新工科背景下計算機類綜合實驗室建設與管理

王永生 孔冬冬 張麗霞 斯琴

摘要：新工科背景下計算機類綜合實驗室管理體制和模式的改革是提升高校教學質量的必經之路。目前，高校計算機類綜合實驗室存在重復建設、資源共享水平低于管理運行困難等問題。本文提出了新型實驗室的創新模式及管理體系設計，闡述了建成后體現出的價值及成效，為新工科背景下計算機類綜合實驗室建設管理研究提供借鑒。

關鍵詞：新工科;計算機實驗室;建設與管理;云計算

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0094-03

隨著云計算、大數據、人工智能等智能技術（以下統稱大數據時代技術）的快速發展和廣泛應用，高校計算機類專業面臨新工科建設和改革大潮的洗禮，與之相配套的實驗教學模式改革、實驗平臺建設等都將發生重大變革。

新工科建設背景下的高校計算機實驗室是教學和學生實踐的重要基地。它的建設應以人才培養與學科研究、建設互動為原則，與學科發展、創新人才培養、師資技術培訓、服務社會緊密結合起來。所以合理規劃實驗室的建設及提升實驗室的管理水平對提高教學質量、促進科學研究、培養高質量的人才有著極其重要的意義。具體表現如下：一是滿足不同專業和課程的實驗教學要求;二是計算資源應集中存儲、統一調度和管理，實現資源的整合和共享;三是具備多媒體教室、智能研討、開放自習、課程錄播、標準化考試等多種功能;四是實驗室應具備數據的自動采集、集中存儲和智能分析功能，并能在此基礎上為未來的教學策略提供決策依據。

1 現狀分析

1.1實驗室建設背景

各高校積極響應新工科建設趨勢，深化工程教育改革的需要，結合國家關于大數據、人工智能的戰略發展定位，都把計算機實驗室建設放在首要位置，實現實驗室“規劃高起點，建設高質量，運行高效率”，能夠以“最少資金、最小場地、最簡維護”來建設和運行。

1.2 實驗室體系結構

通過對大數據時代背景下新工科建設的詳細調研分析，確定計算機類專業具有“五位一體”的實驗實踐教學體系，即包括公共虛擬基礎實驗室、本科專業實驗室、重點專項實驗室、學科重點孵化實驗室、自治區級科研平臺，力求創新拓展工程實踐教育的質量（如圖1）。

其中計算機綜合實驗室為學院所有計算機類課程提供邊講邊練的教學環境和通用的實驗實訓環境，同時為其他五類實驗室提供統一的計算資源、存儲資源、和數據收集分析服務;自治區級科研平臺為高校從自治區申請的各類專項平臺，為整體科研實力的體現;本科專業實驗室為本專業本科教學、實驗使用的專業實驗室，各專業至少設置一個專業實驗室;重點專項實驗室為重點發展學科的配套實驗室;學科孵化實驗室為學院研究生教育和各科研團隊提供科研實驗、實訓服務。這幾類實驗室中具有同質化的功能需求，通用的計算資源需求和軟件環境需求，可由計算機綜合實驗室統一規劃和集成整合，實現資源共享提高效率的目標，網絡安全、大數據處理等非通用環境需求在專業實驗中實現，因此計算機綜合實驗室成為學院實驗室體系規劃設計的第一個關鍵環節。

1.3 傳統計算機實驗室存在的問題

實驗室的建設和管理工作涉及管理體制、設施設備、實驗隊伍、軟硬件環境與生產安全等幾個方面，而傳統實驗室在建設、運行和管理上均存在產出效益較低、儀器設備利用率不高、分散建設各自管理等弊端，不能適應大數據背景下新工科實驗實踐的教學需求。

（1）實驗室資源問題。如圖1所示提到的各層次實驗室存在一定程度的“交叉”和職責不清，管理上未能有效融合，導致對資源安排缺少科學的頂層規劃、集中統籌和共享機制，從而使設備利用率低、共享性低、用戶體驗差。另外，教學實驗室按專業建設的思維導向還未根本改變，實驗室跟著新專業建設的通病表現明顯，導致實驗室資源分散，低水平重復建設的現象比較普遍，大面積更新硬件設備，沒有合理配置軟件教學資源，缺少數據收集和分析的手段，導致嚴重的資源浪費和實驗室利用率下降。所以急需建設跨專業應用的綜合實驗教學平臺。

（2）實驗隊伍建設問題。各層級實驗室的分散建設和管理導致實驗管理人員嚴重不足，由其他崗位兼任，人員變動大且缺乏相應的專業素養，在實驗室建設、運行和管理上沒有連續性，導致實驗室服務水平低下影響正常的實驗教學活動。

（3）實驗教學環境管理問題。由于學科的專業建設及定位不同，實驗室教學環境在不同課程和不同教師間存在較大差異，為了滿足實驗教學需求，傳統實驗室在同一終端下安裝所有不同的教學及實驗環境，導致系統復雜性提高，而實驗室的軟件環境又經常需要更新，使實驗室可用性降低且需要專人進行“保姆式”的管理維護，這種管理模式使的實驗室管理水平低下，無法實現預約實驗和開放實驗的目標。

（4）實驗室運行管理問題。學生在使用計算機的時候，隨意拉拔配件，極易導致設備損壞。另外學生缺乏網絡安全意識，學生的上網行為不夠規范，沒有正確下載并安裝正當來源的計算機軟件，導致計算機被病毒感染或被植入一些惡意程序，出現安全問題。

（5）實驗室運行超負荷的問題。目前計算機綜合實驗室不單承擔著全院計算機基礎課程的教學、實驗教學環節，而且還安排了許多科目專業課程的教學實踐，課余時間還被用來承接對外培訓及相關專業機試任務。實驗室每天平均使用時間至少在12小時以上，超負荷運行和資源配置不足明顯加大了管理維護的工作量。另外大多數高校實驗室都采用集中授課的方式，具有規定的授課時間，要求學生在上課時完成實驗任務。然而，有些計算機類實驗過程比較復雜，需要花費較長的周期，一次課無法完成全部的實驗工作，下課時學生只能中斷實驗，嚴重影響實驗效果。

1.4實驗室建設需求分析

結合大數據時代背景和新工科建設要求，實驗室建設將從根源上著手開展計算機類專業實驗教學改革。具體思路如下：

（1）從理論和實踐、教學和科研究方面探索多類型、多層次的實驗教學模式，設計出“計算機基礎學科實驗教學體系”;

（2）整合單位的所有資源，加快實驗教學平臺的規范化、智能化和多元化建設;

（3）積極培養和引進高技術專業人才，建設一支老中青相結合的師資隊伍。

2 實驗室建設方案及管理體系設計

2.1 實驗室建設的總體框架

實驗室建設的總體應用架構的搭建及系統平臺的構建遵循面向服務架構（SOA）原則，具備安全性、集中性、高效性、開放性、可擴展性。總體框架（如圖2）由軟件平臺和硬件設備整合而成，主要包含了：（1）終端接入層——教學科研實驗的管理;（2）資源及運維管理層——云服務及實驗室的運維管理;（3）硬件設施層——網絡存儲及硬件系統等物理設備。

方案的總體框架如圖2所示：圖2中“資源及運維管理層”主要負責以下的工作：（1）計算資源虛擬化：主要包括虛擬化服務器業務網連接規劃、虛擬化服務器心跳和管理網連接規劃、虛擬化交換機的設計與規劃、虛擬化服務器主機名稱網口信息規劃、虛擬化服務器本地硬盤規劃、虛擬化服務器VMware Vsphere安裝、虛擬化服務器配置管理網絡、虛擬化服務器識別磁盤陣列及虛擬化服務器的集群配置等;（2）網絡資源虛擬化：主要包括核心交換機安裝規劃、心跳和管理交換機安裝規劃、遠程監控維護交換機詳細規劃、防火墻安裝規劃及網絡數據流隔離規劃等;（3）存儲資源虛擬化：主要包括存儲設備整體配置、設備管理口地址分配、陣列硬盤擺放規劃、陣列FAST CACHE配置、STORAGE POOL和LUN規劃方案、INITIATOR、HOST、STORAGE GROUP規劃、整體拓撲結構規劃、光纖交換機zone規劃方案、光纖交換機管理端口規劃、陣列多路徑聚合及備份系統規劃等。

2.2 核心數據中心建設

核心數據中心包括實驗室通用服務器、教學資源服務器、實訓服務器和學生創新創業服務器，由幾臺高性能服務器構成。使用服務器虛擬化技術組成虛擬資源池，供動態分配使用。該中心為其他所有實驗室提供網絡、存儲、供電及虛擬服務器等資源，同時為其他實驗室提供服務器托管服務，集成空調、UPS、視頻監控等動力環境管理等。

虛擬基礎實驗室采用虛擬化技術使實驗室軟件環境相互隔離，從而實現實驗室用途多樣化，可在需要時將幾個實驗室統一管理，整合為標準化考場、錄播教室等，實現集中考試、精品課程錄制等。

核心數據中心建設架構如圖3所示，底層為物理服務器，提供計算和存儲資源，使用服務器虛擬技術建立虛擬資源池，供各類應用使用。

2.3 私有桌面云建設

2.3.1建設可共用的實驗環境

應用桌面云技術，根據各專業和各級實驗室需求建立虛擬實驗環境，集中部署在核心數據中心虛擬桌面云服務器上，按需向用戶下發虛擬桌面環境。提供實驗教學一體化管理功能，為教師和學生提供可操作的虛擬實驗環境，使學生在桌面上可以選擇自己的實驗系統完成實驗。

2.3.2建設人性化的桌面云服務平臺

桌面云服務平臺可以根據教師提出的要求，方便地構建實驗環境并可隨時更新，便于實驗室管理。也可以根據教師和學生提出的創新需求，為學生提供開放服務。建設桌面云服務平臺還能減少實驗設備的維護強度，解決實驗人員不足的問題。不僅方便實驗室教學環境的管理，也促進了實驗教學的改革和創新。

2.4 建設教學資源庫和實踐能力分析平臺

建設公共教學資源，包括云計算、大數據處理、機器學習精品MOOC課程、案例庫、知識庫等，實現跨專業、多實驗室間教學資源共享和數據同步。實踐能力分析平臺，收集各種教學環節的作業、實驗、課程設計等教學要素的元數據，為今后進行學生全周期的實踐能力分析提供素材，為學院的實踐教學提供決策依據。

3 實驗室建設的成效

大數據背景下實驗室建設應結合大數據發展戰略，應用先進信息技術，支持混合式教學等新型教育教學模式，重視實驗教學和工程實踐能力的培養，貫徹“共享、重用、開放”的建設理念，以區內一流實驗室（一流管理、一流服務、一流教師、一流實驗設備）為建設目標，將實驗室打造成自治區示范實驗教學基地和示范工程實踐教育中心。

（1）解決實驗室資源分散的問題。規劃綜合實驗室時綜合考慮各層級實驗可共享的底層資源，建設核心數據中心，為所有實驗室統一提供服務器計算資源、存儲資源和網絡資源，實現各層級實驗室間共享底層資源，提高設備利用率，降低其他實驗室建設的工程量和難度。

（2）解決實驗室功能單一的問題。虛擬實驗室可以為師生提供可操作的虛擬實驗環境，使實驗室可以隨時通過改變軟件環境而改變實驗室用途，實現實驗室資源共享和重復利用，使計算機綜合實驗室可完成公共教學、各專業實驗室中大多數通用實驗的應用，實現實驗室功能多樣化，成為計算類課程邊講邊練的授課場所，集體實踐實訓的場所，學生和科研人員自行實驗的場所，開展精品課錄制、MOOC課程制作及教學檢查的場所，混合式教學改革試點場所及標準化考場等。

（3）解決實驗室空間封閉的問題。實現了實驗室物理上開放，不再是按規定的時間上課下課，師生可通過智能門禁隨時授權進入實驗室開展學習科研活動，使實驗管理人員從“保姆式”服務中解放出來，專心從事實驗實踐教學研究，同時也為師生提供體驗更好的自助式服務。

（4）解決實驗室時間上固定的問題。實現實驗室教學資源線上共享，學生在宿舍電腦、手機上可查看課件，也可繼續未完成的實驗。

（5）解決實驗環境維護困難的問題。使用服務器虛擬化技術和桌面虛擬化技術，實現各實驗環境相互隔離，保存在虛擬服務器上，需要時及時下發至實驗室終端，并可在終端上隨時更新任何實驗環境，實現實驗室高效運行。

（6）解決實驗室數據采集和分析缺失的問題。對教學過程中產生的學生學習行為數據、教師教學能力數據進行收集和存儲，并對學生的實踐能力進行全程跟蹤和分析，實現了數據保存的完整性和實用性。

4結束語

新工科背景下計算機類綜合實驗室建設與管理是一項既艱巨又復雜的任務，我們應順應時代潮流，創新思維、創新模式、創新辦法。構造一套科學、系統、智能化的實驗室管理與運行機制，在培養高精尖人才、科學研究和社會服務等方面發揮應有的功效。

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【通聯編輯：光文玲】