物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的實(shí)驗(yàn)室開放建設(shè)實(shí)踐

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摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用日趨成熟，實(shí)驗(yàn)室開放建設(shè)的需求也更為迫切。信息技術(shù)的成熟為實(shí)驗(yàn)室開放建設(shè)的科學(xué)化、規(guī)范化提供技術(shù)保障。文章從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理中存在的問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)室開放建設(shè)的條件準(zhǔn)備、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于開放實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐案例和成效分析等方面進(jìn)行闡述。開放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)為教學(xué)改革創(chuàng)造了條件，同時(shí)也提升了實(shí)驗(yàn)室管理的效能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；開放實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)室管理

一、引言

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)在高等學(xué)校的不斷深入應(yīng)用為學(xué)校教育教學(xué)帶來(lái)了深刻變革，數(shù)字校園、智慧校園建設(shè)取得了突破性進(jìn)展。長(zhǎng)江師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中，以“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念為指導(dǎo)，按照“智慧感知、服務(wù)教學(xué)、開放共享、科學(xué)決策”原則，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，以實(shí)驗(yàn)室管理改革為重點(diǎn)，以實(shí)驗(yàn)室開放共享為目的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室開放管理平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室信息化綜合管理系統(tǒng)和智慧門禁系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理的支撐，促進(jìn)了學(xué)校教育教學(xué)改革和發(fā)展。

二、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理中存在的問(wèn)題

以長(zhǎng)江師范學(xué)院為例，學(xué)校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)室管理過(guò)程存在如下問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)室建設(shè)各自為政；實(shí)驗(yàn)教學(xué)定時(shí)、定點(diǎn)、定內(nèi)容、定輔導(dǎo)教師，個(gè)性化程度低；學(xué)生自主發(fā)展和實(shí)踐鍛煉的實(shí)踐、空間和資源有限；實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)機(jī)制不健全，不能有效調(diào)動(dòng)師生的積極性。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約實(shí)踐教學(xué)體系和創(chuàng)新教育體系建設(shè)。結(jié)合學(xué)校信息化工作開展和以上問(wèn)題的實(shí)際，學(xué)校在《長(zhǎng)江師范學(xué)院事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出“大力實(shí)施信息化戰(zhàn)略，加快教育現(xiàn)代化進(jìn)程”，部署了“優(yōu)化信息化環(huán)境”、“推動(dòng)教學(xué)模式創(chuàng)新”、“實(shí)現(xiàn)管理信息化”等3項(xiàng)重大工程，著力推進(jìn)教育資源和教學(xué)環(huán)境信息化建設(shè)、信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合、治理體系現(xiàn)代化與信息服務(wù)能力同步提升。在這樣的背景下，打破實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、管理、使用壁壘，打造基于信息化環(huán)境的開放實(shí)驗(yàn)室，是建設(shè)高水平應(yīng)用型大學(xué)的必然要求，也是培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、科學(xué)研究能力和創(chuàng)新能力的客觀需要。

三、建設(shè)實(shí)驗(yàn)室開放管理平臺(tái)可行性分析

1.體制機(jī)制保障為保證實(shí)驗(yàn)室開放建設(shè)工作的開展，在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)安全和信息化領(lǐng)導(dǎo)小組的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，教務(wù)處、資產(chǎn)管理中心、信息化辦公室、各二級(jí)學(xué)校實(shí)驗(yàn)中心各司其職，分工協(xié)作，明確責(zé)任，對(duì)項(xiàng)目中提出的各項(xiàng)任務(wù)、重大決策與總體部署進(jìn)行落實(shí)。通過(guò)開展實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)建設(shè)調(diào)研，定期召開建設(shè)工作會(huì)，探索實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)建設(shè)機(jī)制與應(yīng)用模式，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)建設(shè)實(shí)施，開展實(shí)驗(yàn)室開放宣傳普及與人員培訓(xùn)。

2.實(shí)驗(yàn)室開放建設(shè)經(jīng)費(fèi)保障依托學(xué)校智慧校園建設(shè)的經(jīng)費(fèi)投入，采取自籌、合作、項(xiàng)目申報(bào)等形式獲取各級(jí)財(cái)政支持，按照邊建邊受益、分步實(shí)施的原則投入。形成良性的、循序漸進(jìn)的資金投入機(jī)制，實(shí)驗(yàn)室開放建設(shè)持續(xù)穩(wěn)定。

3.實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)政策保障建立校級(jí)領(lǐng)導(dǎo)研究實(shí)驗(yàn)室開放共享管理工作機(jī)制，確保實(shí)驗(yàn)室開放建設(shè)的規(guī)范運(yùn)行。編制《長(zhǎng)江師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)室共享管理平臺(tái)項(xiàng)目實(shí)施方案》，出臺(tái)《長(zhǎng)江師范學(xué)院貴重儀器設(shè)備管理辦法》《長(zhǎng)江師范學(xué)院儀器設(shè)備管理使用規(guī)程》《長(zhǎng)江師范學(xué)院信息化數(shù)據(jù)管理辦法》《長(zhǎng)江師范學(xué)院信息化項(xiàng)目管理辦法》等規(guī)章制度。為提高實(shí)驗(yàn)室開放建設(shè)使用成效，教務(wù)處、信息化辦公室、各二級(jí)學(xué)院對(duì)教師、學(xué)生、試驗(yàn)室管理人員開展培訓(xùn)。

四、實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)架構(gòu)

1.實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)架構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)搭建，需對(duì)實(shí)驗(yàn)室人員、儀器設(shè)備、環(huán)境設(shè)施等有效感知識(shí)別，將視頻監(jiān)控、圖像識(shí)別、人臉識(shí)別、門禁系統(tǒng)、傳感器采集、電源控制、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸、RFID射頻技術(shù)、實(shí)驗(yàn)管理等技術(shù)融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)考勤簽到、環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制于一體的實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)架構(gòu)主要由實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備在線預(yù)約系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備綜合管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)課程綜合管理與分析系統(tǒng)等組成，如圖1所示。（1）實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)由視頻攝像頭、紅外傳感器、GIS定位等組成，負(fù)責(zé)采集實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地視頻數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控、錄像、視頻動(dòng)態(tài)感知、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動(dòng)、存儲(chǔ)、備份、畫面分組等。是實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控、采集、存儲(chǔ)重要保障，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警。（2）實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)充分融合學(xué)校統(tǒng)一身份認(rèn)證，拓展校園卡（碼）功能，運(yùn)用IC卡射頻、人臉識(shí)別、指紋密碼、智能門禁終端、門禁控制器等，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室人員進(jìn)出權(quán)限控制的有效管理。門禁系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源開啟關(guān)閉和實(shí)驗(yàn)室視頻監(jiān)視，驗(yàn)證并保存記錄實(shí)驗(yàn)室人員進(jìn)出情況、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部設(shè)備操作過(guò)程。（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備在線預(yù)約系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在線預(yù)約系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守實(shí)驗(yàn)設(shè)備在線預(yù)約和管理。包括用戶管理、權(quán)限管理、儀器管理和各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的儀器進(jìn)行授權(quán)使用，對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控和分析；管理者可通過(guò)統(tǒng)一身份驗(yàn)證進(jìn)行成員管理、在線預(yù)約管理、授權(quán)管理、送樣審批管理等管理工作。（4）實(shí)驗(yàn)設(shè)備綜合管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備綜合管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器相關(guān)基礎(chǔ)信息維護(hù)、授權(quán)維護(hù)、授權(quán)時(shí)段、預(yù)約規(guī)則定義、收費(fèi)管理和成果與績(jī)效的管理等。包括儀器管理、儀器計(jì)費(fèi)管理、成果管理和績(jī)效考核。（5）實(shí)驗(yàn)課程綜合管理與分析系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程綜合管理與分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備使用人員的基本使用規(guī)范的控制，監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過(guò)程，查詢儀器存放位置，保證儀器設(shè)備使用安全。包括用戶授權(quán)與經(jīng)費(fèi)、培訓(xùn)、預(yù)約等多方面進(jìn)行關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)管理員實(shí)現(xiàn)對(duì)貴重儀器的實(shí)時(shí)監(jiān)控，整合儀器信息與儀器分布地理信息，通過(guò)GIS地理監(jiān)控程序在網(wǎng)頁(yè)瀏覽器上對(duì)儀器所在樓宇的地理信息進(jìn)行直觀展現(xiàn)，項(xiàng)目成果與儀器的使用同步關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)匯總績(jī)效考核信息與結(jié)果，自動(dòng)生成儀器使用情況表等功能。

2.實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)方法（1）儀器設(shè)備管理控制開放實(shí)驗(yàn)室核心端是儀器設(shè)備管理控制，按照預(yù)約的規(guī)則開啟和關(guān)閉，顯示設(shè)備信息、使用狀態(tài)、監(jiān)控等。采用ZigBee協(xié)議無(wú)線傳輸，控制電源、讀卡器等，實(shí)現(xiàn)刷卡對(duì)多臺(tái)儀器或同一儀器多個(gè)組件進(jìn)行同時(shí)控制。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)路由器接入到校園網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)與管理平臺(tái)軟件的數(shù)據(jù)聯(lián)通。考慮某些大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備是強(qiáng)電壓，儀器設(shè)備管理控制端，控制電流不低于30A，電壓不低于380V。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)脫機(jī)情況下，控制器仍能夠根據(jù)存儲(chǔ)信息進(jìn)行訪問(wèn)控制。（2）ZigBeeZigBee無(wú)線通信技術(shù)是基于蜜蜂相互間聯(lián)系的方式實(shí)現(xiàn)開放實(shí)驗(yàn)室控制平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、傳感器控制等通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通信與服務(wù)器、計(jì)算機(jī)（或終端）相連接。ZigBee無(wú)線通信技術(shù)是基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸數(shù)據(jù)流量小、組網(wǎng)安全和GPS功能等特點(diǎn)。作為開放實(shí)驗(yàn)室的無(wú)線通信技術(shù)選擇，ZigBee可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的組建和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的定位。（3）數(shù)據(jù)共享開放實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)與學(xué)校其他應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)接、共享是智慧校園（數(shù)字校園）建設(shè)中最重要的技術(shù)和管理問(wèn)題，需要與校內(nèi)人員信息、課程平臺(tái)、統(tǒng)一資源庫(kù)、校內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、財(cái)務(wù)系統(tǒng)等對(duì)接，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一身份識(shí)別、監(jiān)控統(tǒng)一管理、報(bào)賬結(jié)算和資源集中管理。數(shù)據(jù)共享要解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范、中心數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)同步和對(duì)異常數(shù)據(jù)的處理。

五、實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)運(yùn)行效果

1.改變實(shí)驗(yàn)室管理模式通過(guò)實(shí)驗(yàn)室開放管理平臺(tái)的建設(shè)，把原來(lái)各二級(jí)學(xué)院分散的管理轉(zhuǎn)變成學(xué)校集中統(tǒng)一的管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)中除專業(yè)培養(yǎng)方案、課程教學(xué)大綱中要求的集中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，教師、學(xué)生可自主申請(qǐng)開設(shè)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱外的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)資源和空間，有效調(diào)動(dòng)了師生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的積極性，推進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)體系和創(chuàng)新教育體系建設(shè)。

2.數(shù)據(jù)分析支撐實(shí)驗(yàn)室管理實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)可監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)過(guò)程，查詢儀器存放位置，保證儀器設(shè)備使用安全，如圖2所示。通過(guò)GIS地理監(jiān)控程序在網(wǎng)頁(yè)瀏覽器上對(duì)儀器所在樓宇的地理信息進(jìn)行直觀展現(xiàn)，如圖3所示。項(xiàng)目成果與儀器的使用同步關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)匯總績(jī)效考核信息與結(jié)果，自動(dòng)生成儀器使用情況表。

3.實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)建設(shè)促進(jìn)學(xué)校信息化發(fā)展（1）部門聯(lián)動(dòng)機(jī)制建立部門聯(lián)動(dòng)機(jī)制的建立推進(jìn)了高校治理體系和治理能力水平現(xiàn)代化。按照“總體規(guī)劃、明確責(zé)任、統(tǒng)一管理、分步實(shí)施”優(yōu)化智慧校園建設(shè)體制機(jī)制，采取“責(zé)任分工、技術(shù)跟進(jìn)、資源配合”原則開展實(shí)驗(yàn)室開放推廣工作，明確各相關(guān)單位的職責(zé)和分工，積極培養(yǎng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利執(zhí)行和實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，根據(jù)系統(tǒng)推廣需要，配置管理人員、經(jīng)費(fèi)、物資及政策等資源。（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享機(jī)制建立以學(xué)校智慧校園平臺(tái)為基礎(chǔ)，按照教育部、省（市）級(jí)智慧校園建設(shè)要求規(guī)范管理設(shè)備編碼、人員、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、場(chǎng)地條件等數(shù)據(jù)，為智能化實(shí)驗(yàn)開放提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。智慧校園基礎(chǔ)平臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)接口文檔，為不同的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)、平臺(tái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理提供跨平臺(tái)應(yīng)用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室各類數(shù)據(jù)共享，推進(jìn)學(xué)校信息化良性發(fā)展。實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)、管理及實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系從封閉走向開放，從分割走向共享，從統(tǒng)一要求走向自主創(chuàng)新，從儀器設(shè)備主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目走向需求主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)。（3）運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的長(zhǎng)效機(jī)制建立一是充分利用系統(tǒng)管理功能，嚴(yán)把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、場(chǎng)地審核關(guān)。二是加強(qiáng)師生信息化能力培訓(xùn)，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。三是對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)做分析，提升數(shù)據(jù)應(yīng)用效果。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析和業(yè)務(wù)再造，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器管理、預(yù)約管理、自主實(shí)驗(yàn)管理、事件管理和統(tǒng)計(jì)報(bào)表的自動(dòng)化和智能化，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開放和共享以及校內(nèi)外實(shí)驗(yàn)資源共享，提高儀器設(shè)備的利用率。

六、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室開放是學(xué)校教學(xué)、科研及學(xué)科建設(shè)的重要保障條件，在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和科學(xué)研究中起著極為重要的作用。高校需利用好物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)提升學(xué)校實(shí)驗(yàn)室管理水平，充分發(fā)揮信息技術(shù)在教學(xué)、科研和社會(huì)服務(wù)方面作用。實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備對(duì)外開放共享要從管理制度、管理機(jī)制、開放宣傳和開放管理等方面著力提升，提高實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的有效使用率，促進(jìn)學(xué)校教育信息化不斷向前發(fā)展。

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作者：譚海軍 單位：長(zhǎng)江師范學(xué)院