電子信息類大學生開放實驗室分層管理及其通信信息系統的設計與實現

廖亮 王新強

[摘? ? ? ? ? ?要]? 在電子信息類大學生創新和動手能力的培養方面，開放實驗室的信息化和網絡化的建設起到至關重要的作用。結合開放實驗室網絡化和信息化建設的具體實踐，針對電子信息類大學生的特點，介紹一些建設開放實驗室的經驗，其中包括網絡登記和身份鑒定等信息系統的設計原則。

[關? ? 鍵? ?詞]? 電子信息類;開放實驗室;網絡建設;信息系統

[中圖分類號]? G647? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2022）35-0109-03

隨著信息技術的快速發展，傳統的實驗室管理方法難以滿足電子信息類本科生高質量進行各種創新和綜合實驗的要求。開放實驗室及其管理的電子化和信息化對電子信息本科生的各種創新和綜合實驗提供更好的方案。

開放實驗室在現有校園無線網絡的基礎上，充分利用現代化的技術手段和管理方式進行實驗資源的管理、協調和分配，從而實現高校教學的現代化，并且有利于高校學生學習的自主化和各種信息資源的共享。

一、開放實驗室的分層模式

由于電子類專業學生知識水平和動手能力不同，為了充分利用實驗室的資源和激發學生的興趣，實驗室可以采用金字塔分層次的開放、管理模式[1-3]。結合電子信息類學生的特點，我們采用基礎型、進階型以及創新型三級開放模式。結合具體的實驗教學實踐，基礎、進階和創新三個層次的軟硬件資源，學生人數所占整體的比例可以大致設定為50%、30%以及20%。根據不同高校的發展水平和學生素質，各分層的比例可以在上述比例的基礎上適當調整。

（一）基礎開放實驗室

基礎實驗室面對低年級的學生開放，主要對低年級學生進行入門型的實驗能力培養和訓練。除了對電子信息類低年級學生開放外，還對其他非電子信息專業的學生開放。承擔了全校基礎型電子實驗的主要部分。

基礎實驗室主要包括電子系統的基礎實驗（電工學實驗）、通信系統的基礎實驗（通信原理實驗）以及多媒體信息處理基礎實驗（編程）三個方向。基礎實驗室針對的是基本的教學培養目標，目的是使學生對基礎的電子信息設備和工具有初步的認識并動手實踐，在實踐過程中激發學習興趣，為進階型動手實踐奠定一定的基礎。基礎實驗室通常對學生進行分組，每組由3～4人組成，每組除了教師的指導外，通常還有1～2名的主力隊員，以幫助動手能力較弱的學生完成實驗。實驗完成后，各組的實驗結果需要進行驗收、評判、給出成績。

基礎實驗室培養學生的合作能力、動手能力和解決問題的能力，也用于發現有潛力、動手能力強的學生以推薦到進階實驗室進行實踐鍛煉。

（二）進階開放實驗室

進階實驗室主要面對的是學有余力的中高年級電子信息類本科生。在進階實驗室進行鍛煉的學生往往是在基礎實驗室中表現比較出色的學生。進階實驗室通常以電子設計競賽題目、教師的縱向科研項目以及與合作企業聯合開展的橫向研發項目為驅動。項目驅動模式在開放實驗室的人才培養中扮演重要的角色[4-5]。逐步鍛煉學生掌握電子信息系統的設計與實現的方法，電子信息系統故障的檢測方法、熟悉和掌握各種跨平臺編碼環境。學生在進階實驗室中的鍛煉也是學生創新行為的孵化器。

進階實驗室的學生可以按照動手能力高低的原則進行分組搭配。進階實驗室中的學生圍繞往年的電子競賽題目、教師的縱向和橫向項目，除了完成指定的各項實驗任務外，還定期向學生公布一些具體的實驗項目，讓學生按照興趣進行選擇。此外，還鼓勵學生在一定范圍內自由探索，從而大大提高了學生的興趣和動手能力。

（三）創新開放實驗室

創新實驗室主要面向高年級學生進行開放，進入創新實驗室的學生將為參加省級和國家級電子大賽進行提高和培訓，或者以教師的橫向、縱向項目為依托進行電子信息系統的開發工作。為了提高開放實驗室的使用率，在競賽或科研項目結束后，創新實驗室也提供一定的進階實驗室的功能。創新開放實驗室和學院不少專業實驗室不定期地舉行交流活動。

進入創新實驗室的學生大多是從進階實驗室中表現比較優異的學生中選拔出來的。創新實驗室中的各種電子信息設備比較先進，主要目的是培養學生的創新能力，并在一定程度上分解、消化科研項目中的各個子課題。

二、開放實驗室網絡信息化的設計與實現

利用分層和開放模式設計和建設的實驗室不僅有利于對不同能力的學生因材施教，而且有利于推動學科競賽，消化、分解科研工作以及營造優良的學風。為了實現分層和開放的設計模式，需要有效的網絡信息化系統為其提供技術上的支撐。

和傳統方法管理的開放實驗室相比，建立在網絡和各種信息管理系統基礎上的開放實驗室能夠使學生在合理的時段靈活地進行實驗室的預約和登記。這種靈活的預約能夠很大程度上提高學生實驗的積極性，并有助于其創新能力的提升。開放實驗室的網絡信息化還有助于實驗室管理標準化和運行效率的提升。開放實驗室通常采用網絡登記、預約和身份鑒定。在無線通信時代，手機的客戶端進一步為這種網絡管理提供了“隨時隨地”的便利性。

預約實驗的教師和學生可以通過瀏覽器或者手機客戶端來訪問實驗室預約系統，該系統通常以Web服務提供開放實驗室的相關信息。服務器和實驗室門禁工作站互通，可以實現實驗室的預約和解約功能。預約實驗室用戶在約定的時間段內通過IC卡或者手機客戶端進入實驗室開始進行實驗，實驗完畢后再通過門禁系統刷卡或手機客戶端操作來進行注銷。預約和注銷等信息將通過連接門禁系統的計算機工作站上傳至主服務器，這些數據將作為校園網“大數據”的重要組成部分，為以后的數據挖掘和信息化決策提供基本的數據。

基于Web服務的實驗預約/解約系統擺脫了人工等級和人工管理等各種不方便，供學生進行實驗室資源的查詢以及預約實驗室和實驗時間。系統通常以B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）為架構提供開放實驗室的預約、審查和管理功能。普通用戶主要分為學生和教師兩種，教師可以在該系統中對個人資料、密碼信息進行編輯和存儲，也可以進行預約實驗室，錄入學生成績和修改成績。學生用戶可以對自己的資料、密碼進行保存和編輯，也可以進行實驗安排和實驗成績的查看。系統管理員為超級用戶，負責系統中所有普通用戶的管理工作，可以添加、修改和刪除普通用戶的信息，同時負責審核普通用戶的在線預約。該系統通過Web服務器連接校園網和移動終端公眾號，學生可以通過上網賬號和學號等信息進行實驗的預約。

Web服務器所連接的后臺數據庫原則上應該運行在不同的主機上，從而實現功能和數據在功能上以及物理上的分離。當子系統出現故障時，容易定位問題，也有利于系統的升級和維護。

為保證核心數據不丟失，數據庫系統應采取雙機熱備份或者多機集群的技術來解決。其中雙機熱備份技術成熟，性價比高，因而受到了比較廣泛的應用。雙機熱備份系統通常由RAID5磁盤陣列和兩臺獨立的數據庫服務器構成。兩臺數據庫服務器在內網上相互監控彼此服務的情況，一旦主機器出現故障，服務將立即切換到從服務器上，系統切換時間很短，大大提高了系統的魯棒性。在正常運行的時候，主數據庫服務器向Web服務器提供數據接口，并在指定時段內向從服務器進行數據備份。

近年來，移動互聯網的迅速發展和普及，為各種移動端應用程序的迅猛發展提供了有力的支撐，其中移動終端公眾號成為我國應用最為廣泛的移動互聯網程序之一，移動終端公眾號則為Web服務和個人之間提供了一種新的通信方式。

開放實驗室的預約系統也可以通過公眾號進行架構。程序開發者通過公眾號平臺接入信息，然后將接入的信息傳遞到移動終端公眾號平臺，并由公眾號平臺的服務器將信息轉送到應用服務器。開發者將接收到的信息進行處理后，將處理的信息通過自己的服務器轉發給公眾號服務器，并由公眾號服務器發給最終用戶。

傳統的實驗室很難為學生和教師提供靈活的實驗室安排，而開放實驗室充分開發和利用實驗室，本著以學生為本的原則開放實驗室，因材施教，為學生提供必要的實驗環境以及靈活的時間安排。開放實驗室通過提供不同的實驗內容讓學生靈活選擇，讓他們獨立設計完成實驗。這種時間和內容上的靈活性能夠大大激發學生的主動性和求知欲，可以培養其良好的研究習慣，往往也會帶來更好的實驗效果。這種積極性的提高在綜合類實驗中極其重要[6]。

網絡信息化的建設使開放實驗室全天候對學生開放成為可能。學生完成實驗的時間不盡相同，通常簡單的實驗在兩個科室都可以完成，比較復雜的綜合實驗、探索性實驗、課程設計以及電子競賽等實驗周期則較長，需要持續數周或者更長的時間。網絡信息化管理系統的開放實驗室在很大程度上可以靈活地安排時間和日程，大大提高了實驗設備的利用率，通過合理的實驗時間安排，可以保證學生獨享實驗設備，從客觀上提高了實驗的質量[7]。

開放實驗室信息化的建設以及實驗設備效率的提升在很大程度上降低了實驗人員以及實驗時間的不確定性以及實驗內容復雜多變的情況，降低了開放實驗室運行維護的成本，有利于實驗室的資源共享，確保了實驗教學的順利進行[8]。

三、身份鑒定和門禁系統

開放實驗室一個重要的組成部分是門禁系統。門禁系統可以采用模塊化的結構和設計，以便系統維護的方便以及今后的系統升級。該系統通過內網和實驗室安全系統相互連接，外部用戶不能訪問，該系統包含用戶門禁系統的IC卡讀卡器、UPS電源、智能鎖和發卡器等裝置。發卡器和內網電腦終端相連，用戶鑒定學生的身份管理門卡信息。電腦終端也可以CSV或Excel文件的格式批量輸入/輸出持卡人的身份信息，便于信息的共享，也可以臨時發卡，以及無條件開啟/關閉門禁系統。

近年來，移動物聯網的迅猛發展為利用移動終端進行門禁的身份鑒定提供了技術基礎。開放實驗室的門禁控制可以利用微信公眾平臺來完成。使用移動終端發消息獲取的門禁身份鑒定，不僅成本低，而且安全性高，移動終端用戶需要經過管理員的認證才能使用門禁系統。此外，校園網服務器和電子鎖的通信采用簽名驗證的機制，保證了安全、可靠地控制開放實驗室的電子鎖。

借助移動終端可以用較低的成本實現電子鎖的開啟，不會因為用戶增多導致門卡增多，從而增加成本，用戶也無須記憶密碼，也避免了門卡遺失的問題。雖然上述方案可以降低開放實驗室的管理成本，便捷性高，安全性在理論上也有保障。然而，目前在高校中使用移動終端開啟開放實驗室電子鎖的還是比較少的，其實際效果如何，還需要時間的檢驗。

四、結語

網絡信息化規范了開放實驗室的管理，提高了開放實驗室的效率，充分開發了開放實驗室的潛力。一個現代化的開放實驗室給研究性學習、探索性學習以及合作性學習提供了必要的條件和便利，激發了學生的求知欲，鍛煉了學生的動手能力，培養了學生良好的習慣。另外，實驗教學的時間安排也更加靈活，學生的實驗機會、實驗時間都得到增加，因此實驗教學的質量也得到極大的提高。信息化手段也為學生的實驗進行更加客觀、準確的評價提供了便利。

開放實驗室是培養學生自主性和創新性的重要途徑，符合時代發展和人才創新的需求，給信息時代的教育教學注入了新元素。開放實驗室的信息化建設已經成為高校教學改革發展的一個大趨勢，開放實驗室在電子信息類學生的教學實踐中起到越來越重要的作用，也是人才培養創新的一個必由之路。本文所論述的開放實驗室系統在我校運行多年，在提高電子類畢業生的培養質量方面起到了重要的作用，今后該系統將進一步完善，深化實驗教學改革。

參考文獻：

[1]吳龍.電子類專業分層開放實驗室的建設研究[J].實驗室科學，2013，16（6）.

[2]盧孔寶.以創新人才培養為核心的實驗室開放模式研究與探索[J].實驗技術與管理，2020（1）.

[3]肖厚貞，張軍鋒，林尤全.基于云班課的物理化學開放性實驗教學實踐[J].化學教育，2021，42（6）.

[4]陳勇將，郭魂，華洪良，等.基于項目驅動的運動控制實驗室開放模式研究[J].常州工學院學報，2020，33（5）.

[5]苗丹，盧偉.以項目為驅動的信號處理類課程教學改革實踐[J].實驗室研究與探索，2021，40（1）.

[6]肖看，尹仕，嚴國萍.創新型電工電子全開放實驗教學模式探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2010（4）.

[7]趙善民，何顯教，晉玲，等.開放實驗室教學改革研究[J].醫學教育探索，2009（9）.

[8]郎文杰，楊風，宋小鵬，等.“新工科”背景下以專業為導向電工電子實驗開放模式的探索與實踐[J].教育教學論壇，2020（41）.

◎編輯 栗國花