuàng)新獎(jiǎng)13項(xiàng)。

中國(guó)石油大學(xué)（北京）環(huán)境科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室以簡(jiǎn)單高效、安全第一為目標(biāo)，探索搭建了基于微信公眾號(hào)和小米監(jiān)控系統(tǒng)的智能化自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)以先進(jìn)性、專業(yè)性及創(chuàng)意性為建設(shè)理念，包括預(yù)約系統(tǒng)、學(xué)習(xí)平臺(tái)及遠(yuǎn)程互動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)，對(duì)開放的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了開發(fā)和改革，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程管控、智能預(yù)約、遠(yuǎn)程互動(dòng)、網(wǎng)上學(xué)習(xí)及學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)。運(yùn)行的相關(guān)規(guī)章制度及實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入考核庫(kù)仍需進(jìn)一步完善，如實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入信息庫(kù)可分為通識(shí)類、電器安全類、試劑安全類、生物安全類、儀器安全類等。從總體上來看，智能化實(shí)驗(yàn)開放共享平臺(tái)使得實(shí)驗(yàn)室開放管理更加科學(xué)化、規(guī)范化和人性化，取得了良好的成效，同時(shí)，建立了可復(fù)制的智能化自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及運(yùn)行管理機(jī)制，為我國(guó)的實(shí)驗(yàn)室開放管理創(chuàng)新改革提供了示范應(yīng)用。

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Research on the Construction and Management of Intelligent Independent Experimental Platform

WANG Xin-wei， ZHU Xian-lei， LIU Yu-xia， ZHANG Qiang-bin

（College of Chemical Engineering and Environment， China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract： The safe and effective management of students independent experiment is a difficulty in the process of opening and sharing of university laboratories. In view of the laboratory safety problems and the guidance and management problems of students in the process of independent experiment， based on the WeChat official account and monitor system built by layui， we have built a student independent experimental management platform and innovative management mode combining laboratory reservation system， independent learning platform and teacher student remote interaction system. It realizes intelligent reservation， online learning， remote laboratory control， remote interaction and students independent experiment. After more than two years of construction and practice， the intelligent sharing and management level of the laboratory have been improved， which can provide an application demonstration for the laboratory opening management.

Key words： independent experiment; reservation system; remote interaction; intellectualization