智能一体化实验教学与管理系统的思考

    方宏件

    摘? 要 根据中小学实验教学与管理现状，分析梳理智能一体化实验教学与管理系统的内涵与特征，阐述智能一体化实验教学与管理系统的实际需要。在此基础上，对其进行架构，阐明各个功能模块的需求，给出关于智能一体化实验教学与管理系统的几点思考与建议。

    关键词 教育信息化;智能一体化实验教学与管理系统;智慧教育;人工智能;实验室;危化品室

    中图分类号：G482? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）03-0012-03

    1 引言

    强化实践教学，培养具有创新意识、创新能力以及科学素养的综合型人才是新时代的要求。随着教育信息化2.0的实施和智慧学校建设的不断深入，将进一步推动现代信息技术与教育教学深度融合，对促进教育公平，提高教育质量，培养现代化建设所需高素质人才提供强有力支撑。

    据调查，笔者所在的安徽省的绝大多数学校对实验教学、实验室日常管理工作仍处于手工阶段，仅有极少数学校能运用信息化手段进行管理，也取得了一定的成效，但仍處于探索和试点阶段。因大多数管理系统仅考虑实验教学与管理工作的部分因素，未能形成智能一体化效应，影响了使用效果。

    2 智能一体化实验教学与管理系统的设计理念

    实验室作为实践教学中的重要场所，在学校的教学中扮演了重要的角色，实验室的仪器、耗材、低值品等的需求也越来越大。随着现代实验室管理工作与教学档案资料建设的开展，传统手工纸质的登记管理方式，已经跟不上教育信息化发展的需求。纵观国内大多数通用中小学的实验室管理软件，其功能主要针对仪器设备、药品耗材的管理，忽略了对实验教学内容、教学过程的管理，而将两者紧密结合，实现实验教学与管理的综合性软件少之又少。

    随着信息技术的发展，物联技术的逐渐成熟，信息技术与实验教学、学科应用融合程度越来越高，其发挥的作用也越来越大。实验教学与管理迫切需要以信息技术为支撑，形成事联、人联、物联“三位一体”的综合管理应用信息系统。要实现中小学理科实验室管理与应用的“四化”目标，即实验室管理更加标准化，实验教学内容更加规范化，实验室预约安排及仪器设备领用流程更加智能化，危化品领用归还真正落实“双人制度”，各项实验资料实现电子化。学校及教育主管部门要及时了解各校实验课程开设及完成情况，用标准让教师有据可依，用智能技术让教师减负增效，从而推动实验教学的开展，培养学生的动手能力，促进城乡教育均衡发展。

    3 智能一体化实验教学与管理系统的需求

    智慧教育是教育信息化的发展趋势，必须以先进的理念支撑正确设计智能一体化实验教学与管理系统，一方面要改造学校实验室、仪器（药品）室的环境和软硬件设施;另一方面要引入云计算、物联网、大数据、移动互联、人工智能等新技术，实现教学与管理模式的变革与创新，构建一个从设备到数据全面打通，从教学活动、器材管理到数据评价全面融合的整体框架。智能一体化实验教学与管理系统必须满足以下需要。

    明确职责，分工协作? 能结合实际情况设置系统管理员、实验室管理员、学科教师、危化品管理员、分管领导及主管部门角色，既明确角色工作职责，又能协同管理。

    系统管理员拥有最高权限，能对系统的初始化设置、人员角色、功能权限、教材版本、实验（仪器）室、器材标准、工作流程等进行全方位管理。

    学科教师根据所带学科、班级、课程表等信息，自主进行实验室（器材）的预约、查询等功能，自动形成实验教学过程性资料。

    实验室管理员针对实验仪器的采购、入库、标定（上架入橱）、报损，以及开展实验教学时实验室安排，实验仪器药品的领用、归还、报损等方面进行管理，能同步查询、统计及打印。

    危化品管理员能针对危化药品的存储、使用、处置环节重点审核，利用不相容权限设置，落实双人收发、双人记账、双人双锁的管理制度。

    学校及教育主管部门能实时对实验教学开展、实验室管理、危化品使用等情况进行查询，对相关指标进行统计分析。

    实验器材规范管理

    1）教学内容规范化。组织学科工作室根据课程标准的要求，将各学科实验教学内容及所需实验器材逐项梳理后预置系统内，既可供教师参考，也能快速预约安排，还可以提供个性化实验需求。

    2）实验管理规范化。根据教育部实验室装备规范配置各学科实验教学中所需的仪器用品、药品耗材;能根据日常实验教学使用情况实现实验仪器耗材的库存预警，自动形成采购计划;能根据中小学实验室规程对教学仪器进行合理分类、规范存储、标定上柜;能满足学校资产管理、数据汇总等要求。

    3）危化药品规范化。以信息手段综合人防、物防、技防措施，建立中小学实验室危险化学药品管理的长效机制，消除安全隐患。设置不相容职务管理权限，落实双人协同管理危化品制度，实时采集危化品室人员出入音视频信息，上传危化品领用归还处理信息，对危险化学品监管等进行全程综合管理。

    4）流程管理规范化。能根据不同规模学校设定管理流程，把控重点工作流程，减少辅助流程和环节;把以人为主体的分工模式转变为以职能为主体的分工模式，限定不相容职务管理权限;将高效的管理制度固化，将合理的流程进一步优化，将实验教学工作与实验室管理工作无缝衔接;让学科教师与实验室管理员能在每个环节上分工协作、协同处理，实现全程一体化管理，提升学校实验教学与管理水平。

    档案资料自动留存? 各学科教师在通过系统软件开展实验教学时产生的教学计划、预约申请、实验安排、仪器领用（归还）、教学完成情况的记录，实验室管理员对实验仪器药品的采购、入库、登记、上架、借用、归还、报损、处置等环节的记录，其他管理员协同处理的记录，以及通过门禁、视频等方式实时抓取的音视频、图片等数据，都将实时同步上传到服务器，实现实验教学与管理工作档案资料的电子化，实现各类表单、账册的数据一致化，实现账物动态实时化，既能减轻各学科教师、管理员的工作负担，也可有效提高工作效率。

    教学管理监督分析? 因所有实验教学与管理工作的相关数据均能实时上传到服务器中，数据价值能得到充分体现。首先要满足各学科教师和实验室管理员对实验教学计划、教学内容、课程开设、完成情况等进行查询、对比;学校及教育主管部门能够及时了解各中小学实验课程开设及完成情况、实验室日常管理工作情况，可实现全方位、多角度、无盲区的有效监管;还可利用大数据及人工智能技术深度挖掘数据有效价值，展开横向、纵向对比分析，实现区域间数据共建共享，促进区域实验教学与管理工作的整体提升。即使出现实验教学与管理工作意外事件也可追本溯源，查找事故真实原因。

    4 智能一体化实验教学与管理系统的开发架构

    考虑区域协同及管理需求，采用C/S架构，利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到服务器（Server）端和客户（Client）端来实现，实现一平多端使用模式。

    1）服务器端使用硬件服务器，架设MS-SQL Server数据库系统，设置软件版本、教材版本、用户信息、学校及班级、学校实验室、实验设备采购、设备位置、设备库存信息、实验目录、仪器目录、实验教学等信息表单。

    2）客戶端使用VB 6.0编程语言，设置实验管理、仪器管理、学校信息、信息查询、基础信息、系统维护等功能模块。

    5 智能一体化实验教学与管理系统的功能设计

    为更好地实现智能一体化实验教学与管理系统的功能需求，必须充分利用云计算、物联网、大数据、无线互联、人工智能等新一代技术手段，形成事联、人联、物联“三位一体”的综合管理应用信息系统。

    智能感知? 通过人脸识别，在教师开展实验教学时可自动抓拍并上传图像，做好过程性资料收集。在进入危化品室时，能通过红外设备感知，人进灯亮、通风排气扇自动打开，视频监控自动抓拍人脸图像。

    多端应用? 要能满足教师、管理员在有线、无线环境下，用电脑、平板、手机端等方式进行登录应用，既能在局域网内使用，也能通过互联网操作。

    物联网技术? 因实验仪器设备、药品耗材品种数量繁多，要实现信息化管理，可使用条码扫描技术，利用不干胶标签纸打印条形码及附注的标签进行定位、管理;有条件的学校还可以利用RFID（无线射频识别）标签等物联网技术来对高价值的设备、危险化学药品等进行无感知定位和管理。

    智能环境集控? 实验室、危化药品室安装有视频监控设备进行图像、音视频的收集。危化品室还可安装温度、烟雾、红外等传感器及定时通风排气设施，利用指纹、人脸识别等生物信息或密码锁的方式落实双人管理制度。

    教学资源支撑? 能根据现行教材版本列出所有实验目录，细化每项实验内容所需仪器药品的规格型号及品种数量，并将之规范化、标准化后作为初始化默认模板信息共享，提供个性化实验内容、仪器药品等个性化选择。

    大数据与人工智能? 能根据实验安排与实验内容等基本信息，自动生成实验记录和教学日志;能同步记录仪器药品出入库、登记账表，智能库存预警，提供仪器药品动态信息。通过教学计划、课程安排、实验开展、仪器（药品）领用情况，统计实验开出率、完成率;通过人脸识别技术和学生行为数据，对教学效果进行分析;还可展开教师、学科、学校间横向、纵向等多维度的对比分析，实现区域间的数据共建共享。

    权限制约? 危化品室可利用指纹、人脸等不可替代的生物检测技术来设置双锁，分由双人管理，轻松实现不相容职务分离，防止双人管理制度落空。

    6 智能一体化实验教学与管理系统的几点思考

    智能一体化实验教学与管理系统要保持长久的生命力，需要及时更新数据，提升专业化水平，优化使用体验。

    基础数据收集? 随着教材版本变化及时更新实验目录与实验内容，对各学科实验要求、所需实验仪器设备、药品耗材等大量数据进行收集整理，并使之标准化、规范化、流程化，需由专业学科工作室来做好数据的维护与更新。

    实验器材更新? 随着科技进步，效果更明显的新型实验仪器不断推出，而国家仪器标准未及时更新，新的仪器标准、编号不统一，系统无法提前预置统一的名称、编号;建议在学校自制或自备栏目可自行添加、补充和完善，在统一标准、规范下，预留个性化的空间。

    软件系统开发? 使用智能一体化实验教学与管理系统能减轻教师工作负担，提升实验室管理员和学科教师的工作效率。但因软件开发工作专业性强，限于个人、课题组的专业能力、业务水平、工作时间、工作经费等因素的限制，应由专业化软件公司进行开发，由学校专业教师、实验室管理员、教育主管部门协助配合，理论与实践相结合，不断完善软件功能。

    系统使用推广? 对于智能一体化实验教学与管理系统软件的使用，目前没有统一的行业标准，不同的软件厂商对软件的理解也不尽相同。因此，需要从中小学校实验教学与管理工作的实际情况出发，先行试点探索，待取得经验后，再将试点的经验和做法推广开来。

    参考文献

    [1]教育部关于发布《中小学理科实验室装备规范》等四个教育行业标准的通知（教基〔2006〕16号）[EB/OL].[2006-07-19].http：//old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_716/201001/78417.html.

    [2]教育部关于印发义务教育语文等学科课程标准（2011年版）的通知[EB/OL].[2011-12-28].http：//old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s8001/201404/xxgk_167340.html.

    [3]中小学实验室规程[EB/OL].[2009-11-25].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/jcys_jyzb/200911/t20091125_78443.html.

    [4]教育部基础教育教材审定工作办公室.新课程实验教材精粹选评[M].北京：人民教育出版社，2011.