新工科视域下高校实验室信息化建设与管理探析

盘茂杰 吴启超

关键词：信息化；新工科；互联网+

在新工科专业建设的背景下，在网络信息技术快速发展的时代中，信息化已成为世界各国的战略重点和优先发展的动力，成为社会发展的新生产力，推动着人类社会不断进步。高校是为国家培养人才的坚实基地，是知识创新的重要源泉，是为社会注入新活力的孵化场所[1]。实验室作为高校实验教学的主要阵地，实验室信息化建设与管理水平的高低直接影响到高校人才培养质量的优劣。为了更好地服务于新工科专业人才的培育，彻底贯彻高校服务社会的宗旨，目前所有高校都十分重视实验室的发展建设，大力推进“智慧实验室”建设，提高实验室信息化程度。但是，怎样提高实验室的信息化程度已成为各大高校所面临的迫切问题。

1 高校实验室信息化现状

1.1 实验室资源配置紧张

在新工科专业建设的大背景下，近年来绝大部分课程的教学模式慢慢朝着理论与实践相结合的方式转变。对于计算机编程实操的依赖程度也逐年提升，导致相关计算机实验室的排课率居高不下，造成实验室资源配置紧张。在实验室经费分配有限的情况下，新实验室的建设进度跟不上实际的需求，部分旧实验室的计算机设备也得不到及时更新，这不仅加速了设备性能的下降，也极大地增加了后续维护的难度[2]。在实际操作的过程中，由于硬件存在性能瓶颈，无法较好地适配某些教学软件，极易出现卡顿、宕机，影响日常教学、课程实验以及实训工作的正常开展，进一步使得实验室资源的分配捉襟见肘。

1.2 实验室信息化程度不高

随着高校本身的不断发展，传统管理模式已经很难满足实验室的实际需求。在传统管理模式下，实验室信息化程度不高，在记录设备使用情况和设备维护情况等相关事务上都会产生很多纸质材料。这不仅耗费大量的人力和物力，而且管理效率低下，长此以往不利于数据的统计、分析和保存。除此之外，另一个比较突出的问题是缺乏便捷的数据共享方式，使得管理人员难以实时掌握实验室的具体情况，导致实验室设备的使用状况不够清晰，不利于实验室资源的有效分配，容易导致设备空闲下来，设施利用率低，造成资源的浪费[3]。

1.3 实验教学方式单一

在高等教育的实验教学中，各高校各学科基本按照教学大纲以及培养方案的要求，选择最为经典成熟的实验项目进行实验教学。但由于上课时间以及实验条件的限制，线下课堂中每个学生所能掌握的实验项目和实验方法十分有限。在激发学生学习兴趣以及培养学生动手能力上，目前的实验課程设计也还存在较大的不足[4]。不仅如此，由于不同学生对实验的理解、掌握程度不同，仅仅依靠课堂上的教学难以让每名学生能够准确把握实验的设计思想以及每个步骤的详细作用。在日常教学中，大部分学生只是“照葫芦画瓢”，在老师的指导下完成课程设置的实验，难以培养学生的动手能力和创新能力。

2 高校实验室信息化建设的必要性

2.1 有利于提高实验室建设水平，保证教学质量

通过在高校实验室中广泛使用多种信息技术手段，可以充分地将相关的信息资源进行调度整合。不仅有助于共享信息平台的搭建，而且有助于多层次多空间数据的管理统计，实现不同实验室、不同平台之间的数据信息共享，进而提高实验室信息共享能力和信息传递速度，减少了实验室信息互通上所存在的壁垒，有效促进实验室管理向着高信息化、高智能化的道路迈进，更好地服务于学校日常教学工作以及科研需求[5]。

此外，在对实验室相关数据进行收集、统计和管理的过程中，可以较为有效地实现资源的高效共享和有效调度，更为灵活地对各类事务及时进行处理，达到信息化管理的目的。不仅方便快捷、高效自动，提高了实验室信息化水平，而且从另一方面来说也保证了实验教学的顺利开展实施，在教学质量上有了更好的保障。

2.2 有利于整合实验资源，提高资源利用率

对于高校实验室来说，在整个信息化建设过程中，如何防止资源浪费和设备闲置，关系到实验室信息化建设能否取得成功。高校实验室信息化建设，不仅关系到大量实验器材，还涉及相关的老师和学生。通过实验室信息化建设可以显著地提高实验室管理水平，解决传统管理模式下存在的资源分配不均和资源共享不便等问题。

在通过信息化平台对实验室设备进行管理时，还可以进一步加强实验资源的整合、优化和共享，并在全校开放运行、共享使用，努力提高新增设备的利用率，建设全新的云架构实验室，给向更广大的受众开放奠定了基础。

2.3 有利于培养新工科人才

新工科领域人才培养体系和科技应用体系，是面向智能时代、聚焦高端产业的体系。通过创新发展产教融合和校企合作模式，推动新工科领域人才培养、科学建设、社会服务和应用示范的全方位发展，引领教育服务国家战略、融入区域发展、促进产业升级，为培养复合型高水平的新工科专业人才提供良好的环境。

具体到高校实验室信息化建设的过程中，在对实验室各层次信息资源进行分享的同时，还需要将不同空间下的实验室信息进行相互关联、通信，高度集成实验室的各种功能，破除了实验室资源在空间上的限制，更为有效地促进了科技创新，增强实验室服务教学和协助科研的能力，有利于提高对新工科专业人才的培养能力。

3 高校实验室信息化建设思路

首先，要从当前高校实验室的实际状况着手，对实验室各个信息基础设施加强建设，例如实验设备、实验室网络、线上实验平台等。借助“互联网+”现代化信息技术，并辅以新兴实用的管理方法，全面推动实验室信息化建设管理，早日完成实验室信息化建设目标。近年来由于高校规模不断扩大，实验设备与日俱增，强化实验室设备的信息化程度显得愈发重要。信息化建设不仅有利于提高对实验室设备的管理效率，也可以更好地掌握实验室设备的各种信息。在对其他高校实验室建设方案进行借鉴的时候，由于各高校实验室所承担的职能不尽相同，还需要结合实验室实际情况有选择地进行借鉴，合理地建设一个满足实际使用需求的信息化系统。

其次，完善实验室信息化管理平台，让老师和学生可以在线上方便快速地了解实验室和仪器设备的使用状况，使得实验室资源可以得到充分地利用。进一步地，对实验室线上管理平台进行建设，提供实验室预约申请、服务器使用申请等实用功能，并通过小程序、企业微信等多种方式方便学校师生对平台进行访问。为了满足师生在教学、科研上的不同实验需求，还可以对目前实验室资源进行整合、分类，划分成不同类型的实验室，更进一步开放共享实验资源，最大限度地提高实验室的利用率。

最后，进一步加强实验课程教学的信息化。在互联网技术飞速发展的今天，随着新工科专业的普及，实验室信息化建设提上了日程。实验课程教学实现信息化管理的过程中，需要将实验课程内容发布在各种线上学习平台，如超星尔雅、学习通等。每名学生可以根据专业要求、课程内容以及实验掌握情况选择对应的实验课程进行观看，提高实验教学资源的利用效率，对实验过程及时复习、思考，巩固所学知识，激发学生自主学习兴趣。

4 高校实验室信息化建设与管理的策略

4.1 增强实验设备信息化程度

通过对当前实验室信息化建设情况进行分析，结合企业的实际工作需要，努力调动实验室管理人员的工作热情，在此基础上建立健全一套切实可行的、符合社会发展规律的实验室信息化建设方案，从整体上全面提升实验室管理水平[6]。在日常教学和科研工作中，应该适当地安排专门的人员负责管理，保证教学工作和科研工作互不干扰、各自开展。根据实际需求相應地分配资源，做到有章可循，减少个人主观因素的影响，全方位提高实验室资源利用率。在确保实验室管理人员、任课老师和学生的需求得到满足的同时，把实验室信息化管理质量的提升放在首要位置，确保学生课程实验与老师科研实验能够正常有序地开展。

具体做法是以信息技术为核心，以云计算平台为基础，以数字化、网络化为方向，建设更多数字信息化云平台实验室，拓扑图如图1所示。为了更好地完成实验室信息化建设，服务于新工科专业人才的培养，有必要借助现代化信息技术手段建设一批新型信息化实验室，如人工智能与深度学习实验室、大数据分析与应用实验室、云平台实验室、虚拟仿真实验室等[7]。传统实验室容易受到场地环境和实验内容的束缚，无法进行一些复杂的创新性实验。新型信息化实验室则可以有效地拓展实验空间，丰富实验内容，在实验课程内容的设计上增加了较大的操作空间。目前，大部分高校或多或少建立了一定数量的信息化实验室，给老师和学生们的教学科研工作提供了很大的便捷。

4.2 革新实验室管理模式

随着计算机技术的不断发展，在高校的实验室信息化建设中应该更多地将信息技术和实验教育有机地结合统一起来，达到实验室网络化与智能化的要求，改进、革新实验室的管理模式。在新工科建设的大背景下，需要加强实验室管理人员的培训工作，使得管理人员的实践能力、创新能力可以适应社会的发展，更好地服务于实验室教学和科研工作，为实验室的科学管理和可持续发展提供强有力支撑。此外，为了保障实验室资源能够得到最有效的使用，高校实验室的管理人员应该主动学习先进的管理方式，摒弃传统管理方式下存在的不足和缺陷，进一步优化实验室人力安排、财务开销和设备分配，加强与当地企业的合作交流，为企业与学校合作搭建桥梁，扩大实验室的影响力，发挥实验室在人才培养上的独特作用。

在实验室建设过程中，对各个实验室的计算机资源进行整合，架构图如图2所示，可以有效提升机房整体的运算处理能力。通过云桌面在服务器上的应用，可以有效地实现计算机资源的整合统一，并根据需求将资源分配到相应位置，实现配置进一步优化和资源高效利用的目的。在日常机房管理中，云桌面还可以随时备份存储计算机运行信息以及运行过程中产生的大量数据，保证了数据的安全性和可恢复性。云桌面具有很强的兼容性、造价低，便于维护，便于管理，适用于机房大部分计算机设备的升级改造[8]。

4.3 完善实验室的运行管理体系

高校要在最大程度上增强实验室的信息化建设管理水平，需要把相关实验室运行管理体系的完善放在首要地位，并根据实际情况对实验室的信息化管理系统进行改进。高校实验室信息化管理系统的主要组成部分有：信息化管理设备、技术人才队伍、实验室安全建设等，多个子系统相互关联和相互协同，在实验室实际运转中针对实际情况发挥着不同的作用。在实验室信息化建设中，还需要加强分布式感知计算的复用引导式教学实验资源建设。信息化实验教学可分为几个模块，分别为实验教学区、教学服务器区、学生区和教师区，如图3所示。根据实验课程的特点，教学资源管理系统对学生的实验掌握情况进行分析，为学生提供实验学习引导服务，提供合适的、有价值的实验资源以及专业的实验学习方法，对学生的实验学习过程进行全程监督、辅导。

具体来说可分成两步：第一，利用核心交换机、防火墙、无线传感器网络、路由器等网络设备构建实验室网络环境，通过泛在网络将智慧实验室系统等主要实践教学系统进行无缝对接，然后利用网络爬虫等技术，通过网络信息技术获取实验操作动态、实验资料和教学资源等相关数据。第二，利用云计算技术和超融合虚拟化技术，设计集数据采集、治理、仓储，挖掘和管理于一体的大数据管理平台，研究计算机视觉中基于视频的行为识别算法、自然语言处理中的语音识别算法以及机器学习中的数据分析与推荐算法等核心算法，设计行为分类模型、语音识别模型、大数据分析和智能推荐系统等智能模型，满足新工科实验教学需求。

5 结束语

在新工科专业蓬勃建设的浪潮中，实验室信息化建设对于高校的实践教学和科研实验发挥着积极有利的一面。实验室信息化通过将实验室的设备信息、使用情况进行归纳管理，对机房现有的计算资源、运算设备进行整合，更加方便信息的共享以及资源的分配。通过实验室信息化的建设，可以多角度、全方位地提升实验室运转效率，提高日常教学活动的质量，促进科研工作的开展，为培养新一代工科应用型人才提供强有力的保障[9]。