互联网+模式下开放共享实验平台的设计与实现

崔贯勋

(重庆理工大学 计算机科学与工程学院， 重庆　400054)



互联网+模式下开放共享实验平台的设计与实现

崔贯勋

(重庆理工大学 计算机科学与工程学院， 重庆400054)

分析了建立互联网+模式下开放共享实验平台的必要性和可行性，从开放共享平台的架构、关键业务的处理、硬件仪器的控制流程、开放共享平台的实施等方面探讨了开放共享平台建设的流程，并针对大型贵重仪器设备开放共享平台运行中存在的问题，从体制、保障机制、评价机制、激励机制、交流协作机制等方面提出建立大型贵重仪器设备开放共享的对策建议，并根据仪器的特点分别设计了相应的开放共享模式。

互联网+实验室； 开放共享； 大型贵重仪器设备； 平台建设

近年来，我国高校的实验仪器设备大幅增加，大型贵重仪器设备的增加尤为明显[1]。如何提高仪器设备特别是大型贵重仪器设备的使用效率和效益，更好地为教学、科研及地方经济服务，是高校资产管理面临的重要课题。笔者认为，要以服务为核心、以开放共享为手段，以满足创新人才培养和科学研究的需求为导向，促进学生“进实验室、进科研团队、进课题组”，使设备资源平台成为促进人才培养的重要条件支撑。

1　建设开放共享平台的必要性和可行性

1.1建设开放共享平台的必要性

近几年，MOOC迅速成为全球高等教育流行的网络教学形式。MOOC提供了大量优质的教学资源，吸引了遍布世界各地的广大用户享用在线教育带来的便利。但是，很多课程需要学生动手实践才能保证较好的学习效果，否则将导致学习效果大打折扣。然而，我国部分科技资源配置分散、封闭，重复建设问题突出，专业化服务能力不高，大型科研设备的共享率和产出率较欧美教育先进国家偏低，需要通过深化改革和制度创新，让公共财政投资形成的国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放。现在，国家和地方政府积极推动大型贵重仪器设备的共享，例如2014年10月27日中央全面深化改革领导小组第六次会议审议通过了《国务院关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》、教育部制订了《教育部直属高等学校国有资产管理暂行办法》(2012年)、教育部和科技部联合下发《关于开展高校大型科学仪器设备(设施)开放共享试点工作的通知》(2013年)。建设开放共享的实验平台是十分必要的[2-4]。

1.2建设开放共享平台的可行性

随着信息技术的快速发展，日益成熟的交互式控制技术、数据库技术、并发处理技术、网络通信技术和硬件设备，为开放共享实验平台提供了重要的技术保障；而云服务实现了超大规模存储、低成本、可伸缩、个性化服务；互联网的强大互联功能使得用户可以在任何时候、任何地点进行相关实验，包括虚拟仿真实验(或称为软件共享)和实时测控实验(或称为硬件共享)，可以远程控制实验仪器设备、进行实验操作、实时观察实验结果，并可以直接获得实验报告或发布自己能够提供的共享资源[5]。

2　互联网+实验室开放共享平台的建设

2.1开放共享平台的架构

基于对互联网、实验室、开放共享的充分认知，本文提出了包含数据存储系统、业务处理系统、统一认证系统、教学管理系统、资产管理系统、信息门户和业务中心六位为一体的互联网+实验室开放共享平台，其架构如图1所示[6]。存储是大容量、高性能、高扩展能力的分布式文件系统，通过有效的管理措施，为开发的开放共享平台提供强大的资源，并对安全监控、电源管理、门禁管理以及认证系统为平台的安全运行提供技术支持。

图1　互联网+实验室开放共享平台的架构

2.2互联网+实验室的主要应用模式

互联网+实验室一般有两种主要应用模式：一是实现虚拟仿真实验的共享，即软件共享；二是实现实时测控实验的共享，即硬件共享。两种模式的综合使用，将构建出完整的互联网+实验室系统化教学平台。

所谓软件共享，即客户端可以通过网络访问服务器端的软件程序，不涉及硬件仪器设备的调用。这类应用一般适合于与专业课程配套的虚拟仿真实验。由于仅仅需要共享软件，没有硬件控制的冲突问题，因此这种模式的远程实验室又可以分为服务器端运行方式和客户端独立运行方式[7-8]。

采用服务器端运行方式时，程序仅运行在服务器端，客户需通过网络访问程序，请求并得到程序的控制权后方可进行操作，即浏览器/服务器(B/S)方式。

采用客户端独立运行方式时，程序被下载到客户端独立运行，可以避免和其他用户控制权的冲突，也不再受到网络状况、服务器端的运行状态的影响。不过在这种方式下，程序无法再访问服务器端的硬件，因此仅适合于软件共享模式[9]。

所谓硬件共享，即客户端可以通过网络访问连接于服务器端的硬件实验设备(如数据采集卡、示波器、信号源等)，并通过程序控制硬件的动作、实时获取仪器的测量结果。这类实验通常结合了实时视频和音频的反馈，使得学生可以耳闻目睹实验过程，真实感很强[10]。由于实现了硬件的共享，实验室的开放性显著增强，并且能在一定程度上缩小建设实验室硬件的成本。硬件共享模式仅可以采用服务器端运行的方式完成，并且要求客户端单一控制，因此常配合网络的实验预约系统使用。开放共享平台的业务处理流程如图2所示[11]。

图2　开放共享平台业务处理流程

2.3硬件共享仪器的控制实例

以三相异步电机空载远程实验为例，它的硬件结构如图3所示[11]。该实验硬件由应用服务器、数据采集卡、单片机开发板、串口控制继电器、步进电机、步进电机驱动器以及电机实验台组成。上位机运行LabVIEW软件平台，功能是与下位机的通信，为远程用户提供访问服务以及数据采集；下位机由单片机通过其I/O口控制步进电机的转动。双机通信模式如图4所示[12]。

图3　三相异步电机硬件结构示意图

图4　双机通信模式示意图

实验程序设计好之后，就可以利用互联网将VI程序嵌入到网页中。通过网页链接，学生可以方便、快速地在网页上完成实验。

2.4开放共享平台的实施

开放共享实验平台涉及到仪器设备采购管理单位、借用单位和仪器设备的维修保养单位，还会涉及学校财务处、资产处等相关管理部门。关于仪器开放共享平台的具体使用流程如图5所示。

图5　开放共享平台使用流程示意图

3　仪器设备开放共享中的问题及改进建议

3.1大型贵重仪器设备开放共享中的问题分析

一些高校存在着大型贵重仪器设备共享程度低、闲置、重复购置的问题，而另一些高校存在大型贵重仪器设备缺乏、资源紧缺的问题。

有些高校经费充足，购买了大量的仪器设备，但利用率低下；而有的高校经费不足，没有购买大型贵重仪器设备的能力。有些高校的设备管理部门虽然很希望将大型贵重仪器设备开放共享，但往往遇到来自科教人员的阻力，他们对于用科研经费购置的仪器设备不愿放在平台共享，或者只愿在自己的课题组中和有合作关系的人共享[12]。

有些高校的实验技术人员水平参差不齐、待遇偏低、职称晋升困难、队伍建设落后，导致缺乏仪器开放共享所需要的技术保障[13]。有的高校重视仪器设备购置、轻视设备运行维护经费的投入，仪器设备的开放共享缺少运行维护经费的支撑，导致仪器设备开放共享困难。有的高校缺少良好的体制机制顶层设计，缺少有效的监管办法和切实可行的奖惩措施，导致对仪器设备的共享缺乏积极性[14]。有的高校虽然也建立了大型仪器设备共享开放平台，但主要用于信息发布，缺乏大型仪器设备共享所需要的供应商、数据实时收集、运行保养、开放基金的申请、审核、使用效益评价等功能，导致开放共享的效果并不理想。

3.2对大型贵重仪器设备开放共享的建议

为了推动大型贵重仪器设备开放共享并使其具有可持续性，在开放共享平台的基础上，还应建立相应的保障机制，如经费和人员保障、政策制度保障、知识产权保护等，以确保资源能够切实得到开放共享。也要建立相应的评价机制，如资源准入标准、资源及管理信息系统建设标准、用户评价、资源排行等，以促进开放资源的质量。此外，还要建立恰当的激励机制，如用户贡献模式(免费资源)、利益分配模式(收费资源)、利益补偿机制和奖惩机制，以确保开放共享的可持续性。此外，建立相应的交流协作机制，如协作开发与管理运营、交流学习与培训机制，提高大型贵重仪器设备的开放共享水平。

大型贵重仪器设备种类繁多，使用方式、用户人群等差异较大，应当分门别类地选择开放的形式。

对于大型和通用性强的仪器设备，宜集中起来建立共享中心，实现大型仪器设备集中管理、面向全校和社会开放共用的共享服务“公交车运行模式”。

对于在部分院系公用性强、单个课题组使用效率不高的大型贵重仪器设备，集中起来建立院系学科的大型仪器设备共享平台，实行对本院系和其他院系共享的“区间车运行模式”。

对于国家和有关部门在高校投资购买大型贵重仪器设备，应建立国家实验室、国家重点实验室和省部级重点实验室，形成高水平的学科研究平台，通过开放基金的“班车运行模式”对指定学科领域的人员进行开放共享。

为了满足科学研究和学科建设的需要，对课题组专用所购置的大型仪器设备采用“小轿车运行模式”在课题组间共享[15]。

4　结语

目前，高校设备管理部门已充分认识到大型贵重仪器设备开放共享的重要意义，但开放共享的结果仍不尽如人意。为更好地实现大型贵重仪器设备开放共享，需要制定合理的规章制度，让教研人员乐意共享、能够共享，更要充分利用信息技术和互联网技术，扩大共享受益面，加大仪器开放共享中的自动化、自主化、自助化，大大降低实验技术人员重复的、低水平的劳动。

References)

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DesignandrealizationforopeningandsharingplatformbasedonmodeofInternet

CuiGuanxun

(SchoolofComputerScience&Engineering，ChongqingUniversityofTechnology，Chongqing400054，China)

ThenecessityandfeasibilityforopeningandsharingplatformbasedonmodeofInternetoflaboratoryareanalyzed.Thedevelopmentcyclefromplatformarchitecturetoprocessingtokeybusiness,controlprocessofhardwareinstrumentsandrealizationmethodforopeningandsharingplatformisdiscussed.Accordingtothesituationproblemofopeningandsharing,thispaperproposesthree-platformmanagingsystem(topplatform，policyplatformandapplicationplatform)andoperatingmechanism(guaranteemechanism，evaluationmechanism，motivationmechanismandcommunicationandcoordinationmechanism).Atthesametime,thesharingmodeisdesignedaccordingtothecharacteristicofinstrument.

internetoflaboratory;openingandsharing;large-scalevaluableinstrumentsandequipment;platformconstruction

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.037

2015- 10- 22

重庆市高等教育教学改革研究项目(153115)；重庆理工大学高等教育教学改革研究重点项目(2014ZD01；2015ZD05)；高等学校计算机教育研究课题(ER2015011)；重庆市高教学会高等教育科研课题(CQGJ15093)

崔贯勋(1978—)，男，河南许昌，硕士，高级实验师，实验室副主任，主要从事实验技术研究及实验教学.

D642

A

1002-4956(2016)5- 0143- 04

E-mail：cgx@cqut.edu.cn