高校计算机实验室科学规划建设体系分析探索与实践

李居英，李 欣，田铁强，张 玮，王俊文

（太原理工大学 化学化工学院，山西 太原 030024）

太原理工大学于2017 年经教育部审核批准为“双一流”重点建设高校，为构建高水平一流实验室提供了新机遇。计算机实验室是学生开展各类课程和创新实践的主要场所，计算机实验教学已贯穿各类课程教学、实验环节的全过程，承担的教学、科研、创新实践等任务几乎覆盖所有专业。为适应时代发展，推动学校“双一流”建设，学校对5 个计算机实验室进行建设改造，进一步强化实验室的功能，加强教学科研的保障能力[1]。

1 计算机实验室改造建设的意义

实验室是学校科技创新上水平、上台阶的基础保证，体现学校实验、科研水平的重要窗口。为紧跟学校改革发展的脚步，2019 年1 月，实验室完成改造建设目标，计算机数量由原来两个自然班扩充到三个自然班，并于2019 年2 月春季学年投入使用，按时展开实验教学、科研等全部工作。此次实验室改造建设，是对实验室整体水平强力提升，为学校“双一流”建设提供了强有力的基础保障。开放计算机实验教学、创新实践平台的应用，为学生自主学习、双创提供了便利条件和场所，充分调动了学生主动学习的热情和积极性，有效提高学校实验教学、科研创新的质量和水平。

高校“双一流”建设离不开高水平实验室，而高水平实验室首先要有先进仪器设备做支撑。工欲善其事，必先利其器[2]，加之当今计算机网络技术飞速发展，计算机设备（包括计算机、光缆、交换机等）是计算机实验室建设的根基。实践证明，先进的仪器设备不仅能快速完成查阅、计算，更重要的是能获取更好、更可靠的实验数据，大大提高实验精度，而优质、精准的实验数据又能进一步催生更高端的科研成果，大量降低人力成本，因此，计算机实验室建设直接关系到高校教学改革与科技创新的发展，直接影响到“双一流”实验室建设的发展脚步。

2 计算机实验室改造建设规划的思路

2.1 实验室环境文化建设

（1）优美的室内文化环境。鉴于北方城市灰尘较大，对墙面粉刷油漆、改造门窗（以防尘及安全为主），墙壁悬挂名人名言字画，美化环境，激励学生努力学习，奋发进取。

（2）计算机合理布局。实验室改造后实现三个自然班同时开展实验教学，科学设计、合理利用空间十分重要。计算机布局采用沿铝合金槽两边对应设计，便于学生之间互相交流、学习，方便教师辅导和学生出入，利于安全，对实验室维护一目了然。

（3）适宜的温湿度环境。适宜的温度和湿度，能够保障计算机设备的可靠性及稳定安全工作，延长使用寿命。实验室要必备空调，通常情况计算机工作安全温度控制在 10～30 ℃，湿度控制在 40%～70%，经常保持实验室良好通风和环境整洁。计算机长期过热、潮湿、积尘都会造成其运行不稳定，缩短使用寿命。

（4）合理布设网线。合理布线可以保证计算机正常运行、降低故障发生率、便于网络维护，保障计算机正常通信，进而提高实验教学效率。

合理、整洁、安全的实验室环境，营造出浓郁的文化学习氛围，有利于学生知识构建和能力培养。

2.2 实验室基础安全建设分析

（1）保障用电安全。实验室计算机数量多，各种布线复杂，总电源开关应配置三相电源，铺设地线，严防漏电。配置应急电源设备（如 UPS）、备用发电机等，如电力供应突然停电时，学生实验数据得以保存，计算机数据免遭丢失，保护设备。管理人员应经常检查总电源空气开关是否接触良好，如有松动要及时拧紧，保证计算机、通信设备供电安全稳定。每次实验完毕，关闭所有主机、显示器电源，以防下次接通电源时由于过大电流冲击，造成电源开关短路，发生电路火灾事故。

（2）环境安全管理。实验室必备灭火器，安装避雷器，严防火灾、水灾等自然灾害发生。室内多余门窗拆除，保持消防通道畅通。

（3）网络传输介质安全要求。网络传输设备的安全性直接关系到网络信息安全，网络传输介质包括电力电缆、通信电缆等，应严防这些设备被截断，否则会造成计算机数据丢失、信息失真，严重时会造成整体网络系统中断，后果不堪设想[3]。

2.3 完善实验室日常工作日志建设

实验室面向全校师生开放，每学期开学时教师须到教务部实验管理系统中录入实验名称、时间、班级和教师信息，实验人员根据系统排课情况安排实验。改造后的实验室有上百台计算机，出入实验室人流量大，一天可达600～700 人次，服务教学、科研任务繁重。所以，建立健全的实验室工作日志对于管理好实验室非常重要。具体包括记录实验室每日开放的具体工作管理情况、各专业学生上机实验情况、每台设备使用与维护情况、学生科技创新实践活动情况等。完善实验室各项规章制度，包括学生实验规则、教师守则、实验室安全制度等。实验设备管理专人负责，人人有责，这样，进入实验室的教师、学生有章可循，井然有序地进行实验教学、科研实践。保证每日所有设备正常运行，充分利用实验室先进设备和资源，提升实验室工作效率。

3 计算机实验室优化设计建设的实施

3.1 实验室网络安全信息化建设

（1）网络环境建设分析。实验室网络环境建设十分重要，对局域网结构、设备性能、带宽链接速度等进行全面分析，力争打造一流网络安全信息化实验环境。在“双一流”大学建设背景下，实验室网络安全信息化建设不仅要立足现在，更要放眼世界，优化网络环境对承担高水平科学研究和人才培养，以及承担国家、省部级重点科研项目的研发创新十分重要。作为高校教学、科研实践平台的重要组成部分，计算机实验室要充分利用互联网海量信息资源，为学生学习、科研实践，提供低成本、便利化、全要素开放式共享综合服务平台，为学校教学、科研、学生创新创业等提供良好实践支撑。

（2）局域网组网建设分析。网络是师生获取信息、数据资源及各种服务方便、可靠的工具，为保证网络环境的稳定、可靠和先进性，保障实验教学正常运行，使师生快速、准确获取各种信息数据，实验室局域网采用网络技术先进的“思科”交换机等网络实验设备。“思科”设备技术性能优良、具有配置灵活、兼容性强、支持协议类型丰富、有良好的系统开放性等特点，能够有效减少故障发生率。网络数据线采用优质超五类4 对非屏蔽PVC 千兆双绞线缆，交换机与校园网之间由一对千兆光纤连接，具备超强高速传输功能。网络设备性能同时满足教学、远程多媒体应用。随着网络科技快速发展，IP 网能够不断提升更新[4]，确保网络安全稳定运行，从而保证实验教学的效率和质量。

（3）拓扑结构布局分析。实验室局域网拓扑结构按照星型结构布局，从功能上划分成两个学生区（东区和西区）和教师区三部分。教师区是管理整个实验室的教师用机区，通过远程和学校教务部连接，可实时查询各专业实验排课情况。千兆网速可为学生提供优良网络环境，快速上网访问查询，并进行远程学习。东、西实验教学区为网络设备集中存放区，是课程实验教学的核心区域，按照网络布线共分6 组，根据实验室空间结构，东、西区各为3 组计算机，东区1 组为 8 台，2、3 组各 12 台，西区 1 组为 16 台，2、3组各26 台，每台计算机配置一块千兆网卡，外网从学校信息中心网络地址池自动获取 IP 地址[5-6]。图 1 为计算机实验室局域网拓扑图。

图1 计算机实验室局域网拓扑图

星型拓扑结构是由核心节点和其他节点组成，采用专用网络设备（交换机）作为核心节点，工作站通过双绞线逐一连接到核心节点上，核心节点和每一个节点单独连接，数据传输采用点对点连接，任2 个节点之间的通信都需要通过核心节点来完成。其特点：①网络传输快。核心主干带宽达到1000 Mbps，工作站带宽由交换机分流，用双绞线组成1000 Mbps 快速以太网。②配置灵活、扩充简单。网络结构延伸、软件升级、设备扩展无障碍。③网络传输稳定。如果工作过程中任一端口发生故障，对整个网络、工作站均无影响，只影响点对点连接的工作站。故障诊断和维修方便、及时，确保网络正常、稳定运行。

3.2 网络背景下计算机数据系统环境建设

（1）硬件数据保护建设。计算机硬件数据维护采用“HP 增霸卡”恢复系统，是一种纯软件网络系统数据、硬件管理工具，具备实时复原、资料存储、网络多点同步传输、IP 自动分配、远程维护等功能[7]，具有与硬件还原系统同等功能。如使用硬件还原，一台计算机要增加近600 元设备费。使用“HP 增霸卡”可节省大量资金。

（2）软件数据系统智能化恢复。“HP 增霸卡”复原系统集网卡、数据保护及网络拷贝于一体，能够成批量对实验室教学、科研等数据及时更新、安装，具有超强网络管理功能，无论是计算机病毒、人为误删改，甚至在计算机系统崩溃情况下，只要重启计算机都可实时恢复。具体应用中，通过复原系统中“网络拷贝”功能，全部传输装有约100 GB 左右软件数据母盘，将数据多点同步传输到网络中每台工作站，恢复100 台计算机数据只需0.5 h 左右。教学过程中需要增加数据，选择复原系统中“增量传输”，复原系统自动识别增量，传输2 GB 左右数据，仅需1 min 左右百十台计算机便传输完成，快速又不影响原有数据，方便、快捷、安全，充分保证计算机系统稳定性和实验教学正常运行。

3.3 实验室开放实验环节分析建设

改建后的实验室，先进的仪器设备为学校“双一流”建设奠定了坚实基础。为适应学校建设发展，实验室加大了开放力度，从周一到周日全天开放10 h 左右，为师生学习提供了更为宽松的环境。实验室根据学校各专业特点，开设了以下实践环节，以 2018—2019 第二学期为例，表1 为实验教学计划学生培养情况，表2 为第8 周实验教学排课班级数。

表1 实验教学计划学生培养情况

表2 第8 周实验教学排课班级数

（1）基础、专业实验。基础、专业实验是各专业学生必修的实践环节，学生按照教师布置的课程实验要求，完成各项实验，巩固所学知识。

（2）仿真实验。仿真实验是各专业计算机教学的重要实践环节，学生通过仿真实验系统平台，在虚拟仿真环境中学习、实践，加上其真实动感界面，使知识寓于趣味之中，虚拟与现实相结合，得到各种有效实验数据。充分培养学生掌握科学实践的方法，激发学生探索与创新的动力。

（3）文献检索。文献检索也是各专业学生的必修课，除进行常规中英文检索外，实验室通过“美国化学文摘数据库”，在固定时间、地点、IP 进行外文强化检索，获取更多、更高质量科研数据和信息。

（4）课程与毕业设计。学生根据教师拟定的课程设计任务书和毕业设计论文题目，开展文献调研，提出设计方案，撰写开题报告，独立完成实验，获取相关数据，最终得出结论，完成课程与毕业设计论文。充分培养学生分析、解决问题的能力和独立实验的实践能力，满足学校教学改革和学生个性化发展需要[8-9]。

（5）学生科技创新。开放实验室为学生营造一个自由发展空间，学生可随时到实验室进行科技创新，根据自身兴趣爱好，挖掘自身潜能，进行创新实践活动。通过各层次自主实践培养学生自我管理能力和独立科研能力。

4 计算机实验技术队伍建设

4.1 思想道德素养建设

高等教育担负着为社会进步培养和输送德、智、体、美、劳全面发展的高级优秀人才重任。实验人员要时刻牢记，坚定信念，立足本职岗位，学习发扬“大国工匠”精神，培养高尚的职业道德和操守，尽职尽责，无私奉献，不被金钱利益所驱使[10-11]。

4.2 专业技术能力建设

实验技术队伍建设是加快推进高校“双一流”建设进程、提高教学质量的重要保障[12]。积极引进高学历人才，充实加强实验队伍技术力量；保证实验技术队伍职称晋升，充分调动其积极性，为学校教学、科研发挥最大价值；积极选派实验技术人员外出交流学习，拓宽知识面，提高专业技术水平和文化素质。

4.3 育人服务意识建设

作为“双一流”大学建设者，实验人员同样要有一流的育人服务意识。育人服务意识不强直接影响实验教学水平、科研成果产出、学生能力培养。每位教育工作者，在一生职业教育生涯中，需要无私传授给学生知识，引领学生，关爱学生，教会学生做人真谛、生存本领，成为国家、社会合格的建设者和接班人。

5 结语

改建后的计算机实验室呈现出优质、精准、高效的新气象，学生学习的积极性高涨。计算机实验室建设管理是一项长期、复杂、艰巨的系统工程，高校实验人员必须加倍努力，不断研究和探索新技术的发展，认真吸取高水平大学先进的管理经验、技术和理念，尽快缩小与世界一流大学差距，更加科学合理地建设实验室。同时，积极推进建设一支与“双一流”大学建设相适应的具有一流实验教学水平、先进教育理念、扎实科研学识、爱岗敬业、品德高尚的优秀实验技术队伍，树一流标准、练一流本领、创一流业绩，为加快学校“双一流”建设发展努力进取，为高等教育事业发展作出更大贡献。