杨更伟 郭军利
山东协和学院250109
摘要：该文结合目前实验室建设和管理过程中存在的问题与需求，构建了智慧实验室总体架构模型，并对人脸识别系统、基于物联网的动环系统、智慧实验教学平台、智能高清录播系统、仪器设备智能管理系统、云桌面系统等主要技术方案进行了讨论，以期为高校智慧实验室的研究提供参考。
关键词：智慧教育；智慧实验室；实验室建设
1智慧实验室的概述
1.1 传统实验室的不足之处
随着高校教育信息化建设的不断深入，许多高校加大了信息化资金投入，高校实验室的规模不断扩大，实验设备数量和信息化程度不断提升，虽然在一定程度上提升了实验室的教学质量和管理水平及服务水平，但也普遍存在以下不足之处：①从设备管理角度，未实现自动化管理，缺乏集中统一的管理平台，仪器和设备出现故障时难以快速准确定位、跟踪。②从安全管理角度，未实现对潜在危险因素的监测与预警，各类告警系统不完善，甚至缺失。③从节能角度，未实现实验室内用电和用水的智能化管理，易造成资源浪费。④从实验管理角度，缺乏统一实验管理平台，各实验管理系统互不兼容。⑤从管理模式角度，实验室管理中许多环节还停留在人工管理模式，全生命周期管理未实现信息化。⑥从实验教学资源管理角度，缺乏有效信息手段对实验教学资源收集、整理、存储，实验教学资源难以共建共享。⑦从实验教学方式角度，实验教学方式单一，师生之间缺乏互动。⑧从师资培训角度，缺乏常态化的培训系统对实验人员进行培训，导致新仪器或新技术难以发挥其应有价值。⑨从用户需求角度，难以向师生提供其他个性化服务。
1.2智慧实验室建设的需求
运用人工智能、云计算、大数据、物联网、移动互联网等信息技术打造智慧实验室，既能为师生创造安全、环保、智能的环境，提供开放、协同、高效、便捷的个性化服务，又能增加师生之间的互动，改进现有的实验教学方式。智慧实验室建设应在先进适用、操作简单、成本节约的原则下考虑以下需求：①实现实验室环境信息（温湿度、光强、粉尘浓度、有害气体）实时监测，一旦发现异常，可对潜在的危险进行预警。②实现设备和仪器的自动化管理，自动记录设备和仪器运行信息。③构建基于云的实验教学管理平台，对实验教学进行全生命周期管理。④为师生提供丰富的实验教学资源、交互软件和互动工具。⑤对实验教师的优秀实验案例进行录制和存储，方便实验人员记录和保存实验数据。⑥为师生提供信息化、个性化、智能化服务，提供常态化的培训。
1.3智慧实验室概念
智慧实验室充分利用了信息技术让实验室更加高效、安全、便捷，是对传统实验室的升级。智慧实验室是一种借助先进无线通信技术打造的智能控制、远程可视的新型智慧学习环境。高永清认为智慧实验室是将实验室内多个物品采用信息化手段互联互通，建立一个集实验管理、信息通信、智能化控制功能的智慧实验集成系统。智慧实验室=实验室+物联网+智慧化设备。从上述文献可知，智慧实验室是传统实验室在信息技术的催化下发展到一定阶段的产物，主要实现环境、设备、资源、实验教学等智慧化管理，加强实验教学过程中师生交流与互动的智慧化学习环境。依据上述智慧实验室建设的问题与需求，参考张丹提出的智慧实验室的集成中心、环境监测、设备管理、资源获取、实验管理概念模型，我们认为智慧实验室应包含环境管理、设备管理、资源管理、实验管理、交流与互动5个维度的功能，最终实现实验人员、实验资源、信息技术、实验室环境的最佳耦合。
2智慧实验室的主要技术方案
2.1人脸识别系统
人脸识别，是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术。人脸识别系统作为身份验证的一种方式，可以和一卡通系统、实验室预约系统、
RFID系统进行对接，以提升实验室管理、服务与教学的智能化水平。与一卡通系统对接可减少程序处理时间，与实验室预约系统对接，将预约人、预约设备和预约时段推送给人脸识别系统，以实现刷脸进入实验室和使用设备。与RFID系统对接，可实现多种身份识别方式，用于促进实验室设备出入库的智能化。
2.2基于物联网的动环系统
基于物联网的动环系统可实现实验室光线、温湿度、烟雾、机电环境数据的采集，以及电控、水控、空调、排气扇、窗帘、光照强度的自动控制。此系统由物联网、互联网关、互联网、后台服务器、用户终端组成。物联网由各种环境传感器、支持物联网协议的各种控制设备、采集控制核心设备组成，负责将采智慧实验室的主要技术方案
2.3人脸识别系统
人脸识别，是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术。人脸识别系统作为身份验证的一种方式，可以和一卡通系统、实验室预约系统、
RFID系统进行对接，以提升实验室管理、服务与教学的智能化水平。与一卡通系统对接可减少程序处理时间，与实验室预约系统对接，将预约人、预约设备和预约时段推送给人脸识别系统，以实现刷脸进入实验室和使用设备。与RFID系统对接，可实现多种身份识别方式，用于促进实验室设备出入库的智能化。
2.4基于物联网的动环系统
基于物联网的动环系统可实现实验室光线、温湿度、烟雾、机电环境数据的采集，以及电控、水控、空调、排气扇、窗帘、光照强度的自动控制。此系统由物联网、互联网关、互联网、后台服务器、用户终端组成。物联网由各种环境传感器、支持物联网协议的各种控制设备、采集控制核心设备组成，负责将采数据。
2.5云桌面系统
当前主流的云桌面技术有RDS（remotedesktopservices，远程桌面服务）、VDI（virtualdesktopinfrastructure，虚拟桌面基础架构）、VOI（virtualoperating-systeminfrastructure，虚拟操作系统基础架构）、IDV（intelligentdesktopvirtualization，智能桌面虚拟化）4种解决方案。由于高校都配备提供网络保障和信息服务的专业队伍，而且很多实验室对运算性能和图像处理要求不高，所以大部分高校实验室选择VDI部署方案。智慧实验室云桌面系统采用扁平化方式部署，即云端的VDI资源集中部署在的高校数据中心，终端的客户机部署在各实验室，利用校园网来实现云与端的通信。服务器系统以集群方式部署，受CVM（cloudvitualmachine，云服务器）集中管控，即一个虚拟数据中心下面直观展示所有虚拟资源，包括虚拟机、宿主机、网络硬件设备等，并能直观生成数据中心拓扑图，方便对外统一呈现与管理。桌面虚拟化依托共享存储架构，可以支持分布式存储或者共享存储，保障数据安全性的同时，提升IO性能。借助底层高可靠性配置，保障业务连续性，出现任何一台物理主机宕机均可快速恢复。
3结语
在智慧教育背景下，人工智能、大数据、云计算及物联网等信息技术与教育教学的融合已经成为必然趋势。文章构建的智慧实验室正是在此基础上发展起来的一种富含“智慧”属性的新型模态。智慧实验室将实验教学各要素和人连接起来，提供了丰富的实验资源，打造了安全高效、绿色环保、低碳低耗、智能舒适的实验环境。智慧实验室的应用还停留在基础阶段，智慧实验室的建设仍处于起步阶段，信息技术与传统实验室的融合还不够完善，需要一线教师、管理人员和研究人员进行进一步研究，推动两者的深入融合。
参考文献
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