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高校智慧实验室的构建

2020-01-13 10:24


智慧实验室作为智慧校园的重要组成部分,是学校信息化发展到一定程度的内在诉求。基于新一代信息技术,从基础设施、网络环境、硬件、软件四要素出发,搭建了一个由设备感知层、智能控制层、网络层、服务层、业务应用层、用户层组成的系统体系结构,展示了智慧实验室系统的构建思路,目的是帮助实验室实现智慧化、精细化与规范化的全时空管理、全要素管理、全生命周期管理。

实验教学是高校课程学习的重要组成部分,是学生获取、掌握知识的重要途径,是深化课堂教学的重要环节。《教育部关于加快建设高水平本科教育  全面提高人才培养能力的意见》指出,要“打造适应学生自主学习、自主管理、自主服务需求的智慧课堂、智慧实验室、智慧校园。大力推动互联网、大数据、人工智能、虚拟现实等现代技术在教学和管理中的应用”。智慧实验室作为“智慧校园”的重要组成部分,是学校信息化发展到一定程度的内在诉求。

在前期建设过程中,由于大部分的实验室分布在二级学院,相关人员较为关注实验教学硬件设备购置,忽略对设备的开放使用、安全管理等方面的建设,导致在后期使用过程中暴露出了诸多问题。比如:(1)仪器、设备分布在各个实验室,尽管有专人管理,但是缺乏集中统一的管理平台,学校很难快速准确定位、跟踪设备。(2)室内照明、设备供电无法智能化管理,造成资源和能源的浪费。(3)温湿度、有害气体浓度、颗粒物浓度、烟雾浓度、粉尘浓度、噪声等指标无法实时监测,对各类潜在的威胁和危险无法提前预知并发出警告。(4)不同院系实验室之间资源利用分配不协调, 存在“信息孤岛”现象,资源共享难以实现。(5)实验教学资源分散、优秀实验案例资源缺乏收集和整理,无法共建共享。随着大量开放式实验教学的开展,如何有效解决实验室的高效运行与管理成为实验室管理中亟待探讨研究的问题之一,对实验室的智慧化、安全化建设与管理成为领域内人士关注的热点问题。

智慧实验室是以物联网技术为核心,借助新一代信息技术实现实验室的智能化、安全化、可视化管理,资源的互联与信息共享,人员的互动协作等全面的智能感知实验环境和综合信息服务平台。智慧实验室以物联网、云计算、大数据、智能化控制和移动互联等信息技术应用为主线,将实验室中的物理设施、信息设施、学习生活设施和科研设施连接起来,通过感知、物联、智能化的方式,达到智能自动化管理和监控,保证实验室的安全,创造一个绿色环保、智能舒适的实验环境。

智慧实验室是以现代教育思想与理念为指导,以提高学生实践能力和创新能力为目标,将物联网、互联网、云计算、大数据、智能技术等新一代信息技术有机融合于实验室的管理和教学过程中,建设成具有全面感知物理环境、智能化管理与控制、教学过程可视化记录与评价、资源和信息互联共享、师生协作与互动一体化的实验室学习空间和“一站式”服务平台,实现实验室建设的进一步精细化动态化管理、全时空管理、全要素管理、全生命周期管理。智慧实验室通过将新一代信息技术和智能化设备与实验室有机融合,以现代教育思想与理念为指导,基于物联网技术构建全面感知的物理环境,基于互联网构建开放、互动、共享的综合实验信息服务平台,基于智能控制技术构建可视化、智能化的自动化管理和监控,基于云计算、大数据等技术实现实验教学过程的可视化采集、传输、交互、评价、应用和服务。

一、智慧实验室的系统架构模型

对智慧实验室内涵分析的基础上,秉承模块化设计理念,笔者认为在基础硬件设施上,可将物联网、云计算、大数据、移动互联等信息技术与实验室的基础设备和应用系统进行有机融合,从基础设施、网络环境、硬件、软件四要素出发,搭建一个由设备感知层、智能控制层、网络层、服务层、业务应用层、用户层组成的系统体系结构。

1.设备感知层

利用各种物联网技术和智能感应技术,通过 IC 卡、二维条码、射频标签、摄像机、各类传感器等自动标识,实时获取各种监测信息,实现对实验室环境的全面感知、设备的识别及信息的采集等,并可以依据采集的大数据智能预测一般规律和发展趋势。实验室设备感知层的设备主要包括门禁系统、多媒体设备、照明系统 RFID 标签、二维码、摄像头、空调与新风系统、各类传感器(二氧化碳浓度传感器、有害气体浓度传感器、水浸传感器、温湿度传感器、光敏传感器)等。如:利用低频和高频的RFID设备进行门禁管理、刷卡考勤、设备盘点与统计等,利用摄像头和智能录播设备实现无感知考勤、实验教学全过程视频采集及实验室安全监控等功能。

2.智能控制层

智能控制单元是智慧实验室管理系统的核心支撑系统,具备精准控制、智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策等功能,是实验室系统互联网、物联网应用的控制和执行终端,能够执行各种管理指令,从而使实验室达到系统化的智能运行管理。智能控制层主要包含三种类型设备:智能电源控制系统、实验室智能中控系统、多媒体智能控制系统。

3.网络层

网络层相当于人体的中枢神经,实现人与人、设备与设备、人与设备之间全面的互联互通,承载智慧实验室所有的软件平台、硬件设备、基础设施、人等信息之间的传输,为师生提供可靠、稳定的泛在基础网络环境和持续的服务会话及感知数据的接入和传输。网络层所涉及的网络有有线网络、无线网络、物联网等,各网络之间协调工作,使信息空间与物理空间能够无缝对接、全面联通。

4.服务层

为消除各学院及各应用系统之间的“信息孤岛” 现象 , 利用云计算、数据挖掘等技术为基础,深度整合数据资源,统一信息管理,建立一个统一的、共享的、标准的数据融合综合服务平台。主要包括统一身份认证、云计算与云存储、统一数据库服务平台、虚拟化桌面、直播和录播、大数据挖掘、服务器集群等基础服务,为实验室的数据融合和服务融合奠定基础。

5. 业务应用层和用户层

业务应用层旨在构建一个多服务综合管理平台,实现教学管理、实验教学、资源管理、环境监控等诸多应用,使得它们集成于统一的管理平台之上,形成开放的实验室系统,并为实验室评估、实验室建设及实验教学质量管理等方面的决策提供数据支持。在实际建设过程中,可以根据学校的实际需求,以“业务支撑平台”为基础,灵活搭配丰富多样的拓展应用模块,最大限度满足学校、学院、实验中心、教师和学生等使用方和管理方的需求,实现实验室相关工作智能化、规范化、信息化管理,把管理工作从粗放式向精细化管理转变,从而达到减少资源浪费的目的。

6. 智慧实验室运作机制

在智慧实验室层级架构中,实验室信息及安全标准与规范和实验室工作体系与管理机制在外围方面起到了加强作用。实验室信息及安全标准与规范是智慧实验室建设的重要支撑,实验室的安全性涉及实验室实体安全、运行安全、信息安全。实验室的规范化运作,除了基于技术方面的规范,建立统一标准的实验室工作体系与管理机制同样非常重要。技术与制度相结合,操作规范与智慧化的管理方式相配合,才能将高校智慧型实验室建设的智慧化优势发挥到极致。

智慧实验室平台将云计算、大数据、移动互联等信息技术有机融合,运用“互联网+”等新思维、新理念,以智慧化的实验室综合管理系统、实验室高清视频示教系统、电源控制系统、多媒体演示系统、物联网管控系统等为核心应用,集教学管理、开放管理、设备管理、项目管理等于一体,旨在促进实验室管理手段的革新和教学质量的提升。

( 一)实验室综合管理系统

作为实验室规范化、信息化建设的核心部分,实验室综合管理系统承载了实验教学管理、实验室开放管理、仪器设备管理、低值品与耗材管理、项目与采购管理等软件模块的所有基础数据。

1.实验室教学管理

实验室教学管理主要涵盖实验室排(调)课、实验成绩、人员考勤、课时统计等方面。重点利用好智能化排课系统,管理人员可以根据实验内容和教学仪器设备条件、可利用时间,按课程、教师、周次、节次、起始时间、实验人数安排实验室,做出具体安排后形成实验室课表,并发放给任课老师、实验室管理员、学生。而教学管理系统可以与门禁管理系统结合,通过与校园一卡通对接,读取一卡通系统的师生信息,实现教学实验分批分组智能安排、考勤签到、实验过程跟踪监控及实验上课信息汇总统计等。

2.实验室开放管理

实验室开放管理以学生为主体,以实验室资源为核心,在时间、空间上对师生开放使用,授课时间由教师和学生按照自己的课余时间自主选定。这种开放管理为师生提供了更多的实验时间和更优越的实验条件,打破了传统集中实验教学模式,发挥了师生主体性,提高了教学活力。

实验室开放管理支持实验室开放、大型仪器开放、实验项目开放、自主训练开放等多种模式,涵盖预约前管理、预约管理、实验过程管理、实验后管理全生命周期的业务流程,并启用安全准入、培训管理、信誉积分等三大保障机制,确保实验室开放后各业务流程稳定、有序、安全地运行。具体操作如下:公示实验室资源、开放时间段、预约信息、规章制度及安全准入考核、培训学习考核等内容。预约前进行安全准入和培训检测,并需要完成预习内容和通过测试才可提交当次预约。预约管理遵循先约先使用的原则,预约后需要审批,最后公开实验室预约状态。实验过程管理需要进行人员身份认证、出入信息采集,保证所有出入实验室人员都是被授权的。管理人员可以实时监测仪器运行状态、当前使用人员、当前预约状态,进行仪器电源管控和对视频实时动态进行监控。实验后管理人员根据使用状况,会给使用人员一定的信誉积分。实验室管理人员可以出入查询仪器使用信息、查看实验室监控等。

3.仪器设备管理

仪器设备管理信息包括各类仪器设备的名称、图片、设备编号、型号、规格、数量、厂家、价值、经费来源等基础信息,以及样品规格、使用指南、实验环境及条件等开放信息。通过RFID物联网软硬件集成,利用 RFID 电子标签实时监控资产的使用、流动情况和自动化盘点,将资产入库、盘点、领用、变更、维修、调拨、清理等进行全生命周期精细化管理。综合管理平台上可以实时显示仪器设备的状态,如空闲中、实验中、维护中、故障、未启用等。后台详细记录从购买之日起仪器设备的使用状况,如使用频率、维修记录、耗材使用等信息,为日后的实验室建设及仪器设备采购提供数据信息 , 通过大数据分析可以帮助在设备申购、更新、维护等方面做出科学的决策。

4.低值品与耗材管理

基于物联网、RFID、高清图像采集、无线通信等技术实现低值品和耗材的智能化管理系统,实现对低值品与耗材的入库、出库、调拨、盘点、订单等功能操作,自动对出入库物资信息进行识别判断,图形化展示库存和出库信息。手持 RFID 设备或在系统中手动进行物资盘点,记录出入库、借还、报警、系统操作日志等信息,实现物资出入安全管理、智能环境监测管理、自动图像采集、声光报警等多种功能,从而对低值品与耗材做到可视化、信息化和智能化管理。

5.项目与采购管理

传统的项目申报和设备采购工作,纸质资料非常多,过程极为繁杂,不但影响了项目执行的效率,也增加了执行的难度,学校也难以监管到位。针对这样的情况,就需要充分利用云计算、大数据、电子商务等新技术,构建一站式服务的项目申报与设备采购平台,涵盖实验室及设备方面的项目申请、立项、采购申请、采购项目受理及采购方案制订及文件编制、公示公告发布、开评标情况记录、采购合同管理、外贸合同执行、采购项目动态以及后期的建账、报销等程序,以此提高实验室项目申请、项目执行、采购效率和管理水平,将教师从复杂的申请、申购、建账、报销程序中解放出来,更专心地投入教学和科研工作中。

(二)高清视频示教系统

实验现场条件特殊、操作空间窄、观摩人数受限,致使实验教学存在部分学生无法看清实验操作演示过程。高清视频示教系统通过前端配置的高清一体化摄像机记录实验过程,可以做到使每个学生都能清楚地看到现场操作情况。系统可以对实验室安全进行登记,并精细化记录实验室操作情况,主要有示范视频录制、同步直播、自主学习等功能。示范视频录制功能可以将教师的示范性操作进行实时多角度(特写视频、全景视频、课件视频)、多路视频进行录像,完整地记录示教过程,并作为教学录像上传到资源平台。同时,系统将多路高清画面在平台上进行同步直播,局域网及因特网用户均可接收观看。实验室配置有触控一体机,实时录制的实验可以通过触控一体机进行点播回看,用于自主教与学,亦可同步显示本地高清实验直播示范。在开放实验中,实时直播本地画面,同时将现场操作情景进行记录,学生可以回放操作过程,进行自我诊断。学生也可以自主拍摄练习视频上传,供教师进行评价或推荐给其他学生观摩。

交互系统为实验、见习、实习、实训等实践活动提供灵活的活动形式,能实现低成本、高频次、高效率的教学活动。交互系统分为两个部分:主讲端(示教室)和互动端(交互室)。主讲端是示范性讲解及远端画面。互动端是远程现场讲解及全景画面,通过图像和主动声音捕捉实现双方视频互动。示教室和交互室整个教学互动过程通过场景采集软件得以实时记录下来并发布到智慧实验室平台形成优质教学实验示教资源。

(三)实验室硬件管理平台

1.多媒体演示系统

在这个信息技术发达的时代,多媒体演示系统作为现代化教学的一种表现手段,成为建设智慧实验室必不可少的实验教学工具。它由中央控制系统、计算机、触控一体机、投影设备、投影幕、数字视频展示台、音响设备等组成。运用 TCP/IP 协议,中央控制系统集中控制多媒体设备终端,利用配套网络管理平台可以实现对中控外联多媒体设备的远程控制,具备设备的一键开启或关闭、投影机输入信号的切换、幕布的升降、设备远程监测(开启状态、被盗报警、灯泡的使用时间、异常提醒等)功能,实现了对实验室多媒体教学设备的集中化、网络化、智能化管理和控制,可以快速准确地掌握多媒体设备使用情况,及时发现故障和隐患,真正做到动态、智能化地管理和维护,提高管理效率。

2.智能电源控制系统

智能电源控制系统通过管理平台可进行电源的集中控制与管理。时序电源开启,避免设备同时通电造成瞬间的大电流冲击,监测每一路电源的通断状态、电压、电流,随时随地掌握设备所处的用电环境,保证设备安全稳定运行;主辅双电源模块,当电源模块发生故障时,自动切换到备用电源模块,保证前端设备供电不间断,保证设备的安全、稳定、可靠运行;电路能耗分析可以全面掌握各个用电设备的能耗情况,让电力应用更加节能环保。

3.实验设备中央控制系统

实验设备中央控制系统提供通用和专用的接口协议,与实验设备、网络交换机、服务器等进行网络连接,接收并存储其下发的控制策略,记录实验设备使用信息(开启时间、关闭时间、使用人员、所在院系等),存储本地操作记录、实验数据,并上传服务器存储于个人空间,构建统一共享的数据系统。

4.实验室综合物联网管理系统

实验室综合物联网管理系统主要使用传感技术、射频识别技术、互联网技术、智能技术,涵盖门禁系统、消防系统、安全监控、IP 对讲系统、各类传感器系统等。通过门禁系统可实现开放式预约管理,有效地进行学生身份识别和出入口安全管理,并且记录所有出入人、物的详细情况。配合各实验室视频采集设备,通过科学、高效的管理手段 , 构建行之有效的实验室安全管理监控防范体系 , 安全层层落实 , 责任到人 , 提升实验室安全系数。IP对讲系统可分通道进行广播对讲,同时可对教室内的声音进行收听,了解教室内的声音情况,配合视频全方位一体监控。可通过对讲设备和实验室指导教师进行远程对讲,向实验室中心寻求实验指导和帮助。传感器对室内的温湿度、照明、消防系统、漏水、漏油、空调、新风机、空气质量等进行实时监测,一旦实验室的环境条件如温度、湿度、照明度、空气净化度等出现异常,中央处理系统便会在第一时间自动发出指令,系统进行多重报警,如语音报警、短信报警、E-mail 报警,并通过控制安置在实验室中的各种智能开关,解决一切的安全隐患问题。

智慧实验室,在实践工作中能够提高实验室的教学管理水平,提高教学设备利用率,减轻实验室管理人员工作负担,为广大师生提供教学实验、科研创新、自主创新等自由灵活的实验基地,为高技能人才培养提供强有力的支持保障,彻底改变了以往实验室粗放的管理模式。但智慧实验室建设是一项长期的艰巨而复杂的工程,学校一定要建立明确完整的项目组织机构,明确人员职责,使各部门相关人员能够在职责的激励下积极地参与项目的实施。同时,要建立完善的运行保障机制,包括配套的管理规范、流程和措施等,确保系统使用价值的实现。此外,要建立多层次、分类别、多形式、重实效的信息化人才培养、考核、评估制度,提升实验室信息技术岗位人员知识和技能,以适应信息技术发展变化的要求。

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