开放式实验室运行机制的研究与设计*

吴玲敏 杨海玲 肖丽娟 常瑞晴 鲁成秀

（山东师范大学地理与环境学院）

高校实验室是培养学生严谨求实的科学态度、激发学生探索创新的欲望、提高学生综合能力的重要基地。实验室的建设与管理在高等教育中有着举足轻重的地位[1,2]，目前高校实验室存在仪器利用率低、资源信息共享度低等问题[3,4]，传统的封闭式管理模式对创新应用型人才的培养造成了阻碍，开放共享的新型实验室运行机制成为高校实验室的新需求。

本文结合微信小程序（Lab Sir）、NFC（Near Field Communication)技术设计开放式实验室运行模式[5,6]，从实验室预约、安全知识考察及实验室安全管理等方面进行创新，立足于学生，在实验室预约系统、信息管理系统、培训考核系统及安全监控系统中设计创新点，让学生成为实验的主体，能更加安全有效地进行实验。一方面以简单的开放式管理模式为尚未引入“智慧实验室”的高校提供新思路，另一方面打破现阶段部分正进行实验室改革的高校以智慧设施建设为重心的做法，其运行机制的更新未跟上设施更新的步伐，要将侧重点转移到学生使用与实验能力培养上，把“智慧设施”真正用起来，推进高校开放式实验室的建设。

一、高校实验室管理现状

目前国内市场中实验室信息管理系统定制费用较高，在高校中未能全面普及，仅部分经费充足的高校院系引入了智慧实验室，全国大部分高校实验室依然遵循较为传统的管理模式，近几年高校实验室安全事故频发与其不无关系[7]，除安全问题外，陈旧的管理模式也不利于学生实验能力和创新意识的培养。

高校实验室主要用于本科生的实验教学以及科研项目，就本科教学阶段而言，学生的实验课程时间有限，教师对学生的实验安全教育以及实验设备操作培训通常在实操过程中完成，比较仓促，难以确定学生是否已经掌握。实验室准入制度过于程式化[8]，学生凭借背诵记忆便能通过理论考试，安全意识并未落实到实处[9]，因此学生往往存在对实验设备运行安全、危险品的使用和存放认识不足、应急能力缺乏以及废弃物的处置方法不明确等问题[10]。在实验室安全教育方面，学生能得到的培养有限。

其次，在极其有限的教学时间内，部分学生的实验需求也难以得到满足[11]，而自主申请实验室程序复杂，实验室一般由老师管理钥匙，借用实验室需手工填报，费时费力，效率较低，一般实验室内缺少监控，本科生独立实验存在较大的安全隐患，因此本科生很少有机会进行独立实验。

现阶段高校建设智慧实验室、共享实验室已是大势所趋，大部分高校已经进入了实验室管理改革的新时期，就部分已经引入智慧实验室的高校来看，都将重心落在了基础设施的建设上，如智能互联实验室所有设备、后台统一管控等硬件方面，这的确提高了实验室管理效率，但在规定制定、学生使用过程说明等方面的细节落实不足，未能激发起学生独立实验的兴趣，不利于今后自主实验的常态化。

二、开放式实验室的设计

开放式实验室的构建结合Lab Sir以及NFC技术展开，该架构包括实验室预约系统、信息管理系统、安全监控系统、培训考核管理系统，如图1所示。

图1 开放式实验室架构示意图

开放式实验室架构以学生为主体,实验室预约系统使学生通过Lab Sir进行实验室及危险药品预约，还可通过小程序学习实验室安全知识[12]；信息管理系统主要包括实验室使用情况、器材存量、人员信息等的收集整理；安全监控系统通过实时监控对讲装置不但能实现监控，学生还能使用对讲功能与指导老师进行沟通；培训考核系统针对学生进行相关法律法规、应急事故的处理、实验基础操作等方面进行考核培训。实验人员实验流程图如图2所示。

图2 实验人员实验流程图

（一）实验室预约系统

实验室预约系统主要借助Lab Sir小程序，设计学习资源、实验室预约及实验反馈等板块[13]。在学习资源中分享了如仪器设备操作、实验室安全常识、应急处理方法等文章，学生可以随时登录小程序浏览学习；在实验室预约板块，供学生查询实验室、预约实验室，学生选择实验室后，须填写姓名学号等个人信息，还须上传安全知识测试单和预约实验报告[14]，提交后等待管理员审核。在实验反馈中设计师生反馈通道，以便用具损坏、仪器故障能及时上报[15]。实验人员进入实验室前需先通过Lab Sir操作完成预约，允许后即可进入实验室进行实验。图3、图4、图5为Lab Sir小程序的二维码、首页局部截图及预约实验界面。

图3 Lab Sir二维码

图4 Lab Sir小程序首页局部截图

图5 Lab Sir预约实验界面

（二）信息管理系统

在传统实验室中，大型仪器设备的信息展示依然采用在仪器上贴标签的方式，标签信息更新困难，实验仪器的使用手册存在易丢失的状况，且在实验过程中，使用手册数量有限，难以满足大量学生的使用需求。此外，实验室钥匙一般由教师保管，学生进出实验室须手写登记，程序较为繁琐。NFC技术凭借着安全快速、简单低功耗的特点可以化解这一难题，可满足学生对开放式实验室的使用需求。

本研究NFC的工作模式可以分为两种，主要为卡模拟模式、读卡器模式。卡模拟模式属于被动通信模式，主要应用于非接触移动支付，广泛应用门禁的管理，其极大优势在于通过NFC终端读卡器的RF场来供电，不需要电的支持也可以完成相关操作，在本研究中主要体现在门禁系统的使用上。读卡器（读写）模式属于主动通信模式[16]，主要应用于信息获取，将支持NFC的手机靠近带有NFC功能的标签，通过NFC应用程序展示预先设定的内容[17]，在本研究中主要体现在当学生在实验室中想要使用某种仪器时，只需通过支持NFC的手机去扫描相应的标签，便能浏览该仪器的信息，包括仪器的名称、使用方法或使用视频等内容，让学生在无老师指导的情况下也可以学习有关仪器操作的知识。

信息收集整理主要包括实验室信息表、人员信息表、仪器耗材信息表、实验室安全管理条例，将其导入小程序中，便于学生查询相关信息，如空闲实验室查询、危化品申请等，在小程序中，还需定时上传实验教学视频，以供学生学习。信息库不仅便于学生查询信息，也对实验室管理人员的管理工作提供了极大的便利。

（三）安全监控系统

安全监控系统的主要目的是提高实验室的安全性，避免偷盗事件的发生。实验室管理人员可对学生实验操作过程进行实时监控，提高管理效率。此外，学生和值班教师通过监控设备进行语音沟通，在第一时间能够进行问题交流与反馈。通过电脑或手机客户端借助语音功能对实验室状况的实时反馈，如遇突发情况，指导老师或管理员也能够在第一时间给予指导或前往实验室进行及时处理。监控设备的使用既保证了实验室的安全性，也为学生创造独立自主完成实验操作的实验室环境，在提高效率的同时也保证了安全性。

（四）培训考核系统

培训考核系统面对的主体主要是学生，旨在考查学生实验室安全知识的掌握情况，其考察内容主要包括国家颁布的实验室相关法律、法规等，以及制定的应急预案、仪器设备的使用和急救措施等理论知识，如如何使用灭火器和消防栓进行火灾，如何从事故中的实验室逃生，发生触电事件后如何应急处理等[18]。考核的形式主要为笔试，定期在Lab Sir中发布测试题，所有人员使用自己的账号登录进行答题，提交后成绩再自动判定，借此考察动手操作能力和基本知识的储备强弱水平。

除理论学习外，各班每学期开展一次及以上的实验室安全教育活动，如组织讲座、应急演练等[19,20]，以将所学落实到实处。

三、结语

开放式实验室架构从为学生创造开放式实验室的角度出发，为学生提供从实验室预约、仪器使用学习到实验中远程协助的一条龙服务，可从一定程度上满足学生自主进行实验操作的需求，培养学生的实验素养和创新能力，同时还能提高实验室资源利用效率，为高校学生创造一个更便捷的实验模式、学习模式，以及更安全的实验环境。

当然，要实现高效安全的开放式实验室建设并非易事，运用本文所研究的开放式实验室运行机制，借助小程序和NFC进行管理，在一定程度上可以提高实验室的利用效率和学生的学习效率，简单的预约流程也有助于激发学生的实验兴趣，但是，开放式的实验室意味着更大的人员流动，因此在管理规范的问题上依然不容忽视，所有流程应当制定详细的规定，实现规范化，本文研究的运行机制在具体实践中还需进一步完善。除了制定详细的规定外，开放实验室的落地还需要足够的资金支持，开放式实验室意味着实验室的使用率提高，会消耗更多的试剂及折旧更多的器材，因此足够的资金是基础。开放式实验室的实现并非一朝一夕之事，需要在这个漫长的过程中一步一步地改进，才能达成安全高效的目标。