智能化自主实验平台综合运行管理系统的探索

孙 群

(四川大学 实验室及设备管理处, 四川 成都 610065)

随着信息化、大数据时代的到来,服务于信息化的高新技术为高校信息化建设提供了强有力的支撑,同时,也为智能化管理技术应用提供了可行性[1]。在国家“双一流”“双创”建设工作的推动下,我校作为全国首批国家级“双创”示范建设单位,在2016年已正式启动了大学生“双创”智能化自主实验平台的建设,是我校国家级“双创”示范基地建设的重点工程之一,并获得教育部1.15亿元的经费投入,同时我校相关学院同步配套1亿元资金,实施建设。根据学校领导的指示,一定要以高端化、国际化为目标,按照先进性、专业性、创意性、探索性相结合的建设理念,逐步形成有课程、有能力、有平台的系统化“双创”体系。在此基础上,就智能化实验室运行综合管理服务平台(以下简称“管理服务平台”)的功能构架、模块、预期实现的功能目标及建设的意义,进行初步的探索和研究。

1 目前高校实验室存在的共性问题

1.1 学生自主性、创新性学习的氛围和条件不够

目前大多数高校实行学生网上选课,但实验项目的选择是按照课程规定的项目去做,学生没有自主性学习的氛围和条件,不能根据自己的想法设计实验、发挥其想象力、自主选择实验项目,学生的创新思维在一定的程度上受到了限制,不利于培养学生的创新意识和创新能力[2-3]。

1.2 实验教学资源共享化程度不高

当前实验室购置仪器设备时,很少从学校层面进行顶层设计、统筹考虑和资源共享,存在各自为政、重复购置的现象。学生进行综合性、设计型、创新型实验所需的仪器设备,其新功能开发以及原有功能的深度开发还不到位,存在一些实验仪器设备较长时间的闲置,未能真正实现实验资源开放共享的目的,造成实验资源浪费[4-5]。

1.3 实验室管理信息化程度不高

一些实验室的管理模式依然靠人工完成信息数据采集、报送,存在人为影响因素较多、随意性较强。实验设备和低耗品统计工作量大、实验室档案资料管理相对落后,基于以上高校实验室普遍存在问题,尽快提升实验室管理理念和管理水平,实现实验室管理智能化是非常重要的一项工作[6-9]。

2 管理服务平台应用目标

以智能化技术为手段,通过我校实验室管理的规范化、统一化,不断优化实验室教学、管理流程和效能,提高实验室的使用效率、教学质量及服务管理水平,为实验室评估、“双创”建设及实验教学质量等管理和科学决策提供数据支持,并为实验室对外开放提供有力支撑和保障,实现教学个性化、实验开放化、管理统一化、服务智能化、决策科学化的建设目标。具体包括:

(1) 实现打破学校部门之间、部门内部的实验教学相关的信息壁垒、联通信息孤岛,实现全校范围内实验教学相关业务的统一管理、信息共享和整体提升业务运行效率；

(2) 实现对全校各学科“双创”实验中心(包含将来申请审批的)的智能实验室的统一管理,同时实现对全校所有普通实验室的统一管理；

(3) 实现全校各学科“双创”实验平台的全天候、全社会开放,并提供智能化的实验教学空间服务；

(4) 实现全校各学科“双创”实验平台的创新创业资源与社会创新创业的对接与共享,并提供学生创客空间服务；

(5) 形成全国首创的可复制,并实践检验的大学生“双创”智能化自主实验平台的运行管理机制。

3 管理服务平台应用架构

3.1 平台应用总体架构

管理服务平台应具有智能化、集成化、数据价值化等特点,以服务为平台价值核心,对不同类型的实验室进行安全、有效、智能、方便的管理。

图1 管理服务平台应用总体架构

3.2 集成化

经过多年的建设,我校已经建成了一批实验室管理信息化系统,如实验室与设备综合管理平台、实验室安全与环保管理系统、大型设备共享-VEMC等,并在一定程度上实现了与学校教务、人事系统的对接。但是,由于建设先后不一、技术架构不统一、业务流程未打通、实验室地点分散等原因,当前的实验室管理存在诸多信息孤岛,亟待进行数据融合及流程梳理、整合,以提升实验室管理效率。

本项目以数据总线技术为基础,以云计算平台架构为支撑,以大数据技术及架构为核心,将实验室的人、财、物信息进行整合；将教师、学生的实验课程、项目、学时、学分、工作量及其他实验相关信息整合；将大型仪器采购、建账、管理、报废的全生命周期管理通道打通；实现实验资产、实验运行的“一个数据中心”。具体体现在:

(1) 打破业务系统边界,实现数据的穿透查询统计,实现学院、实验室、实验仪器设备、教师、学生等对象的信息全面整合及多维度分析。

(2) 通过系统集成和数据融合优化现有的业务工作流程,建立规范的实验室数据资源融合及共享标准规范,统一对外发布和提供服务。

(3) 通过信息规划技术和手段,对系统中的所有对象进行抽象和模型化处理,统一以数据的形式进行规划和管理,实现数据和业务的深度融合。

(4) 通过深度的集成,使所有系统、数据及业务实现真正意义上的统一,不再有信息孤岛和业务孤立点,实现网状管理和数据流闭环。

3.3 智能化

我校实验室管理的信息采集手段比较单一,信息获取的动态化程度不高,实验教学未能实现教师与学生的远程互动,没有充分发挥新技术的优势,实验室安全保障的覆盖还不够广、管理手段的创新不足,实验室综合管理的应用深度不够,特别是一些数据统计和上报的工作,还需要人工进行比对审核,给实验室管理人员带来了很大的工作量。随着网络技术、智能感知技术、生物识别技术、三维仿真技术等的发展,实验室的智能化建设还有很大的提升空间。

该平台运用视频、红外、剂量、人脸识别等多种传感器,配合门禁、自动通断电等设施,实现实验室智能安防；运用移动互联网技术、三维仿真技术等,提高实验教学的便捷性,创新实验教学手段；完成对已有系统的集成和功能升级,实现实验室综合管理的智能。

3.4 大数据应用

从我校实验室建设的整体情况来看,实验室类型众多,承载学科众多,实验需求多样,实验参与者广泛,在此之上将产生大量、高速、多样的数据,需要进行有效的采集和管理,以及更科学的洞察。

管理服务平台利用大数据、云计算技术,搭建起实验室管理资源池,将基础设施、数据、模型、软件、服务等提供给学生和教师。在此基础上,进行实验数据评估和数据挖掘,为教师、管理人员提供决策支持。此外,基于地理信息系统、三维仿真系统、多种图表引擎等实现数据的可视化。

3.5 面向校内外服务

现代化的高校实验室不仅仅是满足于学校内部的教学需要,还应当作为一种优质资源面向社会开放,同时为大学生创新、创业提供条件保障。在校大学生往往存在有创意、有技术,但是缺资金、缺支撑平台的情况。传统的实验室管理、实验资源服务方式由于信息发布面窄、管理手段缺失、操作流程繁琐、推广机制滞后等原因,难以有效地吸引和促进大学生的创新创业活动。

管理服务平台以服务为核心理念,在方便灵活的实验平台上提供 “双创”环境。让创新创业的试错成本低、进入门槛低,效果体现快,学生参与率高,让教师可快速、便捷地响应学生需求,提高“双创”资源的利用率,促进学校的便捷管理。

4 管理服务平台功能

4.1 实验教学智能化管理

(1) 实验教学管理:本模块功能包括实验教学课程与项目管理、教学排课、工作量统计等。技术要求为:与教务系统进行对接,实现相关教学信息的导入；教师可按课程、项目、实验设备等进行排课,针对实验人数多而实验工位及资源不足的情况,系统具有提供分批与分次的排课功能；此外教师可为课程/项目设置教学内容、确定仪器设备、登记耗材等,上传预习资料及学习资料,提交学院实验室管理员审核以及自动统计相关人员的实验教学工作量。

(2) 实验资源开放设置:实验管理员、实验指导教师可以在本平台上设置实验室资源、仪器设备开放时间段、排课预约信息、教学课件、教学成果、规章制度、仪器设备使用收费标准、实验报告模板等,并实时进行发布。

(3) 可视化环境下实现实验及实验设备预约:学生在可视化背景下,实现在网上进行实验项目及所需设备的预约,填写实验目的、内容、操作流程、预约教室、时间、使用时长等,选择所需仪器设备、化学品、耗材等,提交指导教师进行审核。

(4) 实验预约审核:教师和实验室管理员对申请与科研、创新、创业相关的实验项目进行审核,为实验人员提出指导意见,安排安全准入考核、学科及操作准入考核。若实验预约被驳回,系统发送驳回原因,并通过短信通知该用户。

(5) 实验准入管理: 建立实验室安全准入制度,根据不同学科不同专业的特点,建立各学科、各专业的实验室安全课程体系,提高学生的安全意识,帮助学生掌握安全技能、明确安全责任,在校园营造安全文化的氛围,从根本上杜绝或减少安全隐患,最大限度地保障师生的人身安全和国有资产安全[10-11],建立一个安全、文明的绿色校园。

(6) 实验远程指导: 教师和管理员能够通过手机、电脑等对基础学科实验、创新实验、创业实验等的进程进行实时监控和管理,与学生实现在线互动 。

4.2 实验室综合信息全方位管理

实现在对已有的系统进行集成和数据融合的基础上升级完善,保障全校实验教学的流程化管理、实验室及仪器设备开放的过程化管理,对实验室实现全业务、全空间的智能化管理。

(1) 实验室基本信息管理:包括实验室(中心)建制管理、用房管理；仪器设备信息管理,仪器设备的购置申请、审批、采购、合同及验收等；建账功能能够实现仪器设备信息的登记、状态改变、维修、报失、调剂等；通过接入智能型PDU插座实现对实验仪器设备信息的远程管理；还包括实验室承担的实验课程和项目、实验人员信息、岗位日志、培训情况及科研成果、实验室成果管理(如成果鉴定、论文/论著、获奖、专利等),并实现灵活的查询、统计及分析等。

(2) 实验室数据上报管理和信息发布:包括实验室所需的日常管理数据报表及上报学校的数据报表。满足校院不同层次的信息统计查询、统计报表、各类图表及数据导出等以及需要实现各类数据的上报功能。对实验室新闻发布、实验室工作动态、实验室公告与通知等信息实施动态发布。

(3) 对实验室环境、人员进行智能化监控:在实验室安装门禁、一卡通以及人脸识别、摄像头结合的方式, 对进入实验室的人员进行人脸识别,防止冒用他人一卡通进入实验室进行违规活动；实验室进出人员流量监测,实时监控进出实验室的人数,并形成汇总、统计数据；在实验室进行无死角视频监控,将摄像头与实验操作台关联,当查找某一操作台的监控画面时,能够自动为用户提供一个或数个监控摄像画面；对实验室进行烟雾探测、温湿度监测、危险气体监测、空调防漏水监测等,发生警情时自动报警,可以发送短信到管理员和教师的手机,能够根据系统预设的应急规则进行自动断电、关门等处置。

4.3 智能化创新创业服务

实验室全方位开放,为大学生智能化创新、创业提供智能化服务。

(1) 创新创业指导队伍管理:为加速科技成果转化,构建大学生创业支持体系,智能化管理系统应能将企业、社会机构等优秀人才资源纳入创业指导老师的范畴并具有推荐和实时更新功能,让大学生能直接对接行业、产业的需求。

(2) 创新、创业项目管理:可在系统中进行创新、创业项目申报,系统记录申报人、申报时间、相关负责人等信息,同时系统可对项目进行自动管理,关键节点的提醒等。

5 管理服务平台实现的意义

管理服务平台实现了建设理念和技术手段创新,以“先进性”“专业性”“创意性”和双一流为建设理念,以物联网、互联网+、智能传感与控制、生物识别、大数据分析与挖掘、三维可视化仿真等国际一流、国内领先的信息技术为手段,具有完备数字化学习条件和虚拟实验环境,融合了创新教育理念、先进科学技术、心理学、传播学、人体工学以及空间构建理论,注重高度的交互性、开放性、启发型和自然、灵活、安全、高效的人性化设计,建成以学生为主体,激发开放式、启发式学习兴趣,高度互动、虚实结合、过程可视的全天候智能化自主实验平台综合运行管理系统,使之成为我校大学生创新创业教育实践平台,为学生创新创业提供坚实的实验条件保障。对于实验管理人员,包括实验教师和实验技术人员提出了更高的要求,必须要不断加强学习提升个人素质和业务能力,以适应新时代的要求,进一步推动实验管理人员队伍建设和发展。

6 结语

创新是一个民族进步的灵魂,是国家兴旺发达的不竭动力。智能化实验自主平台的建立运行,是实验教学和实验室管理手段的变革和创新。对于提高实验教学质量和实验室管理水平,以培养大学生实践创新能力为目标,构建并依托智能化实验平台,造就适应经济社会发展和国家战略需求的本科创新人才[12-13],具有深远的现实意义和社会意义。

致谢：四川大智胜软件股份有限公司提供的帮助与支持。

参考文献(References)

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