智能化自主实验平台建设与管理探究

［摘 要］ 学生自主实验的安全有效管理是高校实验室开放共享过程中的难点。鉴于学生自主实验过程中存在的实验室安全问题和教师指导管理问题，基于layui搭建的微信公众号和小米监控系统，搭建了实验室预约系统、自主学习平台及师生远程互动系统相结合的学生自主实验管理平台和创新性管理模式，实现了智能预约、网上学习、实验室远程管控、远程互动和学生自主实验。经过两年多的建设与实践，取得了良好的运行效果，提高了实验室智能化共享和管理水平，可为全国实验室开放管理提供应用示范。

［关键词］ 自主实验；预约系统；远程互动；智能化

［基金项目］ 2020—2022年中国石油大学（北京）教学改革项目“环境科学专业创新型实验室建设”（2020-2022）

［作者简介］ 王新伟（1976—），女（蒙古族），内蒙古赤峰人，博士，中国石油大学（北京）化学工程与环境学院副教授，硕士生导师，主要从事环境生物学和能源与环境研究；朱先磊（1974—），女，天津人，博士，中国石油大学（北京）化学工程与环境学院副教授，硕士生导师，主要从事大气环境化学研究；刘雨霞（1987—），女，甘肃金昌人，博士，中国石油大学（北京）化学工程与环境学院讲师，硕士生导师，主要从事水环境化学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）07-0017-04 ［收稿日期］ 2022-04-13

引言

加强实践教学建设，创新实践教学方法已经成为高校开展教学改革的重点［1-2］。实验室是培养学生实践能力、科技创新能力的重要场所，是融教学与科研开展科技研究的重要基地。实验教学在高校人才培养和教育中起着关键作用。近年来，我国不断加大对高校实验室的经费投入，实验室环境及仪器设备的配制等有了很大的改善和提高，但是传统的人工管理运行模式和有限的实验教学课时已经不能满足学生开展探究的需求，学生亟须一个能在课外时间自由开展科学探究实验的平台。有专家指出，目前我国高校本科人才培养模式所欠缺的是具有探索性、创新性的实践活动［3］。习近平总书记在全国科技创新大会、中国科学院第十八次院士大会和中国工程院第十三次院士大会、中国科学技术协会第九次全国代表大会上指出：“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。”［4］因此，致力于培养大学生创新创造、自主学习与合作交流的能力，开发开放性、自主性、合作性与研究性的实验平台，既可以促进大学生的全面发展，又可以成为大学生理论与实践相结合、学习与应用相统一的关键纽带。

很多高校对实验室开放管理方式进行了研究，从实验预约、智能化、信息化等方面进行了实验室平台管理方法的有益探索［5-6］，但多是从教师角度进行的管理改革，学生的中心地位并未充分体现，而从学生的角度调动积极性才是改革之本。因此，为了有效满足学生在课外开展科学探究实验的需求，为了顺利有序开展大学生科技创新活动，同时将实验资源进行科学、有序的开放共享，构建智能化的实验开放共享平台势在必行。

学生自主实验面临的主要问题是实验室安全问题和教师指导管理问题［7］。一方面，要实现实验室全天候、全方位对学生开放，会出现不同专业、不同基础的学生在一起进行实验，实验者构成复杂，安全意识参差不齐。虽然我校实验类专业的学生需要在大一进入实验室前完成实验室的安全考核，但仍存在少数学生安全意识较差、不按操作规范进行实验的情况。此外，专业实验室的安全问题与基础化学实验室的安全问题存在差异，如何保证专业实验室的安全是要解决的重要问题。另一方面，学生自主开展的研发实验或创新实验，多是利用课余时间来完成，指导教师不可能一直在实验室陪同学生，实验项目的质量保证和实验室安全是自主实验难以开展的限制因素。如何实现自主实验、如何有效对学生的自主实验进行指导、教师对学生的管理问题等都是需要解决的关键问题。

针对上述问题，中国石油大学（北京）环境科学专业实验室以简单高效、安全第一为目标探索搭建了智能化自主实验平台，包括预约系统、学习平台及远程互动系统，实现了实验室远程管控、智能预约、远程互动、网上学习和学生自主实验。经过两年多的建设，解决了自主实验教学中教师、学生、实验资源等受限的问题和在开放共享过程中存在的安全管理隐患问题，推进了专业实验课的教学改革，提高了实验室智能化共享和管理水平。

一、智能化自主实验平台建设

（一）实验室预约系统

要想实现实验室在空闲时段面向学生开放共享，需要在实验前进行实验预约，而如何确保预约学生的实验安全和对设备规范使用，是需要解决的首要问题。很多高校进行了实验预约平台建设［6-8］，但平台涉猎多样、系统庞大、操作较为烦琐，亦多未进行安全准入，如果能借助微信平台进行掌上实验室管理，将会使实验室管理工作变得更加便捷。基于此，针对自主实验的管理与运行现状，建立了“石大环境科学实验室”微信公众号，开发完成了实验室预约系统，并在预约前设置了实验室安全知识和相关设备使用的考核功能。

预约系统利用java编程，使用springboot轻服务框架搭建了服务端后台，基于layui搭建了公众号管理可视化模块，并基于Weui可视化组件构建了移动端用户界面——“石大环境科学实验室”微信公众号，指导教师随时在微信公众号上进行审核，使用起来方便快捷。预约系统有两大功能：考核与预约。预约的基本流程为学生信息填写—考核—预习设备空闲时段查询—预约—等待审核—审核情况查询。

考核为预约设备时需要通过的考试，主要考核设备的使用方法和注意事项。因为预约服务主要是针对实验室现有的设备预约，因此学生需要先行了解所预约设备的使用规程和注意事项，经过考核方可预约成功，目的是审核学生自学设备使用方法的效果，确保学生自主完成设备使用或具备使用设备的基础，可节约技术人员对每一位学生的设备培训时间，增加设备使用寿命，也提高了实验室的安全性。石大环境科学实验室公众号和预约界面见图1。

（二）学生自主学习平台

为使学生能方便快捷地获取开放实验室的相关信息，学生自主学习平台搭建在公众号里。自主学习内容包括自制实验设备使用方法视频、实验项目简介及相关实验室安全知识推送，形成了理论与实践技术知识学习平台，方便学生自学。我校环境科学实验室类型包括生态环境实验室、水环境实验室及土壤环境实验室，如生态环境实验室开放的设备有显微镜、灭菌器、旋转蒸发仪、植物培养架等，在学习平台制作这些设备的使用视频，供学生自学和复习。在掌握了使用方法和注意事项后，完成预约中的设备安全考核项，方可进行某一设备的预约使用。

（三）自主实验远程互动系统

在实验室全方位开放共享过程中，由于缺乏管理人员，教师指导管理的问题成为实验室开放的限制因素之一。建立严格的准入制度与远程监控系统可以实现实验安全监管和师生远程互动。因此，自主实验管理过程首先需要预约，预习系统通过后，再提交自主实验方案，实验方案通过后，方可进入实验室进行自主实验。在自主实验过程中，随时和指导教师交流设备的使用问题，试剂使用及自主实验过程中的相关问题，可以随时进行师生互动。

远程互动系统包括小米智能门锁、监控摄像头、路由器及远程监控软件。智能门锁可以实现学生进门的远程密码解锁功能，每次学生进门系统产生随机码发给学生，学生输入随机码即可自行开锁进入实验室。进入实验室后，便进入小米监控摄像头监控范围，小米摄像头可以监控整个实验室的空间，并具有存储视频功能。学生在自主实验过程中遇到问题时可与指导教师进行视频互动，解决问题。此外，指导教师可在空闲时间回放存储的视频内容，检查学生在实验室操作过程中是否有有误或不规范之处。学生自主实验流程见图2。

1.设备安全考核。此设备安全考核与预约系统中的设备预约考核为同一个窗口。学生进行自主实验的前提是通过自主学习平台完成实验室对应的设备安全模块学习，预约时先进行设备考核，只有考核合格的学生才有资格进行自主实验申请。

2.实验方案的提交和准入。学生进行自主实验前需要先将实验方案提交给负责实验室安全的指导教师审核，指导教师需要判断设备是否可用、试剂是否充足及实验的其他耗材是否完备，这些实验条件具备后可通过审核。审核通过后，学生根据实验室的开放情况（如空闲设备型号、空闲时段等），继续申请实验室准入。这一步申请审核通过后，才能按预约时间进行自主实验，此过程保障了自主实验的可行性和学生实验技能达标，确保了自主实验的基本实施条件。

3.自主实验与远程互动。学生自主实验申请成功后，在预约实验时间的范围内可进入实验室进行自主实验，监控系统可以全程看到学生做实验的情况，所以指导教师无须时刻亲自到现场指导。学生在实验过程中遇到困难与问题，可以通过监考系统直接远程与指导教师进行视频通话，指导教师通过远程方式帮助学生解决问题。学生自主实验远程互动系统见图3。

二、自主实验管理方法改革

为了保障学生自主实验的良好运行，在搭建智能化自主实验平台的基础上，对开放实验项目和自主实验教学方法进行了开发和改革。

（一）创新性实验项目的开发

目前已经开发了多项综合性及设计性实验项目，并应用于相应的实验室，具体实验项目见表1。实验项目基于环境污染问题和实验室的条件，从目前的研究热点出发，涉及无机污染物、有机污染物的污染过程及生物效应研究，研究对象涉及面广。学生基于研究兴趣自选污染物种类进行研究，不同实验组基于相似的研究思路开展实验设计，可以获得不同的实验结果，大大激发了学生的研究兴趣和研究思维，同时，锻炼了学生的动手能力、协作能力和实验设计研究能力。

（二）学生自主实验教学方法改革

在学生自主实验预习的基础上，进行线上实验原理学习—线下学生自主实验教学模式。线上项目简介及实验原理，总体上加强了线下学生自主学习能力的培养，充分利用线下实验室的空间和空余时间，教师进行现场答疑，研究生做实验辅助，大力培养学生从试剂准备到实验结果分析的全过程的动手能力与系统性研究思维，完善了以实验室开放为基础的学生自主实验教学方法改革，培养了学生的创新能力。最近两年，学生获得市级以上科技创新奖13项。

中国石油大学（北京）环境科学专业实验室以简单高效、安全第一为目标，探索搭建了基于微信公众号和小米监控系统的智能化自主实验平台，系统以先进性、专业性及创意性为建设理念，包括预约系统、学习平台及远程互动系统。同时，对开放的实验项目与自主实验教学方法进行了开发和改革，实现了实验室远程管控、智能预约、远程互动、网上学习及学生自主实验。运行的相关规章制度及实验室安全准入考核库仍需进一步完善，如实验室安全准入信息库可分为通识类、电器安全类、试剂安全类、生物安全类、仪器安全类等。从总体上来看，智能化实验开放共享平台使得实验室开放管理更加科学化、规范化和人性化，取得了良好的成效，同时，建立了可复制的智能化自主实验平台及运行管理机制，为我国的实验室开放管理创新改革提供了示范应用。

参考文献

［1］郑前进，王邵青，邢鹏，等.基于信息技术的大学生科技创新中心支持系统构建：以中国矿业大学（北京）为例［J］.大学教育，2022（1）：149-151.

［2］杨萍，杨潮锋，刘洪波.高校实验室智能化建设与管理［J］.实验室科学，2017，20（6）：179-182.

［3］宗传鑫，陈泽标，方静，等.开放型、自主型、研究型、合作型的大学生综合实验平台新探索［J］.大学教育，2019（8）：175-177.

［4］习近平谈治国理政［M］.北京：外文出版社，2017：276.    ［5］吕银云，潘蕊，翁玉华，等.构建智能化实验开放共享平台的探索［J］.大学化学，2021，36（2）：185-191.