高校实验示范中心信息化教学管理体系研究及构建*

2014-03-27刘耀林王章权

中国教育信息化 2014年1期

刘耀林，王章权

（浙江树人大学信息科技学院，浙江杭州310015）

一、引言

高校实验室是进行实验教学和科学研究的重要基地,是学校面对学生实施综合素质教育、培养实验技能、开展知识创新和科技创新的必要场所,是高校培养高素质应用型人才的重要资源和保障。[1]随着高校实验室建设速度的提升和投入力度的加大,实验室的管理进一步规范化、多样化，同时管理工作也变得更加繁重和复杂：

（1）设备信息维护工作量巨大[2]

传统方式下，实验室设备信息是依靠手工建立台账、卡片，然后形成大量卡片的方式来进行管理的，台账等存档要占用大量空间，而且仪器档案的查询往往耗费大量时间。如果设备状态发生变化，在借出、归还、丢失、损坏、闲置时，都需要登记相应卡片，造成管理手续复杂，工作量巨大。

（2）实验室信息孤立

实验设备的信息、学生实验信息以及课程信息等不能有机地结合，各种收集和管理都是独立分散地进行，致使各个实验室之间、教师和实验室之间缺乏联系，造成了实验信息管理效率低、实验设备利用率低、预约实验比较烦琐等问题。因而，传统的书面和人工管理方式对于承担大量实验教学任务的实验室而言，确实存在难度大、工作量大以及工作效率低等问题。

（3）实验室运行数据统计困难

传统的手工管理方式在实验室的数据统计方面存在很大的缺陷，进而制约实验室的总结评估工作。因为在有关信息查询或统计分析时十分不便，无法及时得到精确的统计数据，导致实验任务安排欠科学，实验室各类数据得不到充分发掘，只能依靠不精确的数据进行估算和评价，过于依赖管理者的个人能力和素质。

（4）实验室开放运行受到制约

由于高校对高级应用型人才培养的需求，学生竞赛、学生科研、实验选修课等实践性较强的教学活动受到重视，这些教学活动大都需要实验室提供仪器、场地以及时间支持，实验室开放化管理变得异常重要。然而，利用传统的实验室管理方式进行开放运行管理将给实验人员带来额外的工作量；同时，过于烦琐的申请流程会影响学生主动进入实验室开展实践操作的积极性。

近几年，随着计算机技术和网络技术的快速发展，高校实验室已开始运用现代化的信息技术来加强自身的开放式管理。实验室的信息化管理主要是指利用实验室信息管理系统，通过计算机互联网络技术、数据存储技术、快速数据处理技术来对实验室进行全方位管理。通过信息化管理，实验室可以达到自动化运行、信息化管理，对实验室提高工作效率、降低运行成本起到至关重要的作用。[3]信息化在高校实验室发展中能够实现数据的实时性，易于实现资源共享，提高仪器、设备的利用率，大大减少了实验室的管理工作。

二、信息化系统整体设计

图1 信息化系统整体结构图

本文将以浙江树人大学信息科技学院省级实验示范中心——“信息与电子工程实验示范中心”为例，对该实验示范中心的信息化建设进行研究并提出实施方案，系统整体设计的结构如图1所示。

“信息与电子工程实验示范中心”（以后简称：示范中心或中心）的信息化建设由5个部分组成：

（1）示范中心网络改造是信息化建设的基础，为所有数据传输提供基础平台；

（2）实验室信息化管理系统是信息化建设的核心，通过与学校教学管理系统、校园一卡通中心对接，完成中心所有数据的采集、统计工作，并为教师决策、学生自助提供帮助；

（3）数据中心建设包括中心网站建设和中心数据库建设两部分，前者为中心提供展示窗口，为教师、学生获取数据提供接口，后者负责整个中心所有数据的存储；

（4）门禁监控系统负责采集学生进出示范中心实验室数据，并通过刷卡实现实验室开放运行；

（5）远程实验教学系统是示范中心的特色，通过网络技术和无线传感器技术实现实验箱的远程操作，使学生在寝室通过互联网便能完成实验项目，实现部分实验室开放、共享的管理方式。

三、信息化系统实施方案

1.示范中心网络平台改造

示范中心现有实验室大部分都建有局域网，但不同时期建设的局域网缺乏统一规划，出现了实验室之间数据孤立、IP网段分配凌乱等问题，无法形成一个通畅的数据传输平台，为此本课题将网络改造作为示范中心信息化建设的基础和重点。综合考虑示范中心应用需求和楼宇结构特点后，提出采用三层（核心层、汇聚层、接入层）交换型网络的拓扑结构，如图2所示。

每一间实验室和教师办公室放置一台接入层交换机，为教师机、学生机提供接入服务，同时为门禁系统提供联网接口；每一楼层的所有接入层交换机通过6类非屏蔽双绞线（6类UTP，提供1000Mb/s传输速率）连接到该楼层的汇聚层交换机上，汇聚交换机负责本楼层实验室之间的数据流通，同时将跨楼层的数据流量以及将本楼层采集的所有数据上传到核心交换机，同时为本楼层视频监控提供接口；核心层交换机放置在三楼中心机房，通过光纤与校园网中心机房相连，负责本中心与校园网的互通；通过6类UTP与三层楼的汇聚交换机连接，负责跨楼层数据流量的转发；通过6类UTP与数据中心相连，负责进出数据中心流量的传输。

图2 示范中心网络拓扑图

2.实验室信息管理系统规划

为实现实验室的高效、科学管理，更好地为教学、科研服务，本课题根据学校实验室的实际情况，结合其他院校的管理方法，设计了实验室信息化管理结构图，如图3所示。实验室信息化管理系统主要由实验室管理员模块、教师模块和学生模块三个部分组成。

图3 示范中心信息管理系统结构图

（1）实验室管理员模块是本系统设计的重点，由系统管理、资产管理、实验教学管理三个子模块组成，主要辅助实验室管理人员完成登录权限管理、资产维护与报废管理、实验教学排课、处理教师与学生预约申请等工作；

（2）教师模块主要辅助教师完成上传实验教学资源、预约实验场地与时间以及对实践过程中学生的成绩进行管理；

（3）学生模块主要是采集学生进出实验室的信息、帮助学生申请开放实验室资源以及对教师上传资源提供搜索服务。

3.数据中心建设方案

数据中心建设包括中心网站建设和中心数据库建设两部分。

示范中心网站不仅要作为本中心的宣传展示平台，同时考虑到实验室信息化管理系统采用的C/S架构，可以通过网页的方式登录与管理，因此中心网站也要为信息化管理系统提供接口，给管理员、教师、学生进行管理操作，简化管理方式。网站以用户体验为中心，采用多线索的信息组织方式，整合信息发布、实验室建设、实验教学、示范中心特色、管理体制、规章制度、教研成果、在线调查、内容检索、实验设备管理等功能模块于一体，为实验教学、科研和管理等各项工作提供数字化资源共享环境。

数据库建设由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括服务器和UPS（不间断电源），预计放置在三楼中心机房，通过千兆端口连接在核心交换机上，用于收集来自于整个示范中心的刷卡信息、实验教学数据，同时保存教师、学生上传的项目资料和实验作业等。软件部分包括数据库管理软件和服务器操作系统，用于维护数据库正常运行以及对数据库备份等操作。

4.门禁监控系统方案

门禁监控系统负责采集学生进出实验室数据，为实验室提供安全保障，同时为实验室实现开放式运行提供支持，其方案设计如图4所示。

图4 门禁监控系统示意图

门禁监控系统由门禁系统、监控系统以及数据库组成。门禁系统从校园一卡通中心获取学生信息，并根据学生事先在信息化管理系统的预约情况，对进入实验室的人员进行筛选，只有预约申请被实验室管理人员审批通过的学生才能打开电子磁锁，同时读卡器记录学生的信息并上传至数据中心，为后期统计与评估提供支持。视频监控系统负责获取实验室声音和图像数据，便于实验室管理员对开放实验室进行远程监控，及时发现违规操作仪器、违反实验室规章制度的行为。

5.远程实验教学系统

远程实验教学平台是示范中心开放式运行管理的创新点，依据该平台学生能在任意时间、任何有网络的环境登录示范中心系统，预约实验并远程操控实验设备，远程采集实验结果。该教学平台主要由STC单片机实验箱、远程下载器、摄像头和服务器组成，如图5所示。

图5 远程实验教学平台的架构

该平台主要功能是提供单片机实验的远程调试，学生在寝室和家里通过浏览器（如IE、Firefox）访问服务器网址，选择准备要做的实验。根据网页上的实验原理、硬件原理图和软件流程图编写C语言程序，上传该程序的hex文件。服务器通过网络接收到hex文件，在硬盘上自动存储，并通过网络传输给远程下载器。远程下载器接收到hex文件，自动把hex文件下载到STC单片机实验箱中，反馈下载状态和相关的串口数据。服务器接收到远程下载器成功下载的信号后，自动把相关的串口数据和摄像头采集的STC实验箱视频传输给学生。学生观察反馈数据和实验箱的视频结果，判断自己程序是否完成程序设计的功能。