智慧實驗室作為智慧校園的重要組成部分，是學校信息化發展到一定程度的內在訴求。基于新一代信息技術，從基礎設施、網絡環境、硬件、軟件四要素出發，搭建了一個由設備感知層、智能控制層、網絡層、服務層、業務應用層、用戶層組成的系統體系結構，展示了智慧實驗室系統的構建思路，目的是幫助實驗室實現智慧化、精細化與規范化的全時空管理、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節。《*關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》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。大力推動互聯網、大數據、人工智能、虛擬現實等現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，是學校信息化發展到一定程度的內在訴求。

一、高校實驗室信息化管理的現狀

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測，對各類潛在的威脅和危險無法提前預知并發出警告。(4)不同院系實驗室之間資源利用分配不協調, 存在“信息孤島”現象，資源共享難以實現。(5)實驗教學資源分散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

智能化的技術正時時刻刻被應用到生活的方方面面，如醫療、交通、電力、教育等，基于此，一系列的智慧化的行業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網技術為核心，借助新一代信息技術實現實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯與信息共享，人員的互動協作等全面的智能感知實驗環境和綜合信息服務平臺。智慧實驗室以物聯網、云計算、大數據、智能化控制和移動互聯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、智能化的方式，達到智能自動化管理和監控，保證實驗室的安全，創造一個綠色環保、智能舒適的實驗環境。

智慧實驗室是以現代教育思想與理念為指導，以提高學生實踐能力和創新能力為目標，將物聯網、互聯網、云計算、大數據、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、資源和信息互聯共享、師生協作與互動一體化的實驗室學習空間和“一站式”服務平臺，實現實驗室建設的進一步精細化動態化管理、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，以現代教育思想與理念為指導，基于物聯網技術構建全面感知的物理環境，基于互聯網構建開放、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控，基于云計算、大數據等技術實現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，可將物聯網、云計算、大數據、移動互聯等信息技術與實驗室的基礎設備和應用系統進行有機融合，從基礎設施、網絡環境、硬件、軟件四要素出發，搭建一個由設備感知層、智能控制層、網絡層、服務層、業務應用層、用戶層組成的系統體系結構（如圖1所示）。

（一）設備感知層

利用各種物聯網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，實時獲取各種監測信息，實現對實驗室環境的全面感知、設備的識別及信息的采集等，并可以依據采集的大數據智能預測一般規律和發展趨勢。實驗室設備感知層的設備主要包括門禁系統、多媒體設備、照明系統 RFID 標簽、二維碼、攝像頭、空調與新風系統、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、設備盤點與統計等，利用攝像頭和智能錄播設備實現無感知考勤、實驗教學全過程視頻采集及實驗室安全監控等功能。

（二）智能控制層

智能控制單元是智慧實驗室管理系統的核心支撐系統，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，是實驗室系統互聯網、物聯網應用的控制和執行終端，能夠執行各種管理指令，從而使實驗室達到系統化的智能運行管理。智能控制層主要包含三種類型設備：智能電源控制系統、實驗室智能中控系統、多媒體智能控制系統。

（三）網絡層

網絡層相當于人體的中樞神經，實現人與人、設備與設備、人與設備之間全面的互聯互通，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、穩定的泛在基礎網絡環境和持續的服務會話及感知數據的接入和傳輸。網絡層所涉及的網絡有有線網絡、無線網絡、物聯網等，各網絡之間協調工作，使信息空間與物理空間能夠無縫對接、全面聯通。

（四）服務層

為消除各學院及各應用系統之間的“信息孤島” 現象 , 利用云計算、數據挖掘等技術為基礎，深度整合數據資源，統一信息管理，建立一個統一的、共享的、標準的數據融合綜合服務平臺。主要包括統一身份認證、云計算與云存儲、統一數據庫服務平臺、虛擬化桌面、直播和錄播、大數據挖掘、服務器集群等基礎服務，為實驗室的數據融合和服務融合奠定基礎。

（五）業務應用層和用戶層

業務應用層旨在構建一個多服務綜合管理平臺，實現教學管理、實驗教學、資源管理、環境監控等諸多應用，使得它們集成于統一的管理平臺之上，形成開放的實驗室系統，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據支持。在實際建設過程中，可以根據學校的實際需求，以“業務支撐平臺”為基礎，靈活搭配豐富多樣的拓展應用模塊，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系統可實現實驗室相關工作智能化、規范化、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。