書苑模式管理的智慧計算機實驗室探究

王建麗

（太原科技大學 山西 太原 030024）

1 引言

高校實驗室建設是學校基礎硬件建設的必要條件，是體現一個大學辦學水準的標桿設施。社會生產力水平的極大提高，對高校實驗室建設提出了與時俱進的新要求。新的社會形勢下，如何更好地規劃、建設實驗室，為大學課堂提供優質實驗教學環境是值得高校實驗管理人員認真思考的重要課題。

2 實驗室管理和使用的現狀和問題

2.1 實驗室開關門管理

目前實驗室管理仍然沿用的是傳統鑰匙管理模式。每個班上實驗課前，由學校的實驗室管理員拿鑰匙為該班級打開對應的實驗室門，合上電閘。下課后由管理員檢查確認每個實驗室的環境和設備。關閉插座、照明及空調電源、門窗，鎖上實驗室的大門。這種純人工的管理模式，一旦工作人員檢查不到位，極有可能導致電力資源的浪費、甚至引發火災等安全隱患。

2.2 實驗室還原管理

機房電腦沒有安裝智能控制系統，為防止系統被篡改或者感染病毒，實驗室機房配置基本硬件或者軟件還原系統。硬件還原系統也稱為硬盤還原卡，是一種PCI擴展卡，主要作用于計算機的操作系統。計算機開機運行時，先啟動還原功能，讓硬盤的部分或者全部分區都恢復到初始設置。常用的硬盤還原卡基本為以下兩類：一為普通的還原卡，物理上不直接接管硬盤讀寫；另一種是新型還原卡，物理上直接接管硬盤讀寫。無論那種還原卡都會導致系統開機緩慢，一旦進入還原卡失敗，則計算機無法成功啟動。軟件還原系統是通過軟件來保護電腦中的數據。還原軟件可分為系統自帶的和第三方兩大類。Windows系統的系統還原功能可以看作系統自帶的還原軟件；第三方的還原軟件有很多，如冰點等；但是存在如下弊端：一些電腦安裝完還原精靈后開機黑屏無法進入系統，只有光標閃爍，甚至連BIOS都無法進入；還原軟件的可靠性也不是非常穩定，某些病毒容易利用還原軟件的漏洞攻破防御。

2.3 實驗室管理軟件現狀

目前很多高校實驗管理系統主要是實驗排課管理，提供老師在線排實驗課表、查詢課表等。這些管理系統不能實質性地對實驗室計算機進行控制操作，不涉及實驗室的安全監測，也不提供實驗室的開放管理等。有小部分高校實驗室管理系統涉及對設備的控制操作，但存在可移動性比較差、沒有手機版的軟件等問題。

3 書苑模式管理的智能計算機實驗室設計與實現

科技的發展使得智能化已經全面進入我們的現代生活，作為信息技術應用前沿領域的計算機專業領域，其設備智能化更是勢不可擋。而物聯網、云技術、大數據等信息技術的日益成熟，也為計算機實驗室的智能化建設提供了技術支持。手機、平板等設備的大面積普及使得計算機實驗室管理的可移動程度、智能化程度必然越來越高。這就要求智能化實驗室建設需要具備以下功能：學生通過手機等智能終端軟件來預約實驗，系統根據學生預約情況來設置實驗室開放時間段，并按照實驗安排表通過智能門禁系統自動打開實驗室，自動打開終端設備，實驗結束后自動關閉終端設備等。管理員可在線全程監控實驗室機房，實現智能化的各項管理。

筆者所在學院的計算機專業，二年級以上（將近一千名）同學每人都有一臺筆記本電腦。如何將筆記本電腦和學校實驗室電腦結合在一起，合理高效發揮作用是一項非常有意義的研究。疫情期間大量線上課程的教學，以及大批優質慕課資源的免費開放，使得當代學生通過網絡自主學習的熱情極度高漲。學生使用雙電腦共同學習，一臺計算機聽老師講解，一臺計算機進行實驗操作。或者不使用學校實驗室的計算機，全程用自己的筆記本電腦進行實驗，這樣可以省去程序的來回復制、攜帶，學習更方便。所以將學生筆記本電腦作為高校實驗室有效的實驗補充設備，既可以大大緩解實驗室建設的壓力，也可以更高效發揮實驗室的功效。

根據以上分析提出書苑模式管理的智慧計算機實驗室建設設想，智慧計算機實驗室機房不同于傳統實驗室的窄座位設計，而是選用圖書館的寬大座位模式，百分之七十的座位配備實驗室電腦，另配備插座、接口等以供學生雙電腦使用。另外百分之三十的座位不放置電腦，供只使用自己電腦的學生選座。另設置智慧討論角、互聯網+競賽專用實驗角等特色實驗房間，這些房間配備六角會議桌或圓桌、可移動座椅，方便興趣小組程序設計、討論研討。整個智慧實驗室采用智能門禁，建設方案采用虛擬化云桌面技術，課程引入在線實驗環境。

3.1 智慧實驗室門禁設置

智慧實驗室配備管理系統，實驗前可以使用手機、電腦、Pad端提前預約。系統安裝視頻監控管理系統，通過門禁考勤，學生刷臉進入實驗室。隨后使用觸屏控制機進入智能選課系統，控制機可與人通過觸屏、鍵盤、語音多種方式互動。系統識別當前學生后調取其當前學期所修課程，學生選取本次準備練習課程，系統為學生自動分配實驗計算機，啟動機器，系統自動匹配上次學習進度，打開實驗環境。若學生準備自己攜帶筆記本，則不需要在屏幕上選擇。

實驗室通過物聯網技術配備煙霧傳感器、有害物質監測傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、電流電壓傳感器，這些傳感器負責采集實驗室煙霧與有害物質情況、人體溫度、溫度與濕度以及電流電壓信息，方便管理人員通過智慧系統實現電源的開放與關閉、消防安全的監測等。

3.2 基于虛擬化云桌面技術的智能計算機實驗室解決方案

整個智能計算機實驗室建設方案擬采用云桌面虛擬化技術。云桌面是云計算虛擬化技術的一種具體應用[1]，云桌面技術最大的優勢在于可以復制或者定制個人獨有桌面，所以它非常適合用作移動式的實驗教學。在隨時可以接入網絡的條件下，師生可以根據需要隨時訪問自己的專有虛擬桌面，進行學習或者交流，不受宿舍、教室地理位置的約束。如果在家里要訪問云桌面服務器，可以通過校園網 VPN（虛擬專網）訪問，這樣學生離開實驗室后能夠繼續未完成的實驗。我們基于學生筆記本的高擁有率，結合高校校園內優質網絡條件，及師生隨時隨地辦公和開放實驗的需求，擬采用VDI（virtual desktop infrastructure，虛擬桌面基礎架構）模式來配置機房模式。這種模式對數據安全性要求高，但對運算性能和圖像處理要求不高，適合開設計算機科技與技術、軟件工程等專業的計算機院校。VDI 模式是通過云計算技術實現服務器硬件資源（CPU、硬盤、內存）的共享和按需分配[2]。該模式下運算和數據存放均集中在服務器端，有較高的安全性能。可以同時支持師生的多終端訪問：它是一種集中式計算的瘦客戶模式，將全部的計算都集中在服務器上，而云終端相當于顯示屏，所以云終端可以使用配置較低的舊計算機，這很大程度可以降低實驗室的建設成本。同時師生還可以隨時使用多種終端平板電腦、手機等訪問虛擬桌面，這就是智慧實驗室的可移動性。

平時上機實驗時，教師可以通過云桌面技術，來定制每個課程的獨有鏡像，在學生上機實驗之前，由鏡像快速實例化出眾多虛擬機，分別將這些虛擬機分配給各個學生。教師還可以將這些虛擬機拍下快照，等下一批學生上課的時候，調出之前的虛擬機快照時的狀態，即可直接使用。管理員也可以將一些常用的桌面做成虛擬機鏡像，根據實際情況把這些桌面分配給不同的學生或者老師使用，進入實驗的師生可以根據自己的喜好和實際需求定制自己的獨有桌面，如安裝自己準備練習和使用的學習軟件等。

因為 VDI采用集中運算模式，需要較高配置的服務器，才能提供較高穩定性的服務，所以為智慧實驗室提供UPS全天24小時供電。

3.3 智慧實驗室軟件管理系統

書苑模式管理的智慧計算機實驗室軟件采用在線學習平臺，學校開發自己獨有的在線學習環境，全面打造實驗課程的線上化操作，實現學生不用安裝配置軟件即可進入實驗環境，練習完畢可以在線提交程序，常規化程序由系統自動查重判改，特殊程序可由老師人工審閱，返回評閱修改意見。教師可以通過系統同時督導多個班級實驗，學生需要指導可以隨時連線教師。學習平臺無縫對接“中國大學MOOC”（愛課程）、超星等主流 MOOC平臺；在線實驗環境也可使用Educoder等成熟計算機實踐教學平臺。目前，EduCoder支持大規模實驗資源共建共享，提供了1000多種在線實驗課程、40000 多個技術實驗案例，在線資源還在不斷豐富增加中，最值得一提的是該平臺面向全國高校師生開放，使用者只需要注冊進去就可以享受全站資源，包括所有案例的智能化評測，基本可以滿足普通高校學生的基本實驗需求。個別課程也可以根據需要選擇實驗樓等其他在線學習平臺。這些平臺均可以實現學生在線實驗練習，實時數據上傳提交、自動查重，使用給定參數檢驗程序對錯，也可以進行網上交流等。

4 結語

針對高校計算機專業學生筆記本電腦的高持有率，以及現有實驗室傳統的管理模式，本文提出書苑模式管理的智能計算機實驗室設計規劃。將智慧教室建設思想融入智慧實驗室規劃，結合物聯網、云平臺技術，充分發揮學生為中心的翻轉課堂理念，希望將學生自有筆記本電腦和學校實驗室計算機有機結合，為高校智能化、開放實驗室的建設提供一種借鑒。