实验室智能管理系统的设计与实现

实验室智能管理系统的设计与实现

0实验室建设发展方向随着教育改革的不断深化和教育质量管理的全面推进，高校实验室作为实验教学、科学研究、生产试验和科学研究的重要基地，在培养创新型和应用型人才方面发挥着重要作用。当前,资源集约化的实验中心模式已经成为各高校实验室发展的必然趋势和必然模式,“资源共享”、“开放实验室”、“创新实验”已是高校实验室建设发展重要目标。集中管理好仪器设备和实验用房,发挥其应有的作用,对高校实验室领导者和管理者提出了更高的要求,必须创新实验室的管理理念和管理模式来适应高校教学、科研和对外服务的需求。1大学实验室的开放管理趋势1.1实验室管理模式和实验教学管理混乱(1)不能满足学生实验实践需求。随着实验课程体系建设普遍受到各高校各学科的重视,实验课程和项目在数量上明显增加,特别是综合性设计性实验内容显著增加,学生数量增加,与之对应的实验室场地、仪器设备数量、实验教师管理和调配,还用传统实验室管理模式,势必给实验室管理者带来更加繁重的任务,容易造成管理混乱,也会影响实验教学质量。(2)不能满足学生素质教学的需求。高等教育要求对学生加强素质教育,重视学生创新思维和创新能力培养,学生课外科技创新活动和创新项目层出不穷;个性化教育、研究性学习是现今高等教育教学改革的主流,在探索多元化实验培养新模式过程中,开放实验室还沿用传统的管理模式,实验室管理则需要投入大量的人力、物力,并且容易造成管理混乱和效率低下的情况。(3)对实验教学改革不能进行科学评估。开放实验室中仪器设备、实验学生、实验教师、实验项目等因素复杂而多变,传统人工管理统计模式,难以及时合理地对实验教学改革做出客观评价,也不能对实验教学改革提出合理性的指导意见。(4)传统实验室管理模式难已适应高校科技创新。随着高校的科研项目数量和资金逐年增加,重点实验室的建立,大型特大型仪器设备进入实验室,高校科研的主力军研究生和博士生需要长时间在实验室工作,需要实验室开放和资源共享;传统的实验室管理模式已不能满足这种需求。1.2日本复合材料学院2000年在科学技术发展牵引以及社会需要的推动下,材料科学与其他学科专业的交叉面在不断扩大,涉及材料的边缘学科不断出现。当前,材料的应用已经渗透到生命、医药、电子、信息、能源、环境、航空航天等各个尖端领域。《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》已明确将新材料列入七个中国的战略性新兴产业之一。材料科学与工程学院源于1954年我国著名纤维科学家和教育家钱宝钧、方柏容教授创建的新中国第一个“化学纤维”专业。1994年成立材料科学与工程学院,2000年“材料学”获上海市十大“重中之重”学科。2001年“材料学”被评为国家重点学科。2008年“材料加工工程”批准为上海市重点学科。目前有“材料科学与工程”、“材料学”、“材料物理化学”、“材料加工工程”、“纳米纤维及杂化材料”、“物质智能系统(工程)”、“仿生材料”和“高分子化学与物理”博士点和相应的硕士点。学院还拥有“纤维材料改性国家重点实验室”和“高性能纤维及制品教育部重点实验室(B)类”和“先进玻璃制造技术教育部工程研究中心”6个国家和省部级实验室和研究基地。材料科学与工程学院教学实验中心成立于1998年,是当时全国高校第一批试点搞实验中心的学校之一。2000年中心下设了大型仪器设备共享平台,把“211工程”建设、重点学科及其他各方的资金购置的大型仪器设备。近3年来,实验教学中心学科的仪器设备专项投入超过5000万元,其中211(三期)1500万元,纤维国家重点实验室及其他学科基地近2500万元,重点学科建设投入约650万元。实验教学专项资金投入580万元。目前实验教学中心总面积超过6000m2,拥有各类仪器设备3457台(套),总价值超过6000万元人民币。针对新情况新问题,从材料学院教学实验中心(仪器设备公共服务平台)开放管理存在的矛盾和问题入手,结合自身实验室开放积累的经验和方法,用全新的实验室管理理念自主设计了一套“实验室智能管理系统”,作为实验室开放管理的重要工具。并依托管理系统建立了实验室开放新模式。2实验室管理改革的基本内容和具体措施2.1建设开放式实验教学中心面对材料科学与工程学科新的发展形势,实验中心抓住机遇,以学校优势学科专业特色为基础,进一步深化实验教学改革,把学院的本科、研究生教学平台及学科的国家、省部级科研基地整合在一起,形成了一体化的开放式实验综合公共服务平台(实验教学中心)。实验中心统筹了“211工程”建设、重点实验室、重点学科等学科实验室建设资金以及各项实验教学投入资金,统筹规划、调配资源、合理布局。提高资金投入使用的有效性,提高仪器设备的使用率。坚持“教学相长、教研相长”,以学科建设为龙头,人才培养和科技创新为主线,把管理和服务联系起来,实验中心管理核心是为教学和科研服务,让学生、教师和科研人员成为实验室真正主人。制定实验室短、中、长期规划,让公共资源变得公共性、透明性、科学性、合理性、效率性、责任性和服务性。2.2实验室智能管理系统2008年,实验中心通过校企合作,联合上海万欣计算机信息科技有限公司专业技术团队,自主研发了一套“实验室智能管理系统”,创造性地建立了高校实验室管理新模式。“实验室智能管理系统”(图1)是集信息化、过程化、系统化控制的管理平台。通过门禁刷卡、电源控制器、视频监控、中央服务器等硬件,自主设计的“实验室开放”软件、“实验教学管理”软件、“数据统计与分析”软件等几十多个子系统,结合中心网站,对实验室各个具体业务流程及实验现场的“人、物、事”进行实时管控;通过对实验室进行全业务、全空间智能化的过程管控,通过管控到仪器设备的终端方式,保障交互至校级管理平台的仪器设备使用数据的真实性。通过“管两头、控中间”管理模式,预约、授权、刷卡、远程电源控制及视频监控等手段,学生和教师无需实验室管理人员在场的情况下,可以24h进出实验室。此系统不是单纯的信息管理系统,而是对实验室动态运行过程的管理系统,如“实验室开放预约系统”不是简单网上预约排队,而是把学生前期的培训考核(操作和安全准入等),获取仪器设备操作资格(上岗证);提出申请网上预约仪器设备,申请单通过网络自动传至导师邮箱,由教师和管理员两级审批(可以在任何有网络地方都能审批);学生获得实验室准入资格后,通过门禁刷卡进入实验室,同时联动智能识别终端和电源控制器接通所预约仪器的电源(实验室内的其他未约仪器没有电源),整个业务自动且程序化连接。学生或教师只要有资格,无需管理员在场的情况下在预约时间段内,24h内都能进出实验室。“实验室智能管理系统”目前拥有几十个能管控各类事物的子系统和几千种功能模块,这些子系统又可以相互关联,产生“1+1>2”的功效。本系统是结合先进的实验室管理理念,把网络技术、计算机技术、电子技术、智能卡技术、安防技术等结合在一起的智能化、流程化、系统化的高科技管理系统和管理平台。2.3建立了比较完整的实验教学体系,确保了学生实验实充分利用自主研发的“实验室智能管理系统”和网络信息平台(中心网站),作为实验教学的辅助手段为学生提供了更大的自主学习空间。中心把实验教学课程大纲、实验项目、实验讲义、题库都放在中心网站,可以让学生在实验前后作为预、复习资料随时查询,特别是对低年级学生提早了解整个专业实验课程体系有非常好的作用。依托“实验室智能管理系统”中的排课选课子系统,在教务处规定的时间段内,实验课程中的实验项目学生可自由选择时间来做,系统中还有视频在线观看操作过程,有讲义下载和思考题,作为实验预习工作的考核。学生的考勤和平时成绩(每个实验有7个成绩项目)都是由系统统计完成,使学生实验的平时成绩统计更加规范和合理。有了先进实验教学手段,保障对实验教学体系进行了大力度改革,建立了更适合大材料学科发展的“一二三级”实验课程体系(见图2),实施分层次、多模块实验教学。“三层次、七模块”实验教学体系设计,遵循“由浅入深、注重交叉、强调综合能力培养、鼓励创新”的原则,坚持“一个核心,四个结合”:以培养学生的动手能力、工程能力和创新能力培养为核心,坚持理论教学与实验教学结合、实验教学和工程实践结合、实验教学和科学研究结合、课内实验和课外科技活动结合。2.4实施了“4.2”基础实验,促进了学生的创新和升级依托“智能实验室管理系统”,实验室实行24h全天候开放。学生可以通过网上预约实验室或仪器设备,在预约时间段内自由进出实验室,促进了学生的个性化发展,对学生素质培养提供有力的手段。(1)加强学生自主学习的能力。学生对实验课中未完成的实验,或者还想重新做的实验,提出申请,中心尽力安排。特别是对本科毕业班的学生和研究生,中心24h开放实验室,给学生更大实验空间和时间,大大缓解了学生就业压力,确保论文和就业两不误。(2)提高了学生的科技创新能力。24h开放实验室,使一、二年级学生的创新实验进行得到了充分保障,由于低年级学生课程压力大,白天大多时间都有课程学习,没有整段时间去做实验。近年来,学生利用实验中心开放实验室完成了40余项国家级,70余项上海市,100余项校级立项的大学生创新实验项目,促进了大学生创新能力和创新思维的培养。(3)探索“B+X”实验新模式。在已实行多年的“三层次、七模块”实验新模式的基础上,进一步深化以学生为中心的开放式实验教学模式,探索推行“B+X”实验新模式。“B+X”实验新模式含义有二层。(1)把专业实验课程体系中的实验分成两部分:必修实验(B)和选修实验(X)。保留学科经典基础实验作为必修实验(学分考核部分),增加学科前沿的创新性实验作为选修实验(不考核),从而减轻学生考试压力,激发学生实验热情,拓展学生学科实验知识和技能。(2)基础实验(实验课程体系中的实验)+X个特色实验。特色实验可以是学生课外科技活动,可以是项目创新实验,也可以是大精仪器的培训。东华大学材料学院20%的本科毕业生寻求去国外深造,这部分“准研究”型的学生对学科前沿的科学技术、先进的测试方法和手段非常喜爱,特色实验能发掘学生的潜质,激发学生的创新思维和能力。学生在特色实验中可以凭兴趣带着题目找导师,也可以根据导师设立的题目自由选择。特别是在专业实验课程体系中,接触很少的特大的贵重仪器,如扫描电镜、X射线衍射仪、拉曼红外光谱等仪器技能培训,受到学生欢迎。本科生可以同研究生一样接受培训,掌握技能后,独立操作这些仪器。2.5开放实验室,扩大研究,提高研究生的社会效益依托智能实验室管理系统新的开放平台有利于学科发展,科研项目进展迅速:24h开放实验室,让研究生、博士生更多时间来中心使用仪器设备开展科研工作,加快科研项目的研究速度,也加快了研究生的培养速度,其中隐含的社会效益是不言而喻的。目前中心对全校其他学院学生和社会加大开放力度,让更多学生和研究人员从中获益。2.6强化实验意识,注重科研成果的质性和实效依托智能实验室管理系统新的开放平台,促进实验教学改革,把各方投入的仪器设备用于本科教学,新增新开实验,改革实验教学体系和模式,让本科学生更多接触学科方向的先进仪器设备和相关实验。通过加大实验室开放力度,支持本科学生的创新实验和科学研究,缓和了学生扩招带来的实验教学资源紧缺。(1)依托重大科研成果加强创新实验训练。以高水平科研促进实验教学内容、手段和方法的改革与更新,及时将最新的的科研成果经过凝练、整理、补充进综合性、创新型实验教学环节中,不断丰富实验教学内容、手段和方法,努力做到寓研(科研)于教(教学)。在大型创新实验训练中,鼓励学科带头人等高层次科研人员担任责任教授,与实验人员相结合,一起指导学生,使全部学生都有直接受到高水平科研人员指导实验的机会。(2)全面开放科研基地。将重点实验室等全院研究基地向学生开放,进一步支持本科生参与科研活动,使学生根据自己的兴趣和爱好早定课题,争取获得各级大学生创新性实验计划项目支持;鼓励全体学生早进实验室、早进科研团队进行科研训练,从而培养对科研的兴趣,提高科技创新、科技应用的能力。(3)开设精品实验。将近年来购置的20多台贵重仪器和大型设备被直接引入专业实验课程体系,价值总价值超过100多万的3台热分析仪,投入到一级实验(材料科学)和二级(高分子和复合材料物理化学实验)实验模块;价值70多万元的固体紫外分光仪和30多万元的紫外分光仪投放于一级实验(材料科学)和三级实验(无机非金属大型综合设计性实验)中。在3个专业大型综合设计性实验(3门实验课程25个实验项目)中,投入更多学科购置的重大科研项目设备,如获得国家科技进步二等奖的“碳纤维纺丝”、“高强高模聚乙烯纺丝”项目中使用的大型装备,让学生了解和掌握学科前沿的尖端加工设备、加工技术、测试仪器及测试技术。2.7创新实验室管理人员学习管理方法通过智能实验室管理系统,加强培训制度,提高实验用户自主使用仪器设备的权限,减少实验管理人员低层次重复劳动,减轻工作负荷,解放生产力,把实验室管理人员从“看门人”变成“服务员”,从操作员变成培训员,有更多的时间去维护仪器设备,开发仪器的新功能;有更多时间去学习研究,通过走出去,请进来的校际交流考察方式,拓展工作视野,把业务与管理知识学习常态化、固定化、规范化,定期开展培训、讲座、研讨,以此来加强管理者的学习能力,及时更新知识,提升自我质素,努力构筑学习型的管理团队和氛围。提高实验室人员岗位技能和岗位职责,提升整个实验中心的战斗力。2.8实验室安全智能管理依托实验室智能管理系统,建立新的实验室管理制度和工作流程,整合实验室的各项资源,为实验中心的科学化决策和管理,提供更多的信息和手段,提高工作效率和管理水平。依托系统的网上预约、刷卡开门和电流检测等智能手段可以对每台仪器设备进行自动记录,通过视频监控掌握实验室安全和仪器设备使用安全等实验室基本信息。时时在线的信息,可以为仪器设备采购、管理员和指导教师工作量考核及领导资源调配决策等提供准确依据。3实践的效果“实验室智能管理系统”经过4年多的建设与实践,创建的实验室管理新模式取得了显著的效果。3.1实现了实验室24h信息公开,提高了设备使用效率中心依托“实验室智能管理系统”更好地管理和协调教学、科研一体化的综合公共服务平台,进一步充分利用科研资源,进一步深化教学科研协同,为培养拔尖创新人才创造更好环境。中心依靠这套系统,实验室24h自动运行。仪器设备100%实行网上预约,通过每月定期岗前培训、安全准入、预约刷卡开门等手段实现24h开放,让学生真正成为实验室的主人。极大地提高了仪器设备使用效率,实现各类仪器设备在非工作时间预约开放,2012年机时统计显示,非工作时间段使用机时数已占总使用机时数的53%。大幅降低管理成本,切实提高管理水平。3.2内涵扩展的情况下,提高学生的实验能力和创新能力依托实验室管理系统,调配公共资源,保证了实验教学改革的顺利实施,在学生数量增加4倍,实验课程增加近2倍,实验内涵扩展的情况下,让学生有更多的实验时间和动手机会,提高学生实验能力和创新能力。依托实验室管理系统,增加了学生教师进入实验室时间和使用仪器设备的时间,加快了科学研究进程,促进学科发展,学院研究生招生人数每年稳步增加,到2012年硕士研究生招生180名、博士研究生招生42名,研究生招生人数大于本科招生人数,保证了学院成为真正意义上研究型学院。3.3专利和论文发表情况大学生课外科创平台,5年来共获得国家立项40余项,上海市立项70余项,校级立项100余项。申请发明专利20项;2人获得2010年度上海市第四届上海高校化学实验竞赛二等奖;1人获得2009年度上海市高校学生创造发明“科技创业杯”二等奖;2人获得上海市第三届上海高校化学实验竞赛一等奖等。本科学生发表论文48篇,其中以第一作者身份发表论文19篇,其中一名学生以第一作者身份发表文章被EI收录,更有学生在国际期刊Cryst.Eng.Comm(I