互聯網+模式下開放共享實驗平臺的設計與實現

崔貫勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院， 重慶　400054)

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互聯網+模式下開放共享實驗平臺的設計與實現

崔貫勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院， 重慶400054)

分析了建立互聯網+模式下開放共享實驗平臺的必要性和可行性，從開放共享平臺的架構、關鍵業務的處理、硬件儀器的控制流程、開放共享平臺的實施等方面探討了開放共享平臺建設的流程，并針對大型貴重儀器設備開放共享平臺運行中存在的問題，從體制、保障機制、評價機制、激勵機制、交流協作機制等方面提出建立大型貴重儀器設備開放共享的對策建議，并根據儀器的特點分別設計了相應的開放共享模式。

互聯網+實驗室； 開放共享； 大型貴重儀器設備； 平臺建設

近年來，我國高校的實驗儀器設備大幅增加，大型貴重儀器設備的增加尤為明顯[1]。如何提高儀器設備特別是大型貴重儀器設備的使用效率和效益，更好地為教學、科研及地方經濟服務，是高校資產管理面臨的重要課題。筆者認為，要以服務為核心、以開放共享為手段，以滿足創新人才培養和科學研究的需求為導向，促進學生“進實驗室、進科研團隊、進課題組”，使設備資源平臺成為促進人才培養的重要條件支撐。

1　建設開放共享平臺的必要性和可行性

1.1建設開放共享平臺的必要性

近幾年，MOOC迅速成為全球高等教育流行的網絡教學形式。MOOC提供了大量優質的教學資源，吸引了遍布世界各地的廣大用戶享用在線教育帶來的便利。但是，很多課程需要學生動手實踐才能保證較好的學習效果，否則將導致學習效果大打折扣。然而，我國部分科技資源配置分散、封閉，重復建設問題突出，專業化服務能力不高，大型科研設備的共享率和產出率較歐美教育先進國家偏低，需要通過深化改革和制度創新，讓公共財政投資形成的國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放。現在，國家和地方政府積極推動大型貴重儀器設備的共享，例如2014年10月27日中央全面深化改革領導小組第六次會議審議通過了《國務院關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見》、教育部制訂了《教育部直屬高等學校國有資產管理暫行辦法》(2012年)、教育部和科技部聯合下發《關于開展高校大型科學儀器設備(設施)開放共享試點工作的通知》(2013年)。建設開放共享的實驗平臺是十分必要的[2-4]。

1.2建設開放共享平臺的可行性

隨著信息技術的快速發展，日益成熟的交互式控制技術、數據庫技術、并發處理技術、網絡通信技術和硬件設備，為開放共享實驗平臺提供了重要的技術保障；而云服務實現了超大規模存儲、低成本、可伸縮、個性化服務；互聯網的強大互聯功能使得用戶可以在任何時候、任何地點進行相關實驗，包括虛擬仿真實驗(或稱為軟件共享)和實時測控實驗(或稱為硬件共享)，可以遠程控制實驗儀器設備、進行實驗操作、實時觀察實驗結果，并可以直接獲得實驗報告或發布自己能夠提供的共享資源[5]。

2　互聯網+實驗室開放共享平臺的建設

2.1開放共享平臺的架構

基于對互聯網、實驗室、開放共享的充分認知，本文提出了包含數據存儲系統、業務處理系統、統一認證系統、教學管理系統、資產管理系統、信息門戶和業務中心六位為一體的互聯網+實驗室開放共享平臺，其架構如圖1所示[6]。存儲是大容量、高性能、高擴展能力的分布式文件系統，通過有效的管理措施，為開發的開放共享平臺提供強大的資源，并對安全監控、電源管理、門禁管理以及認證系統為平臺的安全運行提供技術支持。

圖1　互聯網+實驗室開放共享平臺的架構

2.2互聯網+實驗室的主要應用模式

互聯網+實驗室一般有兩種主要應用模式：一是實現虛擬仿真實驗的共享，即軟件共享；二是實現實時測控實驗的共享，即硬件共享。兩種模式的綜合使用，將構建出完整的互聯網+實驗室系統化教學平臺。

所謂軟件共享，即客戶端可以通過網絡訪問服務器端的軟件程序，不涉及硬件儀器設備的調用。這類應用一般適合于與專業課程配套的虛擬仿真實驗。由于僅僅需要共享軟件，沒有硬件控制的沖突問題，因此這種模式的遠程實驗室又可以分為服務器端運行方式和客戶端獨立運行方式[7-8]。

采用服務器端運行方式時，程序僅運行在服務器端，客戶需通過網絡訪問程序，請求并得到程序的控制權后方可進行操作，即瀏覽器/服務器(B/S)方式。

采用客戶端獨立運行方式時，程序被下載到客戶端獨立運行，可以避免和其他用戶控制權的沖突，也不再受到網絡狀況、服務器端的運行狀態的影響。不過在這種方式下，程序無法再訪問服務器端的硬件，因此僅適合于軟件共享模式[9]。

所謂硬件共享，即客戶端可以通過網絡訪問連接于服務器端的硬件實驗設備(如數據采集卡、示波器、信號源等)，并通過程序控制硬件的動作、實時獲取儀器的測量結果。這類實驗通常結合了實時視頻和音頻的反饋，使得學生可以耳聞目睹實驗過程，真實感很強[10]。由于實現了硬件的共享，實驗室的開放性顯著增強，并且能在一定程度上縮小建設實驗室硬件的成本。硬件共享模式僅可以采用服務器端運行的方式完成，并且要求客戶端單一控制，因此常配合網絡的實驗預約系統使用。開放共享平臺的業務處理流程如圖2所示[11]。

圖2　開放共享平臺業務處理流程

2.3硬件共享儀器的控制實例

以三相異步電機空載遠程實驗為例，它的硬件結構如圖3所示[11]。該實驗硬件由應用服務器、數據采集卡、單片機開發板、串口控制繼電器、步進電機、步進電機驅動器以及電機實驗臺組成。上位機運行LabVIEW軟件平臺，功能是與下位機的通信，為遠程用戶提供訪問服務以及數據采集；下位機由單片機通過其I/O口控制步進電機的轉動。雙機通信模式如圖4所示[12]。

圖3　三相異步電機硬件結構示意圖

圖4　雙機通信模式示意圖

實驗程序設計好之后，就可以利用互聯網將VI程序嵌入到網頁中。通過網頁鏈接，學生可以方便、快速地在網頁上完成實驗。

2.4開放共享平臺的實施

開放共享實驗平臺涉及到儀器設備采購管理單位、借用單位和儀器設備的維修保養單位，還會涉及學校財務處、資產處等相關管理部門。關于儀器開放共享平臺的具體使用流程如圖5所示。

圖5　開放共享平臺使用流程示意圖

3　儀器設備開放共享中的問題及改進建議

3.1大型貴重儀器設備開放共享中的問題分析

一些高校存在著大型貴重儀器設備共享程度低、閑置、重復購置的問題，而另一些高校存在大型貴重儀器設備缺乏、資源緊缺的問題。

有些高校經費充足，購買了大量的儀器設備，但利用率低下；而有的高校經費不足，沒有購買大型貴重儀器設備的能力。有些高校的設備管理部門雖然很希望將大型貴重儀器設備開放共享，但往往遇到來自科教人員的阻力，他們對于用科研經費購置的儀器設備不愿放在平臺共享，或者只愿在自己的課題組中和有合作關系的人共享[12]。

有些高校的實驗技術人員水平參差不齊、待遇偏低、職稱晉升困難、隊伍建設落后，導致缺乏儀器開放共享所需要的技術保障[13]。有的高校重視儀器設備購置、輕視設備運行維護經費的投入，儀器設備的開放共享缺少運行維護經費的支撐，導致儀器設備開放共享困難。有的高校缺少良好的體制機制頂層設計，缺少有效的監管辦法和切實可行的獎懲措施，導致對儀器設備的共享缺乏積極性[14]。有的高校雖然也建立了大型儀器設備共享開放平臺，但主要用于信息發布，缺乏大型儀器設備共享所需要的供應商、數據實時收集、運行保養、開放基金的申請、審核、使用效益評價等功能，導致開放共享的效果并不理想。

3.2對大型貴重儀器設備開放共享的建議

為了推動大型貴重儀器設備開放共享并使其具有可持續性，在開放共享平臺的基礎上，還應建立相應的保障機制，如經費和人員保障、政策制度保障、知識產權保護等，以確保資源能夠切實得到開放共享。也要建立相應的評價機制，如資源準入標準、資源及管理信息系統建設標準、用戶評價、資源排行等，以促進開放資源的質量。此外，還要建立恰當的激勵機制，如用戶貢獻模式(免費資源)、利益分配模式(收費資源)、利益補償機制和獎懲機制，以確保開放共享的可持續性。此外，建立相應的交流協作機制，如協作開發與管理運營、交流學習與培訓機制，提高大型貴重儀器設備的開放共享水平。

大型貴重儀器設備種類繁多，使用方式、用戶人群等差異較大，應當分門別類地選擇開放的形式。

對于大型和通用性強的儀器設備，宜集中起來建立共享中心，實現大型儀器設備集中管理、面向全校和社會開放共用的共享服務“公交車運行模式”。

對于在部分院系公用性強、單個課題組使用效率不高的大型貴重儀器設備，集中起來建立院系學科的大型儀器設備共享平臺，實行對本院系和其他院系共享的“區間車運行模式”。

對于國家和有關部門在高校投資購買大型貴重儀器設備，應建立國家實驗室、國家重點實驗室和省部級重點實驗室，形成高水平的學科研究平臺，通過開放基金的“班車運行模式”對指定學科領域的人員進行開放共享。

為了滿足科學研究和學科建設的需要，對課題組專用所購置的大型儀器設備采用“小轎車運行模式”在課題組間共享[15]。

4　結語

目前，高校設備管理部門已充分認識到大型貴重儀器設備開放共享的重要意義，但開放共享的結果仍不盡如人意。為更好地實現大型貴重儀器設備開放共享，需要制定合理的規章制度，讓教研人員樂意共享、能夠共享，更要充分利用信息技術和互聯網技術，擴大共享受益面，加大儀器開放共享中的自動化、自主化、自助化，大大降低實驗技術人員重復的、低水平的勞動。

References)

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DesignandrealizationforopeningandsharingplatformbasedonmodeofInternet

CuiGuanxun

(SchoolofComputerScience&Engineering，ChongqingUniversityofTechnology，Chongqing400054，China)

ThenecessityandfeasibilityforopeningandsharingplatformbasedonmodeofInternetoflaboratoryareanalyzed.Thedevelopmentcyclefromplatformarchitecturetoprocessingtokeybusiness,controlprocessofhardwareinstrumentsandrealizationmethodforopeningandsharingplatformisdiscussed.Accordingtothesituationproblemofopeningandsharing,thispaperproposesthree-platformmanagingsystem(topplatform，policyplatformandapplicationplatform)andoperatingmechanism(guaranteemechanism，evaluationmechanism，motivationmechanismandcommunicationandcoordinationmechanism).Atthesametime,thesharingmodeisdesignedaccordingtothecharacteristicofinstrument.

internetoflaboratory;openingandsharing;large-scalevaluableinstrumentsandequipment;platformconstruction

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.037

2015- 10- 22

重慶市高等教育教學改革研究項目(153115)；重慶理工大學高等教育教學改革研究重點項目(2014ZD01；2015ZD05)；高等學校計算機教育研究課題(ER2015011)；重慶市高教學會高等教育科研課題(CQGJ15093)

崔貫勛(1978—)，男，河南許昌，碩士，高級實驗師，實驗室副主任，主要從事實驗技術研究及實驗教學.

D642

A

1002-4956(2016)5- 0143- 04

E-mail：cgx@cqut.edu.cn