高校实验室的自动化、信息化、开放式管理系统研究与实践

施燕琴, 杨晋涛, 蒋梅燕, 陈静怡, 王 旭

(浙江工业大学 材料科学与工程学院，杭州 310014)

高校实验室的自动化、信息化、开放式管理系统研究与实践

施燕琴, 杨晋涛, 蒋梅燕, 陈静怡, 王 旭

(浙江工业大学 材料科学与工程学院，杭州 310014)

在目前高校实验室仪器设备数量不断增加，管理人员欠缺的背景下，根据多年仪器设备及实验室管理经验，利用现代网络技术，设计了一套面向师生开放的实验室自动化、信息化、开放式管理系统，并在本校实验室中实施。实施结果表明，该套系统不仅能够缓解高校实验室管理人员欠缺的问题，同时对保证仪器设备的正常操作使用，提高仪器设备的使用率，保障仪器设备的完好率具有重大的推动作用。该系统的开放式管理培养了学生的动手能力，提高了仪器操作水平和操作能力，强化了理论知识的理解，为培养高素质的优秀高校毕业生奠定了坚实的基础。

实验室管理系统； 自动化； 信息化； 网络技术； 仪器设备管理

0 引 言

高校的高等教育主要目的是培养知识面广、动手能力强、创新能力强的优秀人才，为社会发展做贡献。不管是教学还是科研，其培养的人才都是专业性较强的人才，其主要特征在于具有较强的动手能力、创新能力和解决问题的能力。特别是工科学生，动手能力的培养在整个高等教育中占据了重要地位。学生专业基础知识的夯实，创新能力的发挥，需要通过动手操作来体现。因此，动手能力的培养是工科学生其他能力发展的基石。而高校实验室是培养学生动手能力的主要场所，承担了基础实验、专业实验等实验教学外，主要为高校的科学研究服务，为培养优秀的研究型人才服务[1]。因此，高校实验室是培养动手能力强、创新能力强的优秀研究型人才的摇篮[2]。

在高校实验室中，仪器设备是实验室的支柱[3,4]。不管是教学实验室、科研实验室，都需要仪器设备来支撑，需要通过仪器设备来制备样品、测试样品性能等。因此，如何管理好高校实验室的仪器设备是实验室价值体现的基础[5]。要管理好高校实验室，首先必须了解目前实验室存在的问题，进而根据问题有针对性的进行改革。

随着国家对高校教育和研究型人才培养的重视，对高校教学和科研的资金投入大幅增加，其中较大一部分用于购置教学和科研设备[6]。因此，高校实验室仪器设备种类和数量急剧增加。而实验室管理教师队伍受到编制等的影响，不能随设备的增加而增加，故管理队伍不能跟上仪器设备的急剧增长，成为了实验室仪器设备管理的一个瓶颈所在。

1 自动化、信息化、开放式管理的必要性

目前，实验室管理主要通过人员管理，实验室管理教师实行坐班制。上班期间，学生可以前往实验室进行实验，教师主要工作为维持实验秩序、登记记录、维护设备、解决实验过程中出现的问题、培训学生如何使用、对外服务等，其工作较为繁琐和复杂。由于实验室设备众多，导致了实验室管理人员欠缺。

很多学者对实验室仪器设备的管理进行了研究和改革，提出了很多改革方案。其中较多的研究提及了利用现代网络技术进一步提高实验室管理水平[7-9]，例如实验室信息化管理[3,10]，实验室管理系统的设计[11]，智能实验室管理系统[12]，开放式实验室管理系统[13,14]等。

在综合上述研究基础上，根据多年实验室管理经验，利用现代网络技术构建了一套实验室管理系统，并在材料学院实验中心实施，效果显著。此套管理系统包含了自动化、信息化、开放式3个模块。自动化是指系统自动安排实验顺序、自动给予门禁权限、自动记录测试时间、自动计算测试费用等。信息化是指实验室仪器设备信息化、培训、预约、测试记录、测试费用信息化等。开放式是指经严格培训授权后，学生自行上机操作，且不受实验室教师上班时间的限制，可全天候使用仪器设备。

通过上述实验室自动化、信息化、开放式管理系统的使用，可减少教师安排实验、计算测试费用、回答仪器设备咨询等琐碎工作，转而将精力全部用于仪器培训、仪器维护、仪器功能开发、对外服务等需要脑力劳动的环节，充分发挥实验教师的专业才能。同时，开放式的管理，学生可自行操作设备，自主预约实验时间，不仅锻炼了学生的动手能力和创新能力，而且掌握了一门技能，使其对科学研究有了更加详细、深入的认识。且开放式管理的无时间限制有利于发挥仪器的最大潜能，提高仪器设备的利用率。

2 构建自动化、信息化、开放式实验室管理系统

针对实验室教师人员欠缺，仪器设备数量增长的现状，以提高实验设备在人才培养、科学研究领域作用的发挥为前提，以服务广大师生为宗旨，开发了一套自动化、信息化、开放式仪器设备管理系统，包括注册系统、培训系统、预约使用系统、收费系统、数据传输系统、辅助系统等。

2.1注册系统

所有仪器设备使用人员必须注册，提交姓名、学号、联系电话、邮箱、导师等信息，为后续仪器设备培训、预约和收费建立基础数据。

学生提交注册信息后，需要经过实验室公共基础知识考试，相当于实验室的准入考试，主要涉及实验室的一些基础常识。考试试题为题库中随机抽取，考试成绩需要达到一定分数方可通过。考试次数不限，但每次考试试题不一致。通过实验室准入考试，强化了学生的安全常识，降低实验室安全事故发生概率。

学生考试合格后，经导师审核和系统管理员审核通过后，即可完成注册。

2.2培训系统

由于仪器设备的高、精、尖特性，使很多仪器设备的操作步骤较多，且操作水平要求较高，不可随意操作，亦不可更改操作步骤。因此，对仪器设备操作人员的严格培训是十分必要的[15-16]。通过仪器设备的培训，使操作人员熟悉仪器设备工作原理，操作方法及其注意事项，防止人为操作失误造成仪器设备的损坏，减少错误测试结果的产生，甚至人身伤害事故的发生，有利于提高仪器设备的测试准确度，提高仪器设备使用寿命，以及减少仪器设备和人员伤害事故的发生。

培训系统流程见图1。

图1 培训系统流程图

培训项目信息由仪器管理教师在系统中发布，学生登录系统后即可看到目前可参加的培训项目及其培训时间和地点，实现了系统的信息化功能。学生选择培训项目后，通过观看视频了解仪器设备构造、工作原理和操作步骤等基础知识，并通过仪器设备专项知识考试进一步强化对仪器设备知识了解。该专项考试要求学生全部答对所有仪器设备知识，但不限答题次数，目的在于强化学生对仪器设备知识的了解，为后续培训奠定基础。学生报名成功后，生成培训报名信息，学生账户、仪器管理员均可看到培训报名信息。

学生根据预定的培训时间和培训地点进行实地培训。通过仪器管理员结合仪器设备现场讲解仪器构造、仪器工作原理，操作方法等，进一步强化对仪器设备的认知和了解。仪器管理员通过操作演示、操作讲解、注意事项强调后，学生在管理员监督下进行现场操作并回答相关问题，管理员对学生操作和学生回答进行评估，给予通过或不通过的培训结论。若学生通过培训，管理员在系统中点击通过，该学生就自动获得预约该仪器设备的权限。

2.3预约使用系统

学生获得预约权限后，即可进入仪器设备预约系统，仪器设备预约流程见图2。

图2 仪器设备预约流程图

预约系统具有自动检索已有预约时间功能，具有重复时间段的预约均不能提交，且可查看该设备的已有预约时间段，进而调整自己的预约时间。导师审核为确认该学生进行某项测试或试验，保证了教师可以掌握学生对实验进程的安排，并对其实验进行指导。管理员根据样品信息和测试条件进行审核，判断该样品是否可在该设备上进行测试，或测试条件是否合适，有无超出仪器测试条件限制等。

完成预约后，预约人可在预约时间段内前往仪器所在测试房间进行测试。所有房间均采用门禁系统进行控制，即预约人可在预约时间段内用自己的校园卡打开所在仪器房间的门禁，进入实验室进行测试操作。在预约时间段内可多次开启门禁，但未在预约时间段内，预约人校园卡即无法开启实验室门禁。

当预约人进入实验室后，仪器设备均安装有电源控制系统，预约人登录系统后，点击开始按钮，电源控制器即给测试设备或相应的控制电脑供电，系统自动记录实际测试开始时间。预约人完成测试后，需要点击完成按钮，确认结束时间，并填写实际测试样品数。

通过预约使用系统，只有通过培训的人员方可预约使用培训过的设备，保证了仪器设备的正确操作，防止仪器设备的人为操作损伤和人员伤害事故。同时对每台仪器设备的使用时间进行了有序自动化管理，使用人登录系统即可掌握某设备的已预约时间，实现了已预约时间的信息化，进而根据自己的时间表预约设备进行实验。该预约使用系统的门禁设备，开放了仪器设备的使用时间，一周7 d 24 h均可预约使用，大大增加了设备的服务机时，提高了设备的使用率，使设备尽可能的发挥最大的作用。仪器设备电源控制系统则进一步提高了仪器设备使用机时的精确度，对仪器设备使用机时和费用的统计更加精准。且机时和费用统计实现了自动化，无需人工统计，即可上报各仪器设备使用机时和收费情况，大大减少人工投入，节约大量人力资源。

2.4数据传输系统

在实验室内部建立局域网，局域网拥有自己的服务器，所有数据通过服务器传达到各门禁控制器、电源控制器、监控系统。门禁控制器数据、电源控制器数据和监控系统数据也上传至服务器保存，避免了与外界网络交互产生数据的丢失或错误代码问题。

同时，为了避免系统设备受到外界病毒的感染，导致软件或硬件无法运行，在内部服务器上建立FTP系统。每台设备测试数据直接上传到FTP上，然后内部服务器将这些数据同步到外部服务器，测试人员直接到外部服务器中的FTP下载测试数据。

2.5收费系统

系统根据实际使用时间或实际测试样品数和系统中设定的仪器设备单价，计算某个预约使用所产生的费用，该费用经管理员确认后，即可在系统中显示。测试费用信息在预约人、导师和管理员账号中均可见，实现了收费制度的透明化和信息化，防止了因仪器设备收费而产生纠纷。在方便仪器管理员机时和费用统计的同时，也方便了教师对测试费用的查询。

收费系统实现了各仪器设备收费的自动化，且自动计算费用综合，减少了实验室管理员的人工投入，极大的缓解了实验室人员紧张问题。

2.6其他辅助系统

其他辅助系统主要包括了人员管理系统、仪器管理系统、门禁管理系统、视频管理系统等。

人员管理系统对注册人员信息进行汇总，可随时查看注册教师和学生信息，并对具有重大操作失误的预约人进行黑名单管理。

仪器管理系统是对现有仪器设备信息的汇总，包括了型号、生产厂家、配件、仪器参数等信息。仪器设备信息可查询，实现了信息自动化，并对仪器设备是否处于正常状态进行设置，如正常即可预约，如不正常即不可预约。门禁管理系统对每个门禁的有效校园卡进行实时更新，保证了新预约可在预约时间段内开启相应实验室门禁。

视频管理系统是指在每个实验室房间安装摄像头，对学生的实验操作过程进行录像，在仪器设备出现问题时，可通过录像查找原因，判断是否因某些操作引起，进而有针对性地、快速地解决问题，防止仪器进一步损伤。

3 自动化、信息化、开放式管理成效

通过实验室自动化、信息化、开放式管理系统的实施，实现了仪器信息、预约信息、培训信息在系统中的可查询。最重要的是通过上述系统，实现了仪器预约使用的自动化、信息化，减少了人工管理，扩大了仪器开放时间，提高仪器设备的利用率，更好地发挥仪器设备在教学、科研中的促进作用。上述系统减少了人工在仪器使用过程、实验室开门关门、费用统计、机时统计等方面的人工投入。在人员紧缺的环境下，将人力资源应用于仪器现场培训、对外服务、功能开发等需要智力的环节，实现了仪器设备的有序、良好管理，减少了仪器设备的故障几率，更好的维护了设备的正常使用，延长仪器设备使用寿命，最大程度的发挥仪器价值。同时，实验室的开放式管理，学生自行操作仪器设备，进一步培养了学生的动手能力和科学研究能力，强化了学生理论知识与实践的结合，为培养高素质人才奠定了坚实的基础。

4 结 语

结合本校实际情况，介绍了自动化、信息化、开放式管理系统的框架和流程，具有良好的可操作性，并在本校实施使用，使用效果良好，极大地解决了目前实验室人员紧缺的问题。且通过自动化、信息化、开放式实验室管理，方便了学生信息的查询、仪器设备的预约、费用的查询等操作。自主预约仪器设备使用时间，自行操作仪器设备，提高了学生实验安排的自主性，进一步培养了学生的动手实践能力，在保障仪器设备正确、有序使用前提下，发挥仪器的最大使用效率，减少实验室人员的人工投入。同时，为培养高素质的科学研究人员奠定了良好的基础。综上所述，实验室自动化、信息化、开放式管理系统能够解决实验室人员短缺问题，并在人才培养、仪器管理、科学研究等方面发挥重大推动作用。

[1] 张慧蓉, 张建伟, 薛华柏, 张兆沛, 刘会超. 高校中心实验室建设和管理的实践与探索[J].现代科学仪器, 2010(2): 193-195.

[2] 左铁镛. 高等学校实验室建设的作用与思考[J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(4): 1-5.

[3] 高凤新,卢士香. 高校实验室仪器设备管理和使用的信息化建设[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(5): 272-274,282.

[4] 王 森，余建潮，汪进前，等. 基于全程管理模式的大型仪器设备管理研究与实践[J]. 实验技术与管理, 2012, 29(1): 198-201.

[5] 郑合勋, 魏高明. 实施专管共用 提高大型仪器使用率[J].实验室研究与探索, 2001, 20(2):67-68.

[6] 吴晓晨, 胡 宁, 虞春生, 侯文强. 建设大型科学仪器实验平台,促进大型仪器开放共用,提高大型仪器利用率[J]. 实验室科学, 2004(4):4-5.

[7] 卢慧芬,俞 强. 开放性实验室信息管理系统的设计与实现[J]. 实验室研究与探索, 2005, 24(8):46-49.

[8] 蒋永平,徐 杜,吴黎明,等. 基于Web的“双主结构”开放式实验室综合信息管理系统的设计与实现[J]. 实验技术与管理, 2008, 25(12):111-113.

[9] 梁志明, 李 磊, 梁仕文. 基于ZigBee技术的大型仪器设备管理系统[J]. 实验技术与管理, 2011, 28(12): 100-103, 115.

[10] 盛苏英，堵 俊，吴 晓. 高校实验室信息化管理的研究与实践[J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(12): 184-187.

[11] 刘淑云, 李继才. 高校仪器设备管理信息系统的设计与实现[J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(1): 164-167.

[12] 吴文华, 杨 庆, 沈新元, 等. 智能实验室管理系统下的实验室开放管理 [J]. 实验技术与管理, 2011, 28(2): 172-176.

[13] 陈红叶. 开放实验室信息管理系统的设计与实现[J].实验室研究和探索, 2011, 30(6): 185-187.

[14] 许又泉, 李仁发, 苏立珍. 基于WEB的开放式实验室管理系统的设计与实现[J]. 实验室研究与探索, 2007, 26(3): 64-66,92.

[15] 程敬丽, 楼建晴. 美国大学大型仪器设备共享的管理与启示[J]. 实验室研究与探索, 2013, 32(2): 168-170,199.

[16] 段祖安, 林全业.高校研究型实验室仪器设备科学管理的实践与探讨[J].中国现代教育装备, 2011(7):51-53.

·名人名言·

知识是珍宝，但实践是得到它的钥匙。

——托马斯·富勒

ResearchandImplementationofAutomatic,InformationalandOpenManagementSystemforUniversityLaboratories

SHIYanqin,YANGJintao,JIANGMeiyan,CHENJingyi,WANGXu

(College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Under the background that the number of large-scale equipment increases but laboratory personnel do not increase, an auto matic, information a land open management system was designed according to the authors’ experience and modern network technology, and carried out inlaboratories of College of Materials Science and Engineering. In this paper, the content, function and the operational result are introduced indetail. The application results showed that the automatic, informational and openmanagement system could solve the problem of laboratory worker shortage. It alsohad the ability to ensure the proper operation, enhance the utilization rate and coefficient of availability of the instruments. The operation alability, the level and ability for operating instruments and the under standing of the theory know ledge of the students were also enhanced by using the laboratory management system, hence, it is benefit tocultivate out standing students.

laboratory management system; automation; informatization; network technology; equipment management

G 642.0

A

1006-7167(2017)09-0236-04

2016-12-22

施燕琴(1983-),女，浙江嘉兴人，硕士，实验师，研究方向: 实验室管理，高分子材料改性、加工研究。Tel.: 0571-88320392； E-mail: shiyanqin@zjut.edu.cn

王 旭(1966-)，男，浙江东阳，博士，教授，执行院长，研究方向: 聚合物材料合成、加工、改性研究。Tel.: 0571-88320855；E-mail: wangxu@zjut.edu.cn