高校“智慧”實驗室建設(shè)的探索

肖紅艷，張靈棋，郭榮輝，任二輝

(1.四川大學(xué) 輕紡與食品學(xué)院，四川 成都 610065；2. 四川師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610068)

實驗室是培養(yǎng)學(xué)生知識學(xué)習(xí)與應(yīng)用、分析并處理問題、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等能力的重要平臺，是高等教育人才培養(yǎng)體系中的重要組成部分。同時，實驗室也是師生開展科學(xué)技術(shù)研究的重要場所，是高?；A(chǔ)理論研究和技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新的源頭，在解決國民經(jīng)濟重大科技問題、科技成果轉(zhuǎn)化中作用突出[1]。促進我國高校實驗室建設(shè)與管理水平的全面提升，加速實驗室內(nèi)涵式發(fā)展，是為實現(xiàn)高等教育跨越式發(fā)展，為“雙一流”建設(shè)提供強有力的支撐與保障。目前，多數(shù)高校的教學(xué)實驗室仍采用傳統(tǒng)的人工干預(yù)管理模式，使得實驗資源開放與實驗需求的一些固有矛盾日益凸顯。隨著“雙一流”建設(shè)、“雙創(chuàng)”訓(xùn)練的不斷推進，建設(shè)完善一流實驗平臺的必要性日益突出，這需要管理者積極探索“智慧”實驗室建設(shè)，不斷實踐創(chuàng)新，加速實現(xiàn)實驗室智能化。

一、 實現(xiàn)實驗室智能化管理，進一步加大開放力度

1. 建立健全實驗室管理機制

實驗室要加大開放力度，首先必須從管理機制上確保人員和設(shè)備的安全。制度建設(shè)的目的是為了預(yù)防事故的發(fā)生，是“事前”方案，屬于源頭性預(yù)防措施。高校都是根據(jù)實驗室安全工作中遇到的困難及問題制定相應(yīng)的規(guī)章制度，具體到不同性質(zhì)和類別的實驗室，還有專門的特別要求和規(guī)定。此外，還系統(tǒng)制定了各種實驗室安全規(guī)定，包括實驗室工作人員、管理者和監(jiān)督者的相關(guān)職責及行為準則[2]。實驗室開放包括基本的實驗空間和時間的開放，空間開放是指實驗室及室內(nèi)的儀器設(shè)備開放，時間開放則有正常工作時間之外的實驗需求。無論是空間開放還是時間開放，都面臨一定風險，因此要根據(jù)實驗室具體情況進行全面的實驗安全風險評估，嚴控風險，確保安全。并建立相應(yīng)的實驗室準入制度，有組織地開展實驗操作規(guī)范和預(yù)防措施培訓(xùn)，著重強調(diào)實驗注意事項。對于風險相對較高的實驗室應(yīng)采取更嚴格的準入機制，要求更充分的實驗條件準備，提高準入“門檻”。一般來說，實驗室的開放要求所有實驗人員必須通過實驗室安全教育，簽署安全承諾，并在進入實驗室之前擁有必要的安全產(chǎn)品與防護設(shè)備。

應(yīng)急管理是對事故發(fā)生后的回應(yīng)和管理。首先是對風險評估過程中可預(yù)見的危險對應(yīng)建立應(yīng)急預(yù)案，設(shè)立應(yīng)急處理設(shè)施，完善應(yīng)急處理條件，明確安全標識等。其次是建立實驗室危險聯(lián)網(wǎng)報警系統(tǒng)，如針對消防重點部位，煙霧自動報警、自動噴淋裝置等應(yīng)安裝到位并定期檢查。最后，實驗室管理部門要定期組織實驗人員開展實驗室安全培訓(xùn)和應(yīng)急預(yù)演，使其具備必要的自我保護、應(yīng)對突發(fā)事件的能力。

2. 建設(shè)實驗室智能化管理系統(tǒng)

結(jié)合信息技術(shù)進行實驗室智能化管理系統(tǒng)建設(shè)，在不增加人力成本的前提下，實現(xiàn)實驗室可控的24小時預(yù)約開放[3]。該系統(tǒng)是一個軟件與硬件相結(jié)合的綜合管理系統(tǒng)，硬件部分主要包括：(1)門禁系統(tǒng)。主要功能是實現(xiàn)實驗室房門的自動開關(guān)，可采用校園一卡通作為門禁系統(tǒng)的“鑰匙”，同時可設(shè)置密碼校驗，以防止他人冒用遺失卡進入。(2)實驗設(shè)備控制系統(tǒng)。因現(xiàn)有實驗設(shè)備沒有預(yù)制現(xiàn)成的集成接口，可采用控制實驗設(shè)備電源的方式來實現(xiàn)對實驗設(shè)備的集中控制。(3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。這一模塊的主要作用是輔助實驗室的實時管理和提高實驗室安全保障，該系統(tǒng)在實驗室內(nèi)有人活動時會對實驗室內(nèi)的情況進行實時監(jiān)控并錄像，自動分析識別非正常情況并發(fā)出警報。在實驗進行的過程中，當管理者通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)實驗者操作不規(guī)范或者出現(xiàn)意外情況時，可通過語音通信系統(tǒng)與實驗者進行對話，給予指導(dǎo)或及時制止；也可通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)出指令，控制設(shè)備供電，實現(xiàn)遠程電源控制[4]。

此外，智能化實驗室管理系統(tǒng)還包括實驗室管理軟件平臺、實驗室數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)等。其中基礎(chǔ)管理平臺主要包含用戶管理模塊和資源管理模塊，可以實現(xiàn)實驗室開放管理、實驗室管理、實驗隊伍管理、儀器設(shè)備管理、網(wǎng)上辦公等基本功能。數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)主要包含實驗室開放管理模塊和物聯(lián)管理模塊，主要由服務(wù)管理軟件、智能數(shù)據(jù)采集終端機、門禁控制器及電鎖組成[5]。

3. 建立基于移動終端的智能化視頻監(jiān)控系統(tǒng)

由于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能終端的發(fā)展與普及，可以同時設(shè)計基于移動終端的智能化視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即開發(fā)手機APP。與傳統(tǒng)視頻監(jiān)控相比，該系統(tǒng)克服了時間和地點的局限，提高了視頻監(jiān)控的靈活性。實驗室管理人員隨時可以通過互聯(lián)網(wǎng)，用手機APP監(jiān)控實驗室及設(shè)備情況，通過移動終端遠程控制網(wǎng)絡(luò)攝像頭全方位監(jiān)控，從而提高實驗室安全管理的實時性、遠程性，提高智能化水平，對于實驗室安全及規(guī)范學(xué)生實驗操作具有一定的實際意義[6]。

四川大學(xué)紡織學(xué)科在借鑒學(xué)?！半p創(chuàng)”平臺全天候?qū)嶒炇医ㄔO(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，為及時滿足學(xué)生競賽及“雙創(chuàng)”訓(xùn)練對實驗室開放日益增長的需求，在學(xué)校新校區(qū)針對服裝專業(yè)實驗室進行了管理硬件升級及改建，基本實現(xiàn)了實驗室開放管理智能化，在未增加人工成本的前提下基本實現(xiàn)了實驗室按需開放，有效解決了學(xué)生的個體化實驗需求問題。

二、 推出大型實驗儀器設(shè)備共享平臺與機制，進一步提高資源使用率

1. 高校大型實驗儀器設(shè)備開放共享存在的問題

目前，高校的大型實驗儀器設(shè)備大多是安置在二級院(系)或?qū)嶒炛行?，設(shè)備管理人員及運行維護費由各部門自行負責；學(xué)校對大型儀器設(shè)備的使用機時沒有硬性規(guī)定，加之大型儀器設(shè)備的應(yīng)用較有針對性，大型儀器設(shè)備通常使用率不高；因儀器所屬權(quán)歸屬較具體，一定區(qū)域甚至同一單位內(nèi)部都存在重復(fù)購置，造成資源浪費。目前大型儀器設(shè)備開放共享的常見模式也存在一些問題，因大型儀器設(shè)備通常建設(shè)投入較多，較為精密，其操作及維護要求更高，一般僅安排少數(shù)專人對其進行專門管理和維護。因此需要擴大儀器使用培訓(xùn)面，使得更多人具備操作和維護的技能，以加大大型儀器設(shè)備的開放使用面。此外，預(yù)約時間和使用儀器的實時性無法確定，一方面預(yù)約實驗的對象儀器設(shè)備運行情況存有突發(fā)情況的可能，設(shè)備管理人和使用人也可能無法履行預(yù)約；另一方面普通用戶可能對具體儀器設(shè)備使用條件、樣品準備等情況認識不足，導(dǎo)致預(yù)約時段無法完成實驗測試。另外，通常校外人員共享儀器設(shè)備會受到更多的限制[7]。

2. 落實大型儀器設(shè)備共享機制的基礎(chǔ)

為了提高資源利用效率、支撐教學(xué)科研、服務(wù)科技創(chuàng)新，鼓勵高校、科研院所實驗室中的科學(xué)儀器、大型科學(xué)裝置向社會開放，特別是面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、高新技術(shù)企業(yè)開放共享。大型儀器共享機制的建立需要落實兩個基礎(chǔ)。首先需要落實管理制度，打破壁壘，建立設(shè)備共享實體平臺，明確各個主體和參與者的責權(quán)利，形成長效機制。制度建設(shè)包括出臺單位開放共享制度，健全分級管理體制、考核制度、收費標準及程序完備。就目前國內(nèi)先行開放大型實驗儀器設(shè)備共享的高校有關(guān)制度建設(shè)情況來看，通常是明確由學(xué)校、學(xué)院、實驗室分級管理，由學(xué)校集中資源，完成統(tǒng)籌和頂層設(shè)計，校院共同就人員、用房、獎酬、年度考核等制定辦法，實現(xiàn)統(tǒng)管；實驗室是開放共享的執(zhí)行機構(gòu)和主體，分管大型儀器開放共享專項工作，負責儀器設(shè)備的日常維護，由專業(yè)實驗技術(shù)隊伍提供專門服務(wù)。其次開放儀器設(shè)備共享需要有智能化管理平臺的支撐，在技術(shù)上保障管理，便利地實現(xiàn)面向用戶的儀器共享。高校的設(shè)備共享平臺不僅需要校級平臺、院級平臺以及實驗室平臺等多個實體平臺聯(lián)通集成，還需要包括設(shè)備管理系統(tǒng)、實驗室管理系統(tǒng)、人事系統(tǒng)、研究生管理系統(tǒng)、科研項目管理系統(tǒng)、財務(wù)系統(tǒng)等相關(guān)數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限。同時還包括虛擬平臺資源的重新整合與開放，如基于Web和移動設(shè)備的系統(tǒng)訪問端，便于用戶使用；有良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于操作管理。最終要求共享平臺實現(xiàn)功能完善，閉環(huán)式管理，并能與國家有關(guān)網(wǎng)絡(luò)管理平臺良好對接互聯(lián)，如高等學(xué)校公共服務(wù)體系中的高等學(xué)校儀器設(shè)備和優(yōu)質(zhì)資源共享系統(tǒng)和科技部國家網(wǎng)絡(luò)管理平臺等[8]。

基于“共享”理念的虛擬實驗儀器設(shè)備共享平臺，是在云技術(shù)等新技術(shù)的長足發(fā)展和支撐下得以發(fā)展推行的。實驗云平臺可以突破現(xiàn)實中的限制條件，通過各種智能終端獲取相關(guān)學(xué)科教學(xué)與研究大數(shù)據(jù)的專業(yè)化服務(wù)，隨時隨地滿足師生教學(xué)、科研需求，其全新的模式和便捷的體驗進一步推進了實驗資源共享的理念。虛擬實驗平臺目前主要實現(xiàn)了資源整合，與實體平臺對接后實現(xiàn)資源共享，方便用戶與服務(wù)的對接，以及管理者進行管理及操作。

四川大學(xué)在幾年之前就探索構(gòu)建了大型儀器虛擬共享平臺，基本能滿足校內(nèi)不同單位之間的測試需求。2018年學(xué)校設(shè)備處進一步整合了有關(guān)大型儀器資源，規(guī)范了共享大型儀器設(shè)備有關(guān)管理及費用收支辦法，形成長效機制，鼓勵各單位分管的大型儀器設(shè)備加入共享平臺，使大型儀器設(shè)備進一步擴大了共享內(nèi)容及共享范圍。四川大學(xué)防織學(xué)科專業(yè)實驗室大型儀器已加入該共享平臺，大型儀器由專人管理并提供服務(wù)，滿足有關(guān)用戶共享測試需求。

三、 探索實驗教學(xué)與虛擬技術(shù)的融合創(chuàng)新，推進虛擬教學(xué)資源共享

目前，虛擬仿真作為一種信息化教育教學(xué)手段已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到較廣泛的應(yīng)用。在我國，各級虛擬仿真實驗室或?qū)嶒炛行牡膶ｍ椊ㄔO(shè)開創(chuàng)了虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中應(yīng)用的新局面。為加快推進信息技術(shù)與高校實驗教學(xué)的融合，不斷強化優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的開發(fā)與應(yīng)用，教育部決定于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)[9]，將虛擬實驗實踐教學(xué)資源利用互聯(lián)網(wǎng)面向全世界免費共享，為世界實踐教學(xué)提供中國方案。這是在當下“雙一流”建設(shè)的支撐和引領(lǐng)下，高等教育貫徹內(nèi)涵發(fā)展理念，切中教育改革核心，關(guān)注教學(xué)資源建設(shè)的又一重大舉措。

虛擬仿真實驗技術(shù)的主要目的及作用：一是“以虛代實”，替代具有高度危險性或者實際操作不可及、不可逆的實驗操作；二是“以虛補實”，作為必要的補充，以降低高成本、高消耗或者超大型實驗訓(xùn)練；三是“以虛驗實”，代替基礎(chǔ)性的實驗技能操作訓(xùn)練。這也是順應(yīng)信息技術(shù)革命帶來的教育革命，教育載體和手段更加多元化，使其在“互聯(lián)網(wǎng)+”基礎(chǔ)之上具有了“共享”的特征，其共享理念體現(xiàn)在實驗教學(xué)資源在互聯(lián)網(wǎng)上共享，可以直接在線做實驗，完全公開、完全免費，向世界實踐教學(xué)貢獻中國方案。由“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬信息技術(shù)”實現(xiàn)實驗教學(xué)資源的廣泛共享，不但解決了學(xué)生不斷提高的實踐教學(xué)需求和各種條件匱乏的矛盾，還將極大地避免實體實驗室的重復(fù)建設(shè)和利用率低的問題。虛擬技術(shù)的沉浸式、交互式等顯著特點，是實行互動式、研討式教學(xué)，倡導(dǎo)自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)，對于強調(diào)以自主學(xué)習(xí)為主導(dǎo)、以學(xué)生為中心的教育教學(xué)理念，完成自主學(xué)習(xí)過程具有明顯成效。

四、 結(jié)語

在信息技術(shù)高速發(fā)展的當今社會，高等教育的教學(xué)方式和手段更加多元化、智能化，實驗室作為實踐教學(xué)的基本載體，其智能化建設(shè)與發(fā)展勢在必行。四川大學(xué)紡織學(xué)科專業(yè)實驗室已在“智慧”實驗室建設(shè)方面進行了一系列積極探索和實踐，下一步將重點推進以下幾個方面的工作：(1)試點成功的智能化實驗室開放管理系統(tǒng)將進行拓展，力爭專業(yè)實驗室全覆蓋、全改造，使專業(yè)實驗室在智能管理硬件支撐下實現(xiàn)安全有序管理，以及對學(xué)生時間、空間上的自主全開放；(2)進一步完善智能化實驗室管理系統(tǒng)，與校級實驗室綜合管理虛擬平臺兼容，對實驗室有關(guān)工作數(shù)據(jù)實現(xiàn)便捷的統(tǒng)計和共享，實現(xiàn)實驗室綜合管理的信息化、智能化；(3)進一步加大儀器設(shè)備共享，融入儀器設(shè)備共享平臺，提高設(shè)備使用率，這對于盤活高校實驗資源，提高資源利用率和創(chuàng)新成果產(chǎn)出率也有幫助；(4)抓住專業(yè)實驗及實踐教學(xué)的核心目標及迫切需求，在“能實不虛”的基本原則下，盡早開發(fā)出一系列優(yōu)秀的虛擬實驗教學(xué)項目，以補充原本實踐教學(xué)資源的不足；(5)建設(shè)并開放虛擬實驗管理平臺，利用互聯(lián)網(wǎng)擴大虛擬實驗項目的受益范圍，實現(xiàn)合作與共享。