高校智慧計算機實驗室建設研究

胡榮亮　郭明遠

摘? 要：隨著智能化技術的高速發展，高校計算機實驗室應與時俱進，充分利用物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術，打造智慧實驗室。高校智慧計算機實驗室建設以物聯網建設為基礎、以互通互聯為原則、以智慧數據平臺為核心，將物理基礎設施、教學過程、實驗室管理互聯互通，打造統一數據平臺，實現計算機實驗室教學管理、基礎設備管理、數據實時統計分析為一體的智慧實驗室建設。

關鍵詞：智慧計算機實驗室;信息技術;物聯網

中圖分類號：TP308? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0186-03

Abstract：With the rapid development of intelligent technology，university computer laboratories should keep pace with the times and make full use of the internet of things，big data，cloud computing and other new generation of information technology to build smart laboratories. University wisdom computer lab construction on the basis of the construction of internet of things，with each other for the principle，the wisdom data platform as the core，the physical infrastructure，teaching process and laboratory management，interconnection，build a unified data platform，realize computer laboratory teaching management，infrastructure management，data real-time statistical analysis for the integration of intelligence laboratory construction.

Keywords：intelligent computer laboratory;information technology;internet of things

0? 引? 言

傳統計算機實驗室通常是按某一門課程的需要來設置實驗室，根據課程需要安裝相應的計算機軟件，實驗室管理劃歸各學院，相應的實驗教學則下發到各學院系部自行安排，高校的各個實驗室大多是處于相對獨立、封閉式的管理體制。隨著高校教育體制改革的深入，尤其是各學科知識的交叉滲透近年來日益強化，傳統計算機實驗室的建設管理模式弊端突出。例如實驗室功能單一、利用率低、數據資源共享匱乏、實驗教學形式簡單枯燥等。需要突破傳統實驗室管理模式的藩籬，建立綠色環保、低碳低耗、智能舒適的實驗與管理環境，智慧計算機教室的建設為此提供了很好的突破機遇。

1? 高校計算機實驗室發展

1.1? 高校計算機實驗室的發展階段劃分

從聯網類型上來說，高校計算機實驗室的發展可以大致分為三個階段：單機時代、局域網時代、互聯網時代。

1.1.1? 單機時代

早期的計算機價格昂貴，計算機實驗室的計算機數量也通常非常有限，而且多以單機形式存在，采取相當集中的使用方式供教學與科研使用。

1.1.2? 局域網時代

隨著計算機技術的快速發展，90年代初，高校計算機實驗室開始采用同軸電纜、雙絞線進行連接，到了90年代后期，計算機在高校的諸多活動中得以廣泛應用，計算機實驗室變得越來越重要。

1.1.3? 互聯網時代

隨著互聯網技術的快速發展，在90年代末，高校開始大力興建校園網絡，計算機實驗室也全面接入互聯網[1]。計算機實驗室作為校園網中的子網，涉及計算機系統、網絡搭建、課程實訓等諸多內容，多學科、多領域的技術發展在實驗室中得以全面綜合應用，成為師生學習計算機技術、拓展學術視野、革新教育教學的重要場地，高校信息化進入一個高速發展的階段。

1.2? 計算機實驗室建設

計算機實驗室建設有別于其他專業實驗室，最為明顯的特征就是計算機設備更新快、使用率高、故障率高、管理困難。計算機實驗室目前已成為全校的公共實驗室，日常使用率超高、工作時間較長（通常每天十幾個小時）、人流量大、用機秩序混亂（學生隨意換機、隨意開機）、各類公用軟件的管理與維護等問題讓管理人員疲憊不堪。信息技術手段的迅速發展為管理人員提供了現代化的數字管理手段，擺脫了傳統計算機網絡管理方式。當前，互聯網、物聯網等各類網絡的組合讓智能手機、平板、穿戴設備等移動設備活了起來，全面實現了“5W”學習，即滿足任何人、任何時間、任何地點、以任何學習方式、學習任何內容。而物聯網的發展讓校園里的幾乎所有物體都成為一個終端，如窗簾、大門、甚至桌椅板凳都可以與我們的智能設備實現連接。面對當前智能化技術的高速發展，高校計算機實驗室再也不能僅僅滿足于提供簡單的上機服務，而應該與時俱進，充分利用物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術，打造智慧實驗室，充分發揮各項智慧技術，以人的智慧，促進智慧教學、智慧學習，全面提升實驗教學質量，這也是未來高校發展的趨勢和特征。

2? 智慧校園與智慧實驗室

2.1? 智慧實驗室的概念解讀

智慧實驗室概念由智慧地球引申而來，智慧地球概念，最早是由IBM公司于2008年提出，最初的含義是指運用最為前沿的信息技術手段，推動產業或社會生態系統互動，重新構建全球運行模式。此概念主要有三個核心要素：物聯化、互聯化、智能化。具體來說，智慧地球的最終目標是期待現代信息技術能夠在各行各業得以應用，各類感應器、傳感器等與網絡連接，在全球如醫院、物流、鐵路、倉庫、電力、水利等的各行各業，全部實現互聯互通，形成全球范圍的物聯網;最后，依賴現代超級計算機實現云計算，讓人類以更加便捷、高效、數字化的方式生活，提升全球智慧水平，最終實現互聯網+物聯網=智慧地球[2]。

隨著智慧地球概念的普及，隨之而來的智慧城市、智慧校園便隨之而生，作為智慧校園的組成部分之一，智慧實驗室無疑也要繼承“三化”的核心要素，對物聯網與互聯網技術的設計與運用是當前智慧實驗室建設的重點內容。

2.2? 智慧校園與智慧實驗室建設

目前，智慧校園建設已在國內各大高校如火如荼地進行著，智慧校園包括很多方面，例如智慧教學、智慧辦公、智慧節能、智慧實驗室、智慧學習等等，如圖1所示。隨著智慧校園建設的不斷深入，智慧實驗室建設亦成為智慧校園的核心內容之一，其主要建設內容是實現與智慧校園平臺的數據、服務和網絡融合，由此，智慧實驗室的建設目標也隨之不斷拓展、提升。

（1）以物聯網為核心的深層感知測量、捕獲和傳遞信息的設備全方位地獲取教學過程中的各項數據以供智慧校園使用。諸如監控攝像機、移動設備、智能化門禁系統、智能化節能系統、電腦和多媒體終端、GPS、溫濕度傳感器等。這些新設備和系統，可以全面獲取師生在實驗室教學過程中涉及到的各種信息，包括師生考勤、課堂信息化設備使用率等，同時將相關數據即時發送給智慧校園統一數據庫，以供智慧校園后期的大數據分析。

（2）以互聯網為核心的網絡通過能夠將各孤立的數據全部實現關聯、把網絡中各類數據進行匯聚并轉換成信息。有線網、無線網、移動網絡、藍牙、紅外等，各種形式的通信網絡方式將傳感器、攝像頭、GPS、個人電子設備等物聯網設備信息全面連接互通，即時交互，實現資源共享、實時監控。

（3）以智能化為核心的大數據分析平臺將信息變成可用知識。利用統一數據庫的核心數據內容，實現對學校各類信息的匯集、存儲、分類、整合，同時進行分析，從教學實際需求出發，挖掘統計各類數據，數據轉信息，信息轉知識，知識成為智慧，為實驗教學改革、學校未來發展提供決策依據。

3? 以“三化”理念打造物聯、互聯、智慧的計算機實驗室

實驗室作為智慧校園中的一個重要學習科研環境，筆者所參與建設的計算機實驗室承擔著所在高校計算機基礎公共教學、編程教學、軟件教學等提升學生信息技術能力的主要任務，在實驗室的設備、軟件、使用管理等諸多方面亟待智慧提升。因此，筆者所參與建設的高校全力打造智慧計算機實驗室，期待能夠綜合計算機、通信、物聯網等現代網絡信息最新技術，為實驗、儀器設備管理、數據統計分析等提供數據與決策支持，形成數據規范，提高儀器設備的使用效率，更好地為教學實驗、科學研究服務，打造綠色、環保、低碳、低耗、智能、舒適的實驗環境。

根據智慧校園的三大核心要素，依據智慧計算機實驗室建設的實際需求，筆者所參與建設的智慧計算機實驗室建設分為三步，即第一步物聯層建設、第二步互聯層建設、第三步智能層建設，如圖2所示。

3.1? 物聯層建設

智慧計算機實驗室的物聯層建設主要包括實驗室智慧門鎖、智慧窗簾、智慧桌椅等基礎設施的物聯網建設[3]。目前，筆者參與建設的高校已全面實現智慧門鎖、智慧電路、設備集成管理等基礎物聯網層的建設。現階段物聯層主要由傳感器、致動器、可編程的邏輯控制器（PLC）和分布式智能傳感器組成。以控制引擎為基礎，將實驗室內各項智慧設施進行連接，通過傳感器捕獲數據，通過智慧平臺經視頻和數字信號處理，予以控制。物聯網建設的核心中樞是智慧平臺的建設，所有的基礎數據最后均需要匯聚至智慧平臺，基礎的智慧設施將實驗室資源虛擬化，機房所有的IT資源使用云終端、云系統、云服務器、云存儲，實現師生隨時隨地獲取。現階段，該單位已將全校公共設施用電全部集成至校內后勤智慧服務平臺，實現全自動智能啟停控制，光控、溫控及紅外感應等基礎控制系統圖建設完備。全面實現實驗室按時自動開放、自動簽到、上下課、自動節能、自動調節室內溫濕度、自動調節室內光線功能，且校內智慧校園建設二期已經建成，可以自動搜集智慧課堂及實驗室教學相關數據并發送至智慧教學平臺。

3.2? 互聯層建設

智慧計算機實驗室的互聯層建設起到了承上啟下的重要作用，數據獲取、傳遞均要依靠互聯層的建設。基于上述物聯層建設，單位的互聯層承載著整個計算機實驗室的所有數據傳輸。物聯層的大量數據按照預定傳輸協議輸入互聯層，匯總到數據平臺中心，例如筆者所參與建設的高校計算機實驗室教學過程中的所有相關數據，包括教學平臺使用情況：實驗室承擔課程的信息管理，排課、教師、班級安排，作業、試題、考試等情況;課余時間的自由開放管理：上機卡發放、計時、上機情況統計等;對實驗室內的機器的控制;以及計算機用戶的登錄信息、計費、管理等其他功能。

上述各類數據的來源各不相同，數據格式也不一致，在互聯層的建設過程中必須予以充分考慮，采取何種信息連接方式能夠全面整合、統一各類信息直接關系到整個系統的正常運轉。目前常見的連接傳輸方式包括Wi-Fi、Bluetooth、Z-Wave、ZigBee、ANT Wireless、NFC、RS-232、雙絞線、光纖等等。

3.3? 智慧層建設

智慧層建設是整個智慧計算機實驗室建設的核心內容，其中最為重要的就是智慧數據管理中心的建設。在筆者的具體實踐過程中，智慧層數據中心建設預先定義了管理模塊，自行定義數據中心時間編組管理模塊，通過預定義的觸發事件、時間編組和預案進行組合，匹配人員干預提示。在實踐中，爭取盡可能地將各類不同數據根據數據中心標準規范匯聚，全部數據統一匯聚至中心。目前，筆者所建設的高校已經初步建成了面向服務的架構模型，數據管理中心已能夠初步對數據進行轉換和分析，在一定程度上幫助了管理人員對實驗室優化管理，提高了管理效率。具體來說，該單位已通過對物聯網傳來的實驗室考勤和實驗室進出情況信息進行實時分析，實時得出學生和各類人員的出勤、工作情況，讓教師和實驗室的管理人員能夠全面了解實驗室的使用情況，全面保障教學和設備的正常運轉。此外，通過智慧層數據中心的建設實現綜合智能化管理，獲取實驗室場所、設備、環境的各類情況數據，方便對設備設施的維修、借用、使用申請等常規業務的數字化管理，大大提高了管理人員的工作效率和服務水平。此外，大量的數據積累能夠為當前各類實驗室評估、建設規劃及年終各類數據的報送等提供數據支持。

4? 結? 論

智慧計算機實驗室建設必然成為下一階段高校實驗室建設的重點內容，以物聯網、移動互聯等現代信息技術手段，通過物聯、智能化等方式，將計算機實驗室中的物理基礎設施、教學過程、管理過程互聯互通，實現自動化管理和監控，并為決策、管理提供數據支持，保障實驗室教學，打造舒適、智慧的實驗環境，必將加快整個校園智慧化的進程。

參考文獻：

[1] 車轔轔，孔英會，趙建立，等.基于物聯網的智慧實驗室設計 [J].實驗技術與管理，2013，30（10）：212-215.

[2] 賴程鵬.基于物聯網技術的智慧實驗室的研究與設計 [D].保定：華北電力大學，2015.

[3] 崔升廣.高等院校智慧實驗室建設研究與應用 [J].遼寧省交通高等專科學校學報，2016，18（5）：58-60.

作者簡介：胡榮亮（1979.02-），男，漢族，安徽肥東人，工程師，本科，研究方向：教育技術學;郭明遠（1988.08-），男，漢族，安徽壽縣人，助理工程師，本科，研究方向：計算機教育。