“物聯網+云平臺”驅動的新文科智慧實驗室構建＊

李春艷 戴志鋒

1.湖北經濟學院實驗教學中心；2.湖北經濟學院信息與通信工程學院

“物聯網+云平臺”驅動的新文科智慧實驗室的建設，以構建智慧學習環境促進高校信息化發展為切入點，以課程建設和課堂教學改革為基石，以實驗室建設、教育教學改革、教育理念和教育模式、人才培養質量多方耦合機理及協同創新為主體，對智慧虛擬仿真系統、智慧視頻監考系統、智慧多功能簽到系統、智慧門禁及考勤管理系統、智慧虛擬化搭建云數據中心服務器架構、智慧無線網絡系統等主要技術方案進行了討論，為高校智慧實驗室的構建應用提供參考。

在國家大力推進信息化與工業化兩化融合、建設創新型國家和人才強國等一系列戰略背景下，教育部印發了《教育信息化“十三五”規劃》和《教育信息化2.0行動計劃》，要求將高等教育與信息技術進行深度融合，深化教育教學改革、引領教育理念和教育模式創新。實驗室作為孕育大量創新應用成果的科研和教學的環境，其技術應用和智慧化管理能力對于實現“引領創新創業、多元化人才培養”的目標具有重要意義，也需要融入現代化元素進行轉型升級，以全新的理念指導實驗室信息一體化管理和建設。

綜觀國內外高校實驗室建設和管理現狀結合未來信息化發展趨勢，為以物聯網、云平臺等移動信息技術為核心的相關智慧實驗室建設，提供能夠綜合感知智能實驗環境、判斷相關信息、提供綜合服務的智慧平臺。通過構建“多來源環境監測實時化、多端口設備管理自動化、綜合資源獲取信息化、實驗管理整體高效化”的智慧實驗室，構建便捷、高效、安全、人性化、智能化和低碳化的智慧實驗室。

1 智慧實驗室建設的問題與需求

1.1 當前實驗室建設存在的問題

實驗室作為高等教育教學人才培養體系的基本載體，應用的廣度和深度不斷加大，如何緊密圍繞實驗軟硬件環境、實驗教學過程和專業知識點的“智慧”屬性構造，推動智慧實驗室的多功能建設和高效應用，將多源設備進行信息采集并整合數據信息，同時利用大數據云平臺存儲和分析數據，并納入智能化綜合服務平臺，逐步實現并創新智慧實驗室優質資源共享和高效數據收集、分析和服務，為師生提供全面的智能感知環境和綜合信息服務平臺，切實提高實驗教學質量、促進實踐教育教學的發展，正成為新文科背景下高等教育教學熱點問題之一。

另一方面，實驗能力是文科人才培養的短板，交叉融合是新文科的重要改革方向，隨著教育信息化與教育教學呈融合發展趨勢，使得新文科背景下與信息技術深度融合產物的智慧實驗室建設，實現與人才培養在一定程度上的結合成為可能，進而對兩者相關問題予以系統研究和解決。

1.2 實驗室建設需求

（1）挖掘“物聯網+云平臺”驅動的新文科智慧實驗室的技術內涵，以智慧實驗室構建過程中鏈接預測和補全技術、實體和鏈接的搜索匹配規則優化等技術實現為技術創新基礎，將智慧教育有機融入到自主性和創新性人才培養協同演進和模式優化過程之中，形成教育智慧化與教育教學方法融合創新，實現實驗室、學科、專業、課程協同建設的良性循環[1]。

（2）從教育教學視角切入分析智慧實驗室建設與教育教學的適切性，依據多個需求模塊理念進行構建，立足縱向、橫向和星型模式，通過耦合與協同等不同視角，構建出多層次、多模塊銜接緊密的智慧實驗室功能體系，優化基礎硬件設施和多源頭設備，搭建智慧實驗室在智慧教學、科研、實驗室管理中的構建流程與應用場景，不斷完善系統架構。

（3）依托人工智能、大數據、物聯網等新興技術構筑人才培養，實現實驗室的軟硬件設備、物理設備、信息設備、管理制度、操作流程等的智能化管理，提供良好的實驗室教學科研氛圍，針對學習者和管理者提供智慧實驗室服務，構建高效智能化的綜合信息平臺，支持學習者知識體系的動態演進，支持管理者高效過程管理，將智慧環境有機融入到自主性和創新性人才培養協同演進和模式優化過程之中。

1.3 智慧實驗室的特征

（1）規范性。嚴格按照國家機房標準進行設計和施工，實施結果滿足相關規范要求，保證數據集中化，信息共享化，內容定制化，硬件集群化，文件電子化，流程規范化，最終實現冬類信息的查有、統計、分析，為廣大學生教師服務，為學校領導科學決策提供真實可靠的依據。

（2）充分利用原有資源。充分利用原有可用的設施，避免重復購置，完成多型號、多類型、多地域服務器聚合共享，節省投入和降低運營成本，打破壁壘，提升數據中心管理方法和形式、有力支撐教育教學和科研。

（3）跨校區統一管理。實現了跨校區的統一管理和監控(視煩監控、溫濕度、電力、報警)，保證所有核心業務系統的連續性，秒級切換，零數據丟失。采用先進技術，以利于整個系統的平滑升級，考慮到今后存儲環境的變化和災難恢復系統建立的需要。

（4）可靠性管理。智慧實驗室突破常規機房停電后空調無法運行的瓶頸。通過詳細的參數匹配，并選用直流變頻緩啟動技術的壓縮機，保證列間空調的風機維持運轉[2]。上述設計實現了停電時制冷系統仍然可以部分功率運行，維持機房服務能夠長期持續服務。基于存儲實現雙活，整個切換過程為秒級，數據零丟失。

（5）智能性多融合管理。智慧實驗室的綜合動力環境系統與中控系統進行全面集成，通過手機、平板電腦和觸摸屏設備，集中管控機房的燈光、新風、投影、窗簾、門禁等多種設備，并設置了多種場景模式，只需鍵操作即可激活，極大方便了機房的綜合現場管理。

（6）多功能自動管理。智慧實驗室的布設了大屏電視、立式展示終端、觸摸屏終端、拼接大屏設備、電控調光透射投影系統等多種顯示設備，均使用瘦客戶機方式統一管理和驅動，管理員不必在現場對設備進行逐配置維護，只需在后臺統配置管理即可實現對所有顯示內容的全面管理。

2 智慧實驗室的架構設計

（1）校園感知層。通過感知設備、傳感網和各類移動終端對校園實施實時感測，對校園內人的活動狀態、物的運行狀態、人與物之間的互動狀態等實時感知，實時采集數據，幫助校方提高教育工作者和管理人員的工作效率。

（2）數據傳輸層。采用泛在網中的有線、無線網絡通信技術、專網技術、傳輸控制技術實現自由全面的互聯，對校園中的數據、聲音、圖像、視頻等信息進行隨時隨地的傳輸。數據傳輸層是“互聯網+智慧校園”架構中的網絡基礎。根據建筑物結構特點、上網行為模式和特點、用戶終端數量和類型，設計無線接入點設備及其天線系統的部署方案。

（3）數據智能處理與存儲層。利用數據的存儲、清洗、挖掘、分析、活化、建模及安全等相關技術，對匯聚的智慧校園中各種數據進行處理、管理，向上層提供智能處理后的數據支持。數據智能處理與存儲層是“互聯網+智慧校園”架構中的數據基礎。

（4）支撐服務層。利用各種通用、專用技術軟件，構建面向各類校園應用的公共服務支撐平臺，向應用服務層和智慧應用層提供共性服務支持。支撐服務層是“互聯網+智慧校園”架構中的技術基礎。

（5）應用服務層。該層是架構的核心部分，匯聚了不同校園業務的應用服務，要求網絡適應于教學、科研、后勤保障等多方面的需求，提供了連接智慧應用層的平臺開發技術，是構建校園內各智慧應用領域的基礎。應用服務層是“互聯網+智慧校園”架構中的應用基礎。

（6）智慧應用層。據“軟”“硬”件區分，智慧應用可歸納為下面兩大類：“智慧軟件”側重于建設一套多功能的集群系統，能夠執行大數據分析任務、高性能計算任務和虛擬化云計算服務任務，并對現有機房環境進行簡單改造以滿足集群系統的運行要求[3]。要求性能強大，配置先進，投資經濟，并提供充分的培訓服務和技術支持服務。“智慧硬件”側重于物理技術架構的智慧化，通過各種VR技術、設備和課程資源等先進的教學設施和資源，結合有線和無線高可用性網絡。目標覆蓋業務系統使用區域內99%以上位置的接收信號強度≥-65dBm；確保無線網暢通，無異常中斷；實現無線設備均勻分擔密集用戶的網絡負載。

（7）標準與評估體系、安全保障體系。“互聯網+智慧校園”中，在完全繼承和發展傳統安全功能的基礎上，提供完整豐富的應用識別和應用層威脅、攻擊的防護能力。提供完善的管理策略和性能監控機制，嚴格按照國家機房標準進行設計和施工，實施結果滿足相關規范要求。

3 智慧實驗室的主要技術方案

3.1 智慧虛擬仿真系統

通過VR技術、VR交互技術、VR設備和VR課程資源,通過虛擬演播系統，提供課堂虛擬演練環境，將難以理解的專業知識點通過VR的方式直觀展現，加入先進的教學輔助設備，配置虛擬交互系統和相關資源，讓學生對結構性知識有直觀的體驗，配合虛擬開發教學區，實現了教學與教研一體化目標，提高教學效率與教學質量[4]。提供完整的教學資源采集功能，包括常態錄播、精品課程錄播以及更高規格3D虛擬演播，滿足各類不同類型的課程錄制需求；通過教學互動軟件的加入，引入遠程互動功能，加強學生的自我學習與互相學習，打破教室的空間邊界。

3.2 智慧視頻監考系統

系統設計以高速網絡傳輸為技術基礎，將監控、網絡設備功能融合一體化。監考系統采用整套系統形成體化管理，其中前端為攝像頭、后臺存儲、視頻管理系統、網絡傳輸設備、防火墻等；后端針對視頻監控專業級存儲，采用了SCS直存、工業級硬盤，在性能、錄像檢索、可靠性方面非常穩定，與現有校園監控系統集成[5]。采用多級管理設計，既可完成考試巡考監控，在校園內監考中可進行本地管理，與目前正在使用的校園監控系統無縫對接，一體化管理。

具體監考5個子系統，包含高清視頻監控系統，對各個考場的音視頻實況進行全時監視和錄像；包含音頻廣播系統，用來發布語音通知和全場調度指揮；包含LED聯播系統，用來提示時間和發布文本通知；包含指揮中心系統，對所有前端系統進行集中控制指揮調度；SIP網關設備，用來將本地音視頻信息與省考試院的指揮中心平臺實現無縫對接，全系統網絡化傳輸與管理。

3.3 智慧多功能簽到系統

會議管理系統對報告廳的各種會議進行計劃、發布、簽到等管理，集合會議考勤系統及一卡通的各種數據，形成一套將簽到信息與會議信息相匹配的數據，再導入到人事系統的學分管理系統，自動完成學分的記錄。部分門禁前端設備、門禁手持設備也通過WiFi環境接入到后端端平臺。會議考勤系統分為前端和管理平臺，前端用于接收用戶的刷卡行為，根據會議管理系統的信息判斷用戶是否具備出席會議的權限，根據刷卡時間信息判斷用戶是否按時到場和離場，提供出勤記錄。考勤系統與校園一卡通系統實現后臺整合，用戶在一卡通系統中的個人信息、組織架構、邏輯編號等信息直接被考勤管理平臺的底層調用，實現與主庫的實時同步，同時通過在各個報告廳部署無線環境，向與會者提供多種互聯網接入服務。

3.4 智慧門禁及考勤管理系統

在學校的重要出入口、宿舍大門、重點實驗室、辦公室、圖書館通道的出入口安裝門禁系統，實現基于卡片的出入控制，并實現與一卡通系統中用戶賬號和卡片信息的同步整合[6]。在教學樓，門禁除了作為出入控制外，還將刷卡信息直接用作考勤信息，用來規范教學秩序。使用電子地圖來實現可視化的門禁管理，既可以感應IC卡，也可以感應手機上的相關App，大大方便了用戶使用。而且，2種感應頭讀到的不同用戶信息在系統層面實現了整合，邏輯上等同于個讀卡裝置。實現了門禁系統與視頻監控的聯動機制。當門禁刷卡通過時，自動向監控系統發送信號實現抓拍，以便事后稽查時可以通過視頻畫面到更加真實的情形[7]。實現了門禁系統、LED顯示系統及收發室信件管理系統的整合。當學生刷卡進宿舍大門時，如果收發室信件管理系統中有該學生的郵包達到登記，就會通過LED大屏顯示提示。教學樓的門禁與考勤功能進行整合，在實現出入權限控制的同時，也結合教務系統的課程表信息進行教師的上課考勤統計，明顯提升了教學秩序的規范性。整個門禁和考勤的后臺數據庫與一卡通的基礎數據庫進行了整合，用戶在一卡通系統中的個人信息、組織架構、邏輯編號等信息直接被門禁管理平臺的底層調用，并且實現了與主庫的實時同步。

3.5 智慧虛擬化搭建云數據中心服務器架構

實現服務器物理集中、基于服務器虛擬化技術的建設，初步搭建IaS模式的云數據中心架構，實現了動態自動化分配服務器計算資源。對學校的IaS私有云資源池進行服務資源擴充和功能開級，實現分布式存儲架構、虛擬IDC、跨網段的虛擬機高可用、數據中心運營管理、云數據中心的認證及計費管理等功能，井對數據中心網絡系統進行設備替換以實現性能升級。實現了動態自動化分配服務器計算資源。

3.6 智慧無線網絡系統

學校的網絡主體之一為宿舍無線網絡，并且需要對現有的認證計費系統進行深度整合，同時對宿舍網、學生網的有線網絡進行整合改造實現有線無線體化，選擇更優的網絡架構降低運維壓力同時提升用戶網絡使用體驗。實現項目的總集成，通過與寬帶接入控制設備的配合完成認證計費系統的新建，實現與寬帶接入控制設備的數據交互，對用戶以及帶寬進行精細化控制和統計。在扁平化方案的基礎上實現有線無線一體化認證，在極致簡化運維及用戶體驗提升方面取得較好的效果。

針對深化校園網管理的需求，對關鍵應用服務質量的保障等，要與一卡通直接對接，上網使用一卡通賬號。建設用戶自助系統，用戶可按需購買或調整上網資費套餐。在基于實名制的基礎上，賬號實行全校漫游機制。實現無線環境下的全校無縫漫游，所有設備不用安裝任何程序，只需支持無線即可。教師也無需為這些申請多個賬號，只需要使用一個賬號。

4 結語

我校作為經管類國家級實驗教學示范中心和省級虛擬仿真實驗教學中心，構建與辦學定位和辦學特色相匹配的智慧實驗室，站在更高的要求、以更廣的視角，提升實驗室建設和管理水平，以現代化技術為契機開啟實驗管理模式和方法創新，為全省高校實驗室建設提供詳盡的建設案例，做實“一流本科教育”，促進學校更好地主動融入“雙一流”建設、新文科建設。

科技創新推進教育教學的改變，近年來，中心組織專家進行多項智慧實驗室的建設和改造工程，如學校實驗樓的跨專業綜合仿真實習多功能智慧實驗室的建設，項目總共涉及到5間實驗室，400余臺計算機、配套設備和網絡布局。通過VR設備及VR課程資源，配置虛擬交互系統配合相關學習資源，讓學生對結構性知識有直觀的體驗。相關5間智慧實驗室在2年內為密集單專業自然班級實驗教學和大規模跨專業綜合仿真實習課程每學期5000人次提供教學，充分挖掘在新文科建設背景下智慧實驗室在當前教育理念與教育方式變革中的潛在作用，在一定程度上實現了實驗室智能化、高效化、精細化、規范化的管理，實現對課程內容資源進行數字化改造與重建的能力，加速實驗室建設內涵式發展，同時智慧實驗室配套的管理模式的科學性和高效性也得到了實踐，為“雙一流”建設提供強有力的支撐與保障。

引用

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[2] 殷社萍,王皎月.移動互聯網時代高校實驗室智能化管理與實踐[J].實驗技術與管理,2018,35(10):256-258.

[3] 施金鴻,莊志惠.新工科模式下高校實驗室建設與管理[J].中國高新科技,2019(10):50-52.

[4] 朱榕.高水平大學建設背景下的高校實驗室建設與管理[J].實驗室研究與探索,2018,37(3):278-282.

[5] 崔國印,黃剛,聶小鵬,等.“雙一流”目標下的高校實驗室建設與管理[J].實驗技術與管理,2019,36(2):269-271.

[6] 馮健文.基于信息協同的普通高校實驗室效率評價研究[J].中國教育信息化,2018(11):61-64.

[7] 李利敏,于英翠,劉思春,等.雙一流大學建設背景下高校實驗室建設與管理[J].高校實驗室工作研究,2018(12):74-46.