智慧教育背景下高校智慧实验室的构建与研究

智慧教育背景下高校智慧实验室的构建与研究

李海辉

山东协和学院 山东省济南市 250109

摘要：该文结合目前实验室建设和管理过程中存在的问题与需求，构建了智慧实验室总体架构模型，并对人脸识别系统、基于物联网的动环系统、智慧实验教学平台、智能高清录播系统、仪器设备智能管理系统、云桌面系统等主要技术方案进行了讨论，以期为高校智慧实验室的研究提供参考。

关键词：智慧教育；智慧实验室；实验室建设

《教育信息化2.0行动计划》提出开展智慧教育创新发展行动，要求以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，积极开展智慧教育创新研究和示范，推动新技术支持下教育模式的变革和生态重构。具体可通过开展智慧教育创新示范、构建智慧学习支持环境、加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设、加强教育信息化学术共同体和学科建设等4种途径来实现。因此构建智慧教室、智慧实验室、智慧档案馆、智慧图书馆等智慧化学习支持环境是开展智慧教育创新发展行动、完成教育信息化2.0行动计划的有效途径之一。

1智慧实验室的概述

1.1传统实验室的不足之处

随着高校教育信息化建设的不断深入，许多高校加大了信息化资金投入，高校实验室的规模不断扩大，实验设备数量和信息化程度不断提升，虽然在一定程度上提升了实验室的教学质量和管理水平及服务水平，但也普遍存在以下不足之处：①从设备管理角度，未实现自动化管理，缺乏集中统一的管理平台，仪器和设备出现故障时难以快速准确定位、跟踪。②从安全管理角度，未实现对潜在危险因素的监测与预警，各类告警系统不完善，甚至缺失。③从节能角度，未实现实验室内用电和用水的智能化管理，易造成资源浪费。④从实验管理角度，缺乏统一实验管理平台，各实验管理系统互不兼容。⑤从管理模式角度，实验室管理中许多环节还停留在人工管理模式，全生命周期管理未实现信息化。⑥从实验教学资源管理角度，缺乏有效信息手段对实验教学资源收集、整理、存储，实验教学资源难以共建共享。⑦从实验教学方式角度，实验教学方式单一，师生之间缺乏互动。⑧从师资培训角度，缺乏常态化的培训系统对实验人员进行培训，导致新仪器或新技术难以发挥其应有价值。⑨从用户需求角度，难以向师生提供其他个性化服务。

1.2智慧实验室建设的需求

运用人工智能、云计算、大数据、物联网、移动互联网等信息技术打造智慧实验室，既能为师生创造安全、环保、智能的环境，提供开放、协同、高效、便捷的个性化服务，又能增加师生之间的互动，改进现有的实验教学方式。智慧实验室建设应在先进适用、操作简单、成本节约的原则下考虑以下需求：①实现实验室环境信息（温湿度、光强、粉尘浓度、有害气体）实时监测，一旦发现异常，可对潜在的危险进行预警。②实现设备和仪器的自动化管理，自动记录设备和仪器运行信息。③构建基于云的实验教学管理平台，对实验教学进行全生命周期管理。④为师生提供丰富的实验教学资源、交互软件和互动工具。⑤对实验教师的优秀实验案例进行录制和存储，方便实验人员记录和保存实验数据。⑥为师生提供信息化、个性化、智能化服务，提供常态化的培训。

2智慧实验室的设计

2.1智慧实验室设计思路

智慧实验室的构建，以智慧教育理念为指导，以“统筹规划、分步实施、统一标准、整合资源、共享信息”为建设理念，以“环境监测实时化、设备管理自动化、资源获取信息化、实验管理高效化”为建设目标，按照数据采集→数据传输→数据处理的思路进行设计，注重云端一体化、互动多样化、模式多元化、行为可视化、管控智能化。依托互联网和云计算技术，基于实验教学环境下的大数据统计与应用分析，建设服务于实验教学全过程的智慧实验云平台，以满足实验室管理部门实际应用为基础，以移动化、大数据、云架构、物联网和大规模视频服务为基本特征，促进实验教学活动的智慧化。一方面保障智慧实验室各系统的标准化、合理性、先进性、稳定性、易用性、直观性和可维护性；另一方面保障系统的可扩展性、可管理性和服务支持能力。在设计上还需考虑以下几点问题：①采用模块化设计架构，包括智慧实验室所需要的硬件、软件以及物联网环境等，要求能够为智慧实验室提供基础的硬件、软件与环境支撑；②设计应体现人工智能、大数据、IPv6技术、物联网、云计算技术；③设计应包含硬件基础设施、软件信息资源、实验人员、实验过程等各要素；④设计应与实验教学相关的系统、校内外实验资源平台进行对接，实现信息的互通和共享；⑤设计应考虑实验教学互动及模式多样化。

2.2智慧实验室的架构设计

2.2.1基础设施层

该层是智慧实验室的基础，包括实验室基础设施、实验教学设施、网络与感应设施三大部分。实验室基础设施主要由实验室的物理空间、供配电系统、供水系统、照明系统、新风系统、空调系统、M2M终端（火灾预警器、烟雾火警探测器、可燃气探测器）、各种室内环境传感器（空气质量、温度、湿度、粉尘）、RFID装置等构成，为实验教学提供物理层面的支撑。实验室内物理空间要布局合理、简洁，供配电系统要符合相应标准且安全可靠，供水系统要符合相应标准且使用方便，照明系统要能根据环境自动调整、健康节能，火灾预警器、烟雾火警探测器、可燃气探测器、各种室内环境传感器要采用支持开放协议和工业级产品，安装时要充分考虑到日后维护方便。实验教学实施是基础实施层的核心，为实验教学的顺利开展提供保障。

3智慧实验室的主要技术方案

3.1人脸识别系统人脸识别，是基于人的脸部特征信息进行身份识

别的一种生物识别技术。人脸识别系统作为身份验证的一种方式，可以和一卡通系统、实验室预约系统、RFID系统进行对接，以提升实验室管理、服务与教学的智能化水平。与一卡通系统对接可减少程序处理时间，与实验室预约系统对接，将预约人、预约设备和预约时段推送给人脸识别系统，以实现刷脸进入实验室和使用设备。与RFID系统对接，可实现多种身份识别方式，用于促进实验室设备出入库的智能化。

3.2基于物联网的动环系统

基于物联网的动环系统可实现实验室光线、温湿度、烟雾、机电环境数据的采集，以及电控、水控、空调、排气扇、窗帘、光照强度的自动控制。此系统由物联网、互联网关、互联网、后台服务器、用户终端组成。物联网由各种环境传感器、支持物联网协议的各种控制设备、采集控制核心设备组成，负责将采集的环境信息和控制设备的状态信息通过互联网关传输至后台服务器，用户可以通过终端利用移动互联网或校园网访问后台服务器进行查询或控制。一旦发现实验室环境异常，可直接通过移动互联网将预警信息发送给实验室管理员以采取干预措施。

4结语

在智慧教育背景下，人工智能、大数据、云计算及物联网等信息技术与教育教学的融合已经成为必然趋势。文章构建的智慧实验室正是在此基础上发展起来的一种富含“智慧”属性的新型模态。智慧实验室将实验教学各要素和人连接起来，提供了丰富的实验资源，打造了安全高效、绿色环保、低碳低耗、智能舒适的实验环境。智慧实验室的应用还停留在基础阶段，智慧实验室的建设仍处于起步阶段，信息技术与传统实验室的融合还不够完善，需要一线教师、管理人员和研究人员进行进一步研究，推动两者的深入融合。

参考文献

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[2]吴庆州，王涛，徐春燕，等.信息化时代构建智慧型物理实验室的研究[J].实验技术与管理，2020,37(4):261–264.

[3]徐婷.智慧实验室在生物学实验教学中的应用[J].生物学教学，2018,43(5):37–38.