信息化时代下构建智慧型大学物理实验室的探讨

实验教学是高等学校理工科人才培养方案中的重要组成部分，2018年1月，教育部颁布的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》更是凸显了实验教学的重要性，尤其明确了物理实验课程是所有理工科学生的必修课程。物理实验作为学生科学实验训练的入门基础实验，它具有受众面广、知识面广、开课时间长等特点，有利于学生养成良好的科学实验习惯，培养学生的创新意识，显著提高学生的动手能力。建设智慧型物理实验室有利于进一步提升物理实验室管理水平和实验教学效果。

1 智慧型物理实验室的系统构架

1.1 智慧型实验室感知层硬件的设计实现。物理实验使用的仪器多无法实时采集实验数据，为此通过实验者实时报送数据的方式实现实时数据采集。根据绝大多数物理仪器都需要使用电源这一特性，通过设计电源黑盒来控制仪器的使用。电源黑盒内装有电源控制模块，实时记录当前仪器总电流情况，并加装温湿度传感器感知黑盒周边温湿度情况，这些数据一旦开启，管理层即可通过平台显示出某黑盒已经启动。管理层在该实验室通电情况下可以远程控制该黑盒的开启与关闭，通过摄像头实时查看学生实验情况。学生做实验前通过微信扫码开启电源，做完实验扫码关闭电源，完成常规的实验签到签退功能。黑盒可以识别使用者及使用时长，并自动记录，可对某实验室多少套仪器在运行做实时汇总。当个别仪器突发大电流时，第一时间预警、记录，并在第一时间通知实验员处理。

1.2 智慧型实验室信息层、管理层设计实现。信息层充分利用现代化信息技术手段，具有智能处理各类数据的功能，可以大幅度提高实验室的管理水平。管理层借助物联网实现对物的管理，并通过打通现有实验室网站、资产处网站、资产管理系统、实验教学系统，实现对信息资源的整合管理。管理层通过各种输出方式实现与手机、电脑、多媒体、电视端等连接，从而使管理人员便捷掌握实验室内的各种信息，管控实验室内的各类设备。

2 子系统的设计实现

2.1 微信一键注册登录。每台设备终端通过电源黑盒互联，将电源黑盒ID信息生成二维码，学生用手机端扫码即可进入控制界面，学生账号与微信绑定，利用微信一键登录注册使用仪器。扫码登录后学生可以选择设置仪器通电时间、实验数据上传、仪器报修、关闭仪器等功能。

2.2 仪器使用系统。学生一旦扫码后数据中心即可收到信息并记录相关数据，同时将数据传输至管理层，管理层工作人员可以实时查看仪器谁在用，用了多久，有无异常等。学生上报的实验数据通过数据中心智能分析后，如遇数据出入较大，系统通过微信平台直接反馈给学生，从而提升学生实验效率。该系统替代了传统的手工签到、签退、点名等工作，可以自动生成数据报表。何时何人在用这台仪器一目了然，实现对仪器使用追溯。

2.3 考试系统。该系统包含系列考试，实验室安全考试，预习测试，实验单项测试，综合测试等，根据考试需要设定考试形式，可以是开放式随时考，也可以是统一考试。实验单项测试可以在实验室里边做实验边完成考试，检验学生动手能力。该系统根据教师设定的规则自动评判学生平时成绩，更加科学公平。

2.4 实验数据存储及评分系统。数据存储分析涉及大数据和人工智能，系统通过收集学习实验数据，综合研判当前温湿度环境下实验合理数值，智能识别编造数据、抄袭数据，让学生养成自己动手测量的好习惯。

2.5 实验室监测系统。采用高清摄像头搭配各类传感器完成硬件铺设，监测系统360度云台远程操控。智慧实验室的摄像头不是单纯的录像功能，通过AI人脸识别算法可以实时识别实验室内人数。在出现火灾等险情时能够与管理层智能联动，在非实验时段自动进入侦测报警模式，只要有人或者动物进入就会发出警报，同时将画面传至管理员手机及邮箱里，可以有效防盗和防入侵。

2.6 资产管理子系统。资产管理系统与仪器使用系统连通，包含仪器设备分布情况、使用情况、维修次数等功能。实现任何一台仪器使用情况溯源，维修情况溯源，智能分析仪器老化程度。

3 结语

知识社会环境下的智慧实验室是继实验室信息数字化之后即将发展起来的高级形态。智慧实验室对提升实验管理水平、教学效果，打造实验金课有很大的辅助作用，是实现实验室高效智能运转的最好办法。对现有教学实验室的改造升级，通过加装智能设备，利用信息化平台快速构建智慧型实验室有着较大的社会需求，希望本文所介绍的方案对教学型实验室的改造升级有一定的借鉴意义。

文章来源：《长春大学学报》 网址: http://www.ccdxxb.cn/qikandaodu/2021/0730/790.html