基于iLab三层架构的智能共享实验室的研究

罗艳玲 杨守腾 张霁延 郝媛媛

（1.武汉工商学院，湖北 武汉 430065；2.咸宁职业技术学院，湖北 咸宁 437100）

1 引言

随着“培养应用型技术人才”的兴起，越来越多的高校在人才培养方案上都提高了实践教学比例，这就对办学条件尤其是实验室设备和资源提出了很高的要求。对于有些专业来说，实验设备非常昂贵，也需要极大的空间来放置，受到资金、场地、实验人员的配备和培训等多方面原因的制约，并不是所有学校都有能力自建相应的实验室，因此，“共享实验室”便应运而生。

在网络技术迅速发展，通过因特网共享实验室资源成为一种趋势。学生不需要进入现实的实验室，而是通过网络访问相关服务器，获取操作实验的控制界面，然后通过这些人机交互界面控制并操作现实实验室里的各种仪器，从而完成实验。这种方式经济、高效而且可行，实现了实验资源的远程共享，不仅丰富了学生的实验资源，更是大大减轻了学校的实验经费负担。

因此，1998年就开始研究共享实验室的MIT公布了iLab体系结构，鼓励更多的大学和研究机构建设更多的远程共享实验室站点，可以方便的获取来自MIT和其他高校的高质量实验，让学生得到更多的实践锻炼。

2 发展背景

1998年，MIT的电子工程学教授热苏斯·德尔·阿拉莫（Jesúsdel Alamo）在讲授晶体管物理学这门课时，由于价格昂贵，80多位学生不得不排队共用唯一的一台半导体参数分析仪来分析实验数据。为了解决这个问题，阿拉莫让学生帮他把仪器连接到了网络上，并在分析仪的系统中增加“开关矩阵”，使得一套仪器可以同时挂接8台设备。10年后，当时那个相对简易的联网实验已经扩展成为由MIT计算机教育创新计划中心（CECI）运行的一个名为iLab的项目。该项目寻求让麻省理工学院外的其他人也能够使用MIT的实验设备，还为其他大学提供实验工具，使它们能够创建自己的网络实验。iLab让学生能够不限次数的重复进行实验，直到完全理解实验原理为止，没有老师在旁批评也没有后面排队学生的催促。

2005年，大连理工大学成为国内首家接入MIT远程实验系统（iLab）的高校，在校园内就可以远程操作MIT实验室设备，实现了跨国际的优质实验资源的共享。2017年7月29日，国家级众创空间大公坊与中国智能硬件行业协会联合打造的国内首个“共享硬件实验室SHLab（Share Hardware Lab）”在深圳宝博会航城分会场揭牌，为全球硬件创客团队提供专业的供应链管理解决方案。

3 国内实验室共享的困境

对国内高校而言，实验室资源共享还存在诸多问题：

1）共享的思想观念传统落后。受到传统思想观念的影响，高校当中各个实验室之间相对独立，较为封闭。负责人将实验室的设备、软件、师资等资源视为己有，宁可浪费也不愿拿出与他人共享。另外，与其他高校实验室之间的交流较少，很少以发展的眼光看待问题，总认为自己掌握的资源最为全面、权威，而忽视了他人的资源，导致不愿接受其他高校实验室共享的资源。此外，许多实验室为了维护自己独特的优势地位，占据资源高地，不愿将自己的成果拱手相让，从根本上抵触资源共享。即使被要求共享，提供的资源也仅为边缘性的无用资源，而非真正的核心资源。总体而言，问题在于现有高校实验室管理人员与操作人员资源共享意识淡薄，全局观念缺失，导致设备资源使用效益低，闲置率高，实验室资源利用率普遍偏低。

2）资源共享体制机制不完善。实验室的建设已经逐步成为各大高校关注的重点，一路走来，建设及运行机制已日趋完善，尤其是在人才培养、教育教学、科学研究等方面，都已相对成熟。而对于实验室资源共享的有关体制机制，还没有形成体系。对于共享资源的内容、共享的形式、共享的范围、共享双方的权利与义务、衍生责任的认定等方面都没有较为完备的机制约定，是造成实验室资源共享不能顺畅进行的主要矛盾点所在。另外，由于部分实验室资源是在一定程度内公开使用的，部分还涉及付费取用的问题，关于资源共享成本的约定亦是一大问题。在实验室资源共享中各项基础成本的计算与成本分摊比例的控制是否能被共享双方或多方所采纳接受等问题仍需要深入考虑，这是涉及资源共享积极性的关键环节。

3）技术手段有限。科学技术的飞速发展为现代教育事业带来了极大的便利与进步，在资源共享领域，相应的技术手段也已达到一定水平。网络信息技术的应用大大降低了人们获取资源、使用资源、分享资源的成本。但是，目前在资源共享领域，大多使用的仍然是简单的网络共享形式。出于资源的性质与容量考虑，这样的形式无法在全网范围内得到应用，大多只能限制于局域网络。高校实验室资源的建设初衷是为本校师生提供服务，故在资源架构、安全性及保密性方面都做了特定的设计。如后期需要进行资源共享，则需要通过网络信息技术做特殊处理，以满足共享的不同需求。而参与共享的高校之间，由于基础设备、技术手段、数据统一性、兼容性等方面的不平衡，将大大增加资源共享的难度。

4 iLab三层架构介绍

iLab系统的当前版本包含三个组成部分。其一，实验室所在校园内需要设置服务器，用于控制实验设备。其二，用户界面，安装在学生端计算机上、用于操作实验设备的软件，学生在客户端能够远程设置实验参数，编写运行脚本及代码，上传至系统，下发到设备上，观察到实验室设备的响应情况，然后由实验设备返回运行结果至学生端。其三，服务代理，介于实验室服务器和用户界面之间，包括一个中间层服务器和与之交互的数据库。

图1 iLab三层架构

其中中间层是系统的核心，它负责与实验室服务器通信，完成用户身份识别、不同角色授权、从客户端获得对实验参数的详细设定、等待并从实验室服务器上获取数据等工作。学生机上的客户端应用程序负责把用户对实验操作的各种数据封装成数据包，并通过网络放到中间层服务器上，当中间层服务器收到这些数据包的时候，就会通过网络传给实验室服务器。数据包里的实验参数和命令在实验室服务器及其相连的实验设备上得到执行，并返回结果，用户再一次访问中间层服务器的时候就可以获取实验结果了。

5 结论

该实验室共享平台充分缓解了科研教学仪器闲置问题，实现了资源的充分利用，对校内来说，教师可以方便的远程进行课前准备和课后实验验证，学生可以在任何实验室以外有网络的地方进行实验操作和结果论证，提高设备利用率的同时，也极大的增加了学生自学和进行科学研究的时间和机会。对学校之间来说，实现了实验室资源的共享及最大化利用，减少重复购置，节约了办学成本。

总之，随着现代教育水平的不断发展，资源共享将逐步成为主流趋势，如何合理规划高校实验室资源，利用网络信息技术手段加快实现实验室之间、校际之间的资源共享，使资源的利用率达到合理的水平，将成为研究人员及管理人员需要着力解决的重点问题。共享经济的大浪潮下，“共享”与“实验室”结合，这一创新共享模式会带来意想不到的惊喜，而且目前国内高校实验室共享方面都处于探索和起步阶段，尚有很多的研究和发展空间。