實驗室管理模式與改革研究

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摘要:隨著高校實驗室環境和硬件條件不斷改善,建立基于現代信息技術的,更為科學和行之有效的實驗室管理運行模式是實驗室開放共享、高效運轉的當務之急。分析了我校植物生產國家級實驗教學中心的運行管理現狀及存在問題,嘗試以中心公共平臺大型儀器室作為試點,引入物聯網技術,初步建設物聯網實驗室。將物聯網管控系統與現有實驗室管理系統交叉融合,逐步提高中心實踐教學資源的開放共享率,并有效緩解實驗室安全管理壓力,切實為師生服務。

關鍵詞:物聯網技術；實驗室管理；開放共享；安全管理

“雙一流”大學的建設過程中,強化實踐教學,努力提高學生的實踐創新能力是人才培養的重要目標之一,而加快構建高水平實踐教學平臺,完善質量管理體系,不斷提高實踐教學水平是其基本保障［1-2］。高校實驗室作為培養學生實踐創新能力的重要場所,在高校的教學過程中發揮著舉足輕重的作用,新形勢下,實驗室必須逐步提高開放資源的利用率與共享率,充分發揮其在創新創業教育環節中的重要作用。然而,當前現狀表明高校實驗室硬件條件建設得到快速發展的同時,實驗室管理水平卻未能與之獲得相應的提升,傳統的實驗室管理運行模式與逐年增長的實驗實踐教學需求之間存在的矛盾日漸凸顯,使得實驗室運行過程中出現了各種各樣的問題亟待解決。伴隨著互聯網+時代的到來,物聯網、無線傳感網、移動互聯、大數據、云計算等具有智能化的信息技術不斷發展成熟,為實驗室管理提供了新的方法和視角［3-5］。物聯網(InternetofThings,IoT)是由美國麻省理工學院(MIT)Auto-ID實驗室于1999年提出,它是通過紅外線傳感器、射頻識別(RFID)、激光掃描器、定位系統等信息傳感設備,按照約定協議把物品和網絡連接起來進行信息交換以及通信,從而實現智能化跟蹤、識別、監控、定位與管理的一種物物相連網絡。“物聯網”的出現打破了數據管理和物理設施間相互獨立的模式,其應用領域非常廣泛?，F階段,物聯網在“智慧校園”建設中的應用范圍和應用規模都在不斷地擴大［6-8］。南京農業大學植物生產國家級實驗教學中心近年來逐步嘗試通過網絡化、智能化的手段積極改革傳統的管理運行模式,解決以往實驗室管理過程中存在的問題,以緩解實驗室運行和安全管理帶來的壓力,并不斷提高中心平臺的開放共享效率。

1傳統實驗室管理模式的問題與挑戰

為了滿足逐年增加的教學、科研活動需求,我校實驗實踐課程的數量及規模都在持續擴大,各實驗教學中心的管理變得更加復雜,傳統的以人工為主的實驗室管理模式已不能滿足目前實驗實踐教學的高要求,實驗室運行管理過程中面臨著各種各樣的問題,具體表現在以下幾個方面:(1)隨著實驗實踐課程、各類“雙創”項目及學科競賽活動的大幅度增加、實驗項目范圍和質量的逐步提高,實驗室運行管理的壓力隨之而來;(2)由于受到時間、空間、人力以及安全性等管理因素的限制,實驗室的開放共享程度未能達到預期的效果,從而使得一方面優質實驗資源未能得到充分利用,另一方面影響了大學生課外開放性實驗項目及學科競賽、活動的開展;(3)管理人員不能及時掌握實驗室儀器設備的使用狀態,導致維護、保養不及時,尤其是開放共享的大型儀器設備更是故障頻發,維修周期長,嚴重影響了教學和科研的正常進行;(4)實驗室安全管理壓力大,近些年高校實驗室安全事故時有發生,實驗室安全管理中面臨著許多安全隱患,如水電安全、危化品管理、儀器設備使用、實驗室開放使用等。雖然目前大部分高校實驗室都配備了攝像頭,但是攝像設備往往具有較大的盲區,所采集的數據比較單一,也無法實現遠程實時監控,一旦有危險情況發生,不能及時獲得信息和采取相應的措施。盡管目前中心實驗室已經建立或引進了一系列信息化管理系統,如實驗教學管理系統、門禁系統、監控系統和實驗設備綜合管理系統等,但是各個系統仍處于孤立狀態,未能達到理想的效果,而且引入的此類系統側重于課內實驗課程的安排、調度和運行等傳統管理功能?？傊?現有的管理模式在管理的時效性上是滯后的,無法實時反映實驗室的工作狀態。實驗室管理必須突破時間、空間、人力等因素限制,積極探索一套更為科學和行之有效地開放共享管理模式,打造基于信息化環境的開放實驗室,使實驗室能夠安全、高效運轉,切實為師生服務。

2物聯網實驗室建設初探

物聯網實驗室是利用物聯網技術實現一種智能化的實驗室管理系統,借助各種傳感器通過互聯網和繼電器實現物與物、物與人的泛在鏈接,其技術能給整個實驗室環境帶來革命性的改變［9-10］。在物聯網實驗室中各種儀器設備可以通過數據采集器實時采集動力、環境、安防、消防等信息,如市電、UPS電源、配電開關、溫濕度、精密空調、漏水、煙霧、門磁等實時信息,然后直接傳輸給物聯網平臺,實現對設備的智慧化識別、跟蹤、實時監控及遠程管理等功能,實驗室管理人員可通過瀏覽Web頁面或者移動設備隨時隨地查看實驗室工作狀態,如遇緊急狀況可立即在手機短信或APP上收到報警事件信息,便于及時排查解決突發問題?；谥行哪壳耙呀浗ㄔO使用的信息化管理系統,包括實驗教學管理系統、門禁系統、監控系統以及實驗設備綜合管理系統等,以公共平臺大型儀器室作為試點,引入物聯網技術,初步建設物聯網實驗室。如圖1所示,首先,中心整體需要搭建一個物聯平臺,即中央信息系統,用于信息的收集和相關數據處理,采用無線傳輸方式,有良好的可擴展性,后期可根據需求隨時在此物聯平臺上添加拓展更多的應用,如智慧消防、環境檢測、遠程水電表等。其次,需要給與管理的儀器設備安裝上采集器或者傳感器,用于信息的讀取和解碼,然后快速傳輸給物聯平臺。最后,終端用戶要在Web頁面或者移動設備中安裝相應的軟件或APP,完成注冊和登陸。當加入物聯網的儀器設備在運行過程中,其參數發生了變化,設備傳感器就會立刻向物聯平臺發射信號,使系統響應并報警,同時通過網絡通知到實驗室管理人員,使進行相應處理,由此達到對儀器設備進行實時監測的目的。本次建設大型儀器室進入物聯網管控的設備主要有實驗室門禁和監控電源、UPS電源、墻面配電開關、空調、投影儀、煙霧報警器、水表等。

3物聯網技術助力實驗室開放管理

植物生產國家級實驗教學中心是我校重要的實踐教學平臺之一,承擔著全校植物生產類專業本科生及研究生的實驗實踐教學任務,并對本科生畢業論文實習、各級各類創新創業項目和課外實踐競賽、活動等提供開放共享平臺。近年來,隨著學校對人才培養實踐環節的不斷重視,中心18個功能實驗室所承擔實踐課程和“雙創”項目等大幅增加,涉及的專業多,學生規模大,實驗項目范圍和質量逐年提高,這些都給中心的開放運行管理帶來了不少壓力,主要表現在實驗室環境管理、安全管理、設備管理、人員管理等方面。因此,中心實驗室的開放共享程度未能達到預期的效果,現有的實驗室管理運行模式已不能適應當前人才培養過程中對實踐教學環節的高要求,中心需要亟待探索并采用先進的管理理念和管理技術,以提高公共資源的開放共享效率。以中心大型儀器室為試點引入物聯網技術,并將物聯網管控系統與大型儀器平臺現有管理系統交叉融合,實現儀器設備預約、門禁授權、異地遠程監控、設備狀態管理、環境監測、數據上報等功能的集約化、智能化管理。具體包括以下幾個子系統:(1)實驗室預約系統:查詢實驗室占用情況,實現實驗室、儀器設備的預約及核準,查詢預約狀態和反饋信息等;(2)門禁系統:門卡授權管理,并記錄刷卡開門情況;(3)監控系統:實時監控實驗室工作狀態,移動終端或電腦端實時查看實驗室視頻及歷史錄像;(4)物聯網管控系統:實現異地遠程控制,掌握實驗室和儀器設備的運行狀態、安防報警、定時開關設備電源等;(5)實驗教學管理系統:實驗室課程安排,實驗室及儀器設備利用率統計,儀器設備維護申請、審批,相關數據上報等。物聯網實驗室的建設使中心大型儀器室的管理突破了時間、空間、人力等因素的限制,管理人員可隨時隨地掌握實驗室環境、儀器設備、公共設施等的狀態及使用情況,可實現實驗室全天候、全空間面向學生開放,為大學生完成自主實驗、自主創新提供平臺條件,為改善實驗室開放管理水平提供了有力保障。中心將逐步使物聯網管控系統推廣應用于其他功能實驗室,以點帶面,全面改革中心現行管理模式,從而有效提升中心整體公共實驗資源的開放共享效率。

4物聯網技術助力實驗室安全管理

隨著實驗室開放程度和使用頻率的增加,實驗室安全管理面臨的形勢也越來越嚴峻,一系列安全管理問題逐漸顯現。實驗室安全涉及方方面面,一旦發生危險事故,后果十分嚴重。中心實驗室的日常安全管理中都面臨著一些安全隱患,如水電安全、危化品管理、儀器設備使用、開放使用等。傳統的監控系統漏洞很多,攝像設備通常會留下很多盲區,而且監控錄像不能實時應對異常情況,需要事后人為判斷。另外,其采集信息單一,提供有效信息不夠全面,而且沒有有效的分析工具,不能異地遠程監控。運用物聯網技術可以強化實驗室安全管理,并有效提高安全管控的及時性和高效性。通過物聯網感知系統、環境監測系統、用電安全系統、煙霧報警系統等,實時監測?；饭?、空調、投影儀、光照培養箱、超低溫冰箱、門禁監控等設備的使用安全和環境安全,如遇異常情況,可立刻啟動自動報警功能,將實時信息反饋到實驗室管理員的實時通信設備上(如圖1),使其遠程控制開關,關閉具有危險的電力系統,將險情控制在第一時間,從而大大緩解實驗室安全管理的壓力。因此,在物聯網技術的支持下,實驗室的環境安全監控會有很大改觀,安全管理效率會大幅提升,對于中心實驗室整體的安全管理工作具有重要的現實意義。

5結語

中國教育科學研究院倡導的深入貫徹落實“互聯網+教育”國家戰略、促進信息技術與教育教學的全面深度融合,為學校整體創新提供理論引領和實踐指導的系統性建設方案。智慧校園、智慧實驗室、虛擬仿真平臺等的構建不斷涌現,“智慧教育”已經成為高校教育發展的新方向。高校實驗室不僅是實踐教學環節的主要陣地,也是反映學校教學、科研和管理水平的窗口,是學科建設、科研活動的堅實基礎,是高校整體建設和發展的重要環節[11-12]?，F階段,在實驗室環境和硬件條件不斷改善的同時,建立基于現代信息技術的,更為科學和行之有效的實驗室管理運行模式是當務之急?！耙匀藶楸尽钡膭撔氯瞬排囵B模式更加需要資源開放共享的實驗室,智能化的實驗室管理模式才能使實驗室高效率運轉,切實為師生服務。

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作者：孔令娜 曹蕾 張慧 吳震 張煒 單位：南京農業大學植物生產國家級實驗教學示范中心