智慧實驗室作為智慧校園的重要組成部分，是學校信息化發(fā)展到一定程度的內在訴求?；谛乱淮畔⒓夹g，從基礎設施、網(wǎng)絡環(huán)境、硬件、軟件四要素出發(fā)，搭建了一個由設備感知層、智能控制層、網(wǎng)絡層、服務層、業(yè)務應用層、用戶層組成的系統(tǒng)體系結構，展示了智慧實驗室系統(tǒng)的構建思路，目的是幫助實驗室實現(xiàn)智慧化、精細化與規(guī)范化的全時空管理、全要素管理、全生命周期管理。

實驗教學是高校課程學習的重要組成部分，是學生獲取、掌握知識的重要途徑，是深化課堂教學的重要環(huán)節(jié)?！督逃筷P于加快建設高水平本科教育? 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》指出,要“打造適應學生自主學習、自主管理、自主服務需求的智慧課堂、智慧實驗室、智慧校園。大力推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代技術在教學和管理中的應用”。智慧實驗室作為“智慧校園”的重要組成部分，是學校信息化發(fā)展到一定程度的內在訴求。

一、高校實驗室信息化管理的現(xiàn)狀

在前期建設過程中，由于大部分的實驗室分布在二級學院，相關人員較為關注實驗教學硬件設備購置,忽略對設備的開放使用、安全管理等方面的建設，導致在后期使用過程中暴露出了諸多問題。比如：(1)儀器、設備分布在各個實驗室，盡管有專人管理，但是缺乏集中統(tǒng)一的管理平臺，學校很難快速準確定位、跟蹤設備。(2)室內照明、設備供電無法智能化管理，造成資源和能源的浪費。(3)溫濕度、有害氣體濃度、顆粒物濃度、煙霧濃度、粉塵濃度、噪聲等指標無法實時監(jiān)測，對各類潛在的威脅和危險無法提前預知并發(fā)出警告。(4)不同院系實驗室之間資源利用分配不協(xié)調, 存在“信息孤島”現(xiàn)象，資源共享難以實現(xiàn)。(5)實驗教學資源分散、優(yōu)秀實驗案例資源缺乏收集和整理，無法共建共享隨著大量開放式實驗教學的開展，如何有效解決實驗室的高效運行與管理成為實驗室管理中亟待探討研究的問題之一，對實驗室的智慧化、安全化建設與管理成為領域內人士關注的熱點問題。

二、智慧實驗室的內涵

2008年，IBM公司首席執(zhí)行官彭明盛提出了智慧地球（Smarter Planet）的概念，他認為智慧地球的三要素是物聯(lián)化、智能化、互聯(lián)化。智能化的技術正時時刻刻被應用到生活的方方面面，如醫(yī)療、交通、電力、教育等，基于此，一系列的智慧化的行業(yè)解決方案很快被衍生出來，其中就包括智慧教育、智慧校園。

為智慧實驗室是以物聯(lián)網(wǎng)技術為核心，借助新一代信息技術實現(xiàn)實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯(lián)與信息共享，人員的互動協(xié)作等全面的智能感知實驗環(huán)境和綜合信息服務平臺。智慧實驗室以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智能化控制和移動互聯(lián)等信息技術應用為主線，將實驗室中的物理設施、信息設施、學習生活設施和科研設施連接起來，通過感知、物聯(lián)、智能化的方式，達到智能自動化管理和監(jiān)控，保證實驗室的安全，創(chuàng)造一個綠色環(huán)保、智能舒適的實驗環(huán)境。

智慧實驗室是以現(xiàn)代教育思想與理念為指導，以提高學生實踐能力和創(chuàng)新能力為目標，將物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智能技術等新一代信息技術有機融合于實驗室的管理和教學過程中，建設成具有全面感知物理環(huán)境、智能化管理與控制、教學過程可視化記錄與評價、資源和信息互聯(lián)共享、師生協(xié)作與互動一體化的實驗室學習空間和“一站式”服務平臺，實現(xiàn)實驗室建設的進一步精細化動態(tài)化管理、全時空管理、全要素管理、全生命周期管理。智慧實驗室通過將新一代信息技術和智能化設備與實驗室有機融合，以現(xiàn)代教育思想與理念為指導，基于物聯(lián)網(wǎng)技術構建全面感知的物理環(huán)境，基于互聯(lián)網(wǎng)構建開放、互動、共享的綜合實驗信息服務平臺，基于智能控制技術構建可視化、智能化的自動化管理和監(jiān)控，基于云計算、大數(shù)據(jù)等技術實現(xiàn)實驗教學過程的可視化采集、傳輸、交互、評價、應用和服務。

三、智慧實驗室的系統(tǒng)架構模型

在對智慧實驗室內涵分析的基礎上，秉承模塊化設計理念，筆者認為在基礎硬件設施上，可將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等信息技術與實驗室的基礎設備和應用系統(tǒng)進行有機融合，從基礎設施、網(wǎng)絡環(huán)境、硬件、軟件四要素出發(fā)，搭建一個由設備感知層、智能控制層、網(wǎng)絡層、服務層、業(yè)務應用層、用戶層組成的系統(tǒng)體系結構（如圖1所示）。

（一）設備感知層

利用各種物聯(lián)網(wǎng)技術和智能感應技術，通過 IC 卡、二維條碼、射頻標簽、攝像機、各類傳感器等自動標識，實時獲取各種監(jiān)測信息，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的全面感知、設備的識別及信息的采集等，并可以依據(jù)采集的大數(shù)據(jù)智能預測一般規(guī)律和發(fā)展趨勢。實驗室設備感知層的設備主要包括門禁系統(tǒng)、多媒體設備、照明系統(tǒng) RFID 標簽、二維碼、攝像頭、空調與新風系統(tǒng)、各類傳感器（二氧化碳濃度傳感器、有害氣體濃度傳感器、水浸傳感器、溫濕度傳感器、光敏傳感器）等。如：利用低頻和高頻的RFID設備進行門禁管理、刷卡考勤、設備盤點與統(tǒng)計等，利用攝像頭和智能錄播設備實現(xiàn)無感知考勤、實驗教學全過程視頻采集及實驗室安全監(jiān)控等功能。

（二）智能控制層

智能控制單元是智慧實驗室管理系統(tǒng)的核心支撐系統(tǒng)，具備精準控制、智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策等功能，是實驗室系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)應用的控制和執(zhí)行終端，能夠執(zhí)行各種管理指令，從而使實驗室達到系統(tǒng)化的智能運行管理。智能控制層主要包含三種類型設備：智能電源控制系統(tǒng)、實驗室智能中控系統(tǒng)、多媒體智能控制系統(tǒng)。

（三）網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層相當于人體的中樞神經(jīng)，實現(xiàn)人與人、設備與設備、人與設備之間全面的互聯(lián)互通，承載智慧實驗室所有的軟件平臺、硬件設備、基礎設施、人等信息之間的傳輸，為師生提供可靠、穩(wěn)定的泛在基礎網(wǎng)絡環(huán)境和持續(xù)的服務會話及感知數(shù)據(jù)的接入和傳輸。網(wǎng)絡層所涉及的網(wǎng)絡有有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)等，各網(wǎng)絡之間協(xié)調工作，使信息空間與物理空間能夠無縫對接、全面聯(lián)通。

（四）服務層

為消除各學院及各應用系統(tǒng)之間的“信息孤島” 現(xiàn)象 , 利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘等技術為基礎，深度整合數(shù)據(jù)資源，統(tǒng)一信息管理，建立一個統(tǒng)一的、共享的、標準的數(shù)據(jù)融合綜合服務平臺。主要包括統(tǒng)一身份認證、云計算與云存儲、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫服務平臺、虛擬化桌面、直播和錄播、大數(shù)據(jù)挖掘、服務器集群等基礎服務，為實驗室的數(shù)據(jù)融合和服務融合奠定基礎。

（五）業(yè)務應用層和用戶層

業(yè)務應用層旨在構建一個多服務綜合管理平臺，實現(xiàn)教學管理、實驗教學、資源管理、環(huán)境監(jiān)控等諸多應用，使得它們集成于統(tǒng)一的管理平臺之上，形成開放的實驗室系統(tǒng)，并為實驗室評估、實驗室建設及實驗教學質量管理等方面的決策提供數(shù)據(jù)支持。在實際建設過程中，可以根據(jù)學校的實際需求，以“業(yè)務支撐平臺”為基礎，靈活搭配豐富多樣的拓展應用模塊，最大限度滿足學校、學院、實驗中心、教師和學生等使用方和管理方的需求，LIMS系統(tǒng)可實現(xiàn)實驗室相關工作智能化、規(guī)范化、信息化管理，把管理工作從粗放式向精細化管理轉變，從而達到減少資源浪費的目的。