依托物联网技术创建创新实验室

1、依托物联网技术创建创新实验室摘 要：以学校升级实验设备为切入点，探究基于物联网技术的创新实验室建设方案、设施配备、软件开发及应用。 以校园网为载体，把网络监控、实验终端、教师、学生、管理员等通过物联网连接起来建设创新实验室，其开放性也 在助学、探究和创新等方面促进了学生发展，培养了学生的动手动脑能力，其建设经验有推广的价值。关键伺：物联网；创新实验室；科技创新；管理本案例建设背景基于物联网技术的日益成熟，安 徽省萧县中学日益重视科技创新实验室的建设，为了配 合课程教学改革，让更多具有创新精神的学生能够自 主、合作地进行研究性学习，我校安排计算机教师、实 验室教师和科技辅导员组成联合工作组，利用

2、校园网建 设创新实验室管理平台，辅以网络监控，通过微现场、 微会务等网络会务系统开展各项活动，教师和学生人 人可交流，事事可研究；利用传感器技术把实验室的各 种设备信息化，让每个物品都有唯一的条形码，借出、 使用、归还自动扫码，视频监控可以有效监督物品的丢 失损坏情况，教师、学生登录系统即可查询物品所在位 置及使用情况。该系统实现了物物相连、人物互动、人 人互通，是最简单的物联网技术。我校物联网技术借鉴 超市物品管理系统，自主开发了实验室管理平台。软件 的开发成功大大促进了创新实验室的建设、管理，让创 新实验室实现了智能开放，学生通过校园e站系统可随 时与辅导教师视频，预约实验、工具、物品的使

3、用，并 可以帮助学生联系物理、化学、生物实验员提供仪器药 品，进行实验探究科技创作，实现了创新实验室的使用 价值最大化。一、开放实验室现状为了适应开放式实验教学，很多高中实验室都设 立了开放实验室，这些实验室由于条件所限，多采取人 工管理，工作烦琐，效率低下，学生不满意，管理员工 作繁重。开展的实验也是实验过程程序化，操作实验书 面化，不关注实验注意事项，不探究实验误差，教师 讲、学生记，不注重创新与探究，导致以书面实验代替 操作实验的情况越来越严重。这种现象不是教师轻视实 验的教学作用，也不是学生动手能力差，主要的原因是 实验室管理条例比较僵硬，学生有空时实验员下班了， 比较精密的教学仪器不

4、敢让学生使用，担心仪器损坏了 无法追责责任人。课本上的实验多年没有更新，新的信 息传感器系统不会使用，教师无暇顾及每名学生的实验 过程，学生实验过程中碰到的问题也无法及时解决等。二、物联网的建设物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射 频识别技术(RFID)、全球定位系统、红外感应器、激光 扫描等各种先进装置与技术，实时采集任何需要监控、 连接、互动的物体或过程，获取各种应用需要的信息， 与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与 物、物与人，所有物品与网络的连接，方便识别、管理 和控制。我校建立的物联网主要依托校园网，建设创新 实验室管理平台，其由以下三部分组成。物品识别扫码系统物

5、品识别扫码系统类似无人超市的物品识别技术， 创新实验室的每个物品进入实验室后都贴有唯一的条形 码标签，系统采取射频识别技术，通过射频信号自动识 别物品标签，由于RFID电子标签技术已相当成熟，早已 大规模商用，其识别工作无须人工干预，并可在恶劣环 境中工作，可识别高速运动物体，同时识别多个标签。 此系统网上购置，价格每件1 000元左右。传感器采集系统传统的实验教学仪器如果能加入传感器系统，教学 仪器就可以与计算机相连，通过网络形成了物联网的一 部分，传感器能感知力、温度、光、声、化学成分等非 电量，并把它们按照一定规律转化成电压、电流等电学 量，这些数据与计算机相连，通过网络可以传给想做实

6、验的学生，同时由于计算机技术的发展，实验数据的处 理非常容易。由于传感器的价格较高，我校创新实验室 配备了传力传感器、磁敏传感器、光照传感器、声音传 感器、温度传感器各三套，霍尔传感器、火焰传感器各 一套。每套传感器价格在2 000元左右。网络管理系统网络系统的主要作用是进行信息和数据的传输，利 用现有的比较成熟的计算机网络技术及移动通信技术。 我校以校园网为主要载体，建立创新实验室的登录管理 平台，借助校园网服务器、路由器等网络设备组建而 成。软件由计算机教师借助大学实验室管理系统自主开 发，整个系统将教师、学生、实验员紧紧联系在一起， 系统的功能如图1所示。图1系统功能图数据与报表实验教学

7、评估三、创新实验室硬件建设基于物联网技术的创新实验室建设的硬件建设主要 有实验室网络服务器和路由器、校园e站、视频监控、门 禁系统、平板终端等。所有系统都接入实验室管理平台， 并通过校园网与外部互联网接通，所有数据都存储在校园 网磁盘中，实验室中的各个设备的电源都通过电源控制器 与网络连接，以方便控制及保证使用安全，如图2所示。图2监控下创新实验室室内场景校园e站的改造我校校园e站建于2017年，触摸大屏放置在实验 楼一楼的大厅显眼位置，很多学生习惯到校园e站浏 览时事，了解最新科技信息，如图3所示。2019年计 算机教师通过对校园e站系统的升级，把系统接入了 物联网，学生可以通过该系统自主注

8、册登录创新实验 室管理系统，预约进入实验室的时间、任务等，当到 达预约时间后，即可拿到专用的条形码通过门禁系统 进入创新实验室。图3校园e站系统监控系统我校在对实验室进行改造时，增加了监控系统，如 图4所示。监控系统连接到门卫室，门卫能实时观察到实 验室的用电、用火安全，物联网系统也可随时调出任意 时段的监控录像，当物联网的系统报警实验室物品被某 些人恶意带走，监控即可通知门卫进行拦截。图4监控系统场景图门禁系统创新实验室设有门禁系统，管理员和教师可以刷脸 或指纹进入，学生需要到校园e站取条形码扫码进入， 门禁系统可阻止无关人员进入实验室，也能合理控制进 入实验室人数而保证安全，其识别扫码功能

9、可有效保护 各种创新设备的安全。我校门禁系统正在建设中，图5 为效果图。图5门禁系统效果图终端服务学生进入创新实验室可以在任意实验桌上使用指定 的电子设备。其数据与任何一台计算机或电子设备客户 端共享，学生可以在实验室完成实验数据的处理，也可 以回家用手机或计算机登录创新实验室平台完成对数据 的处理，同时可查询其他学生的实验数据，进行对比分 析，找出差别，从而更好地理解实验原理与进行误差分 析。整个创新实验室管理系统的跨平台使用，终端服务 的信息共享，让学生、教师、管理员都处于相对轻松的 工作环境而实现了实验室功能的最大化。设备配备我校创新实验室是由通用技术实验室改造而成，如 图6所示。在原有

10、实验设备的基础上配备了部分单片机、 智能控制器、各种传感器和实验板等。由于创新实验室 承担每年的青少年科技创新大赛的比赛事宜，实验室还 配备了计算机、小型的电钻、台钻、机床、铣床、雕亥IJ 机、3D打印机等加工设备。各种设备都有其唯一的条形 码，接入我校计算机教师开发的创新实验室管理系统， 其使用情况、损毁情况都能通过计算机实时查询，方便 各位学生及教师的使用。图6创新实验室四、创新实验室软件建设基于物联网技术的创新实验室软件平台主要由Web 实验室管理系统、电源控制系统、视频监控系统和平板 电脑系统组成。l.Web管理系统Web管理系统的建设借鉴大学实验室管理模式。系 统具有信息注册登录、条

11、形码生成识别、预约实验、通 知公告、丢失物品预警、数据处理等各种功能，系统的 各项管理进一步提高了创新实验室的开放性与互动性， 为学生提供了一个自主的学习环境，为科技创新制作提 供了有力的基础支持，为提高实验仪器设备的利用率提 供了更便捷的保障。图7为三种身份的用户登录此系统 所具有的功能。图7用户登录此系统的功能示意图电源控制系统创新实验室的开放性面临的重大挑战是实验室的安 全问题，用电安全尤其重要。电源控制属于物联网的一 部分，当出现火灾后或水管爆裂，系统会自动切断电源 并报警，报警系统直接连通门卫并控制监控系统切换视 频到当前位置。当学生预约实验成功，进入门禁，物联 网自动打开学生用电源

12、；当学生离开门禁，物联网自动 关闭相关电源。每个实验桌都安装触电保护装置，最大 限度地保证学生的安全。由于本系统需要的软硬件较复 杂，投入较高，电源控制系统正在建设中。平板电脑系统每个实验桌上都有平板电脑，平板电脑与传感器 相连，可采集各项实验数据，统计学生实验情况及器材 使用效率。自动登录创新实验室管理系统，学生可实时 与管理员或教师互动，同时每个平板电脑都接入不同的 微现场、微会场等免费的网络会务软件，学生可通过大 屏幕系统与辅导教师对话、传输图片视频，教师可随时 随地辅导学生完成实验。平板电脑软件App编写日益成熟，微现场服务系统也开始建设，平板电脑软件的更新 将持续进行。五、建设中的实

13、验成果我校从2 017年开始筹备建设物联网创新实验室， 学校提供了60多万元的资金支持，改造了实验室，购置 了大量器材。目前实验室实现了全天候开放、远程控制 和智能化管理。学生可网上预约时间、扫码进入、自主 进行实验操作，教师和学生的互动频繁，管理员对仪器 设备的管理清晰有条理，物联网对化学危险品的购入、 使用都有了详尽的自动记录。实现了创新实验室的全面 开放和智能管理，实现了学生满意、教师满意、管理员 满意的结果。六、建设中的问题思考中学生自控能力较差，如何让物联网技术深入实验 室管理的方方面面，让学生自主地学习、快乐地成长， 还需要慢慢完善。随着5G网络的普及，传感器、RFID 等高新技术的日新月异，如何让物联网融合新技术， 更好地管理实验室，也需要探索。物联网被认为是第 三次信息技术革命，它将会深刻改变人们的生活，及 早做好物联网实验室的建设，对于培养综合素质高的 人才是必需的。但物联网的建设需要相应的资金，其 软件的开发需要专业技术人才，聘请专家教授到学校 担任客座教授，抽调骨干教师外出学习，是培养物联 网管理的专业人才采取的必要措施，这都需要相关部 门的政策支持。相信随着物联网实验室的建设完善， 其先进的管理手段、科学的实验技术定会让学生收