书苑模式管理的智慧计算机实验室探究

王建丽

（太原科技大学 山西 太原 030024）

1 引言

高校实验室建设是学校基础硬件建设的必要条件，是体现一个大学办学水准的标杆设施。社会生产力水平的极大提高，对高校实验室建设提出了与时俱进的新要求。新的社会形势下，如何更好地规划、建设实验室，为大学课堂提供优质实验教学环境是值得高校实验管理人员认真思考的重要课题。

2 实验室管理和使用的现状和问题

2.1 实验室开关门管理

目前实验室管理仍然沿用的是传统钥匙管理模式。每个班上实验课前，由学校的实验室管理员拿钥匙为该班级打开对应的实验室门，合上电闸。下课后由管理员检查确认每个实验室的环境和设备。关闭插座、照明及空调电源、门窗，锁上实验室的大门。这种纯人工的管理模式，一旦工作人员检查不到位，极有可能导致电力资源的浪费、甚至引发火灾等安全隐患。

2.2 实验室还原管理

机房电脑没有安装智能控制系统，为防止系统被篡改或者感染病毒，实验室机房配置基本硬件或者软件还原系统。硬件还原系统也称为硬盘还原卡，是一种PCI扩展卡，主要作用于计算机的操作系统。计算机开机运行时，先启动还原功能，让硬盘的部分或者全部分区都恢复到初始设置。常用的硬盘还原卡基本为以下两类：一为普通的还原卡，物理上不直接接管硬盘读写；另一种是新型还原卡，物理上直接接管硬盘读写。无论那种还原卡都会导致系统开机缓慢，一旦进入还原卡失败，则计算机无法成功启动。软件还原系统是通过软件来保护电脑中的数据。还原软件可分为系统自带的和第三方两大类。Windows系统的系统还原功能可以看作系统自带的还原软件；第三方的还原软件有很多，如冰点等；但是存在如下弊端：一些电脑安装完还原精灵后开机黑屏无法进入系统，只有光标闪烁，甚至连BIOS都无法进入；还原软件的可靠性也不是非常稳定，某些病毒容易利用还原软件的漏洞攻破防御。

2.3 实验室管理软件现状

目前很多高校实验管理系统主要是实验排课管理，提供老师在线排实验课表、查询课表等。这些管理系统不能实质性地对实验室计算机进行控制操作，不涉及实验室的安全监测，也不提供实验室的开放管理等。有小部分高校实验室管理系统涉及对设备的控制操作，但存在可移动性比较差、没有手机版的软件等问题。

3 书苑模式管理的智能计算机实验室设计与实现

科技的发展使得智能化已经全面进入我们的现代生活，作为信息技术应用前沿领域的计算机专业领域，其设备智能化更是势不可挡。而物联网、云技术、大数据等信息技术的日益成熟，也为计算机实验室的智能化建设提供了技术支持。手机、平板等设备的大面积普及使得计算机实验室管理的可移动程度、智能化程度必然越来越高。这就要求智能化实验室建设需要具备以下功能：学生通过手机等智能终端软件来预约实验，系统根据学生预约情况来设置实验室开放时间段，并按照实验安排表通过智能门禁系统自动打开实验室，自动打开终端设备，实验结束后自动关闭终端设备等。管理员可在线全程监控实验室机房，实现智能化的各项管理。

笔者所在学院的计算机专业，二年级以上（将近一千名）同学每人都有一台笔记本电脑。如何将笔记本电脑和学校实验室电脑结合在一起，合理高效发挥作用是一项非常有意义的研究。疫情期间大量线上课程的教学，以及大批优质慕课资源的免费开放，使得当代学生通过网络自主学习的热情极度高涨。学生使用双电脑共同学习，一台计算机听老师讲解，一台计算机进行实验操作。或者不使用学校实验室的计算机，全程用自己的笔记本电脑进行实验，这样可以省去程序的来回复制、携带，学习更方便。所以将学生笔记本电脑作为高校实验室有效的实验补充设备，既可以大大缓解实验室建设的压力，也可以更高效发挥实验室的功效。

根据以上分析提出书苑模式管理的智慧计算机实验室建设设想，智慧计算机实验室机房不同于传统实验室的窄座位设计，而是选用图书馆的宽大座位模式，百分之七十的座位配备实验室电脑，另配备插座、接口等以供学生双电脑使用。另外百分之三十的座位不放置电脑，供只使用自己电脑的学生选座。另设置智慧讨论角、互联网+竞赛专用实验角等特色实验房间，这些房间配备六角会议桌或圆桌、可移动座椅，方便兴趣小组程序设计、讨论研讨。整个智慧实验室采用智能门禁，建设方案采用虚拟化云桌面技术，课程引入在线实验环境。

3.1 智慧实验室门禁设置

智慧实验室配备管理系统，实验前可以使用手机、电脑、Pad端提前预约。系统安装视频监控管理系统，通过门禁考勤，学生刷脸进入实验室。随后使用触屏控制机进入智能选课系统，控制机可与人通过触屏、键盘、语音多种方式互动。系统识别当前学生后调取其当前学期所修课程，学生选取本次准备练习课程，系统为学生自动分配实验计算机，启动机器，系统自动匹配上次学习进度，打开实验环境。若学生准备自己携带笔记本，则不需要在屏幕上选择。

实验室通过物联网技术配备烟雾传感器、有害物质监测传感器、温湿度传感器、人体红外传感器、电流电压传感器，这些传感器负责采集实验室烟雾与有害物质情况、人体温度、温度与湿度以及电流电压信息，方便管理人员通过智慧系统实现电源的开放与关闭、消防安全的监测等。

3.2 基于虚拟化云桌面技术的智能计算机实验室解决方案

整个智能计算机实验室建设方案拟采用云桌面虚拟化技术。云桌面是云计算虚拟化技术的一种具体应用[1]，云桌面技术最大的优势在于可以复制或者定制个人独有桌面，所以它非常适合用作移动式的实验教学。在随时可以接入网络的条件下，师生可以根据需要随时访问自己的专有虚拟桌面，进行学习或者交流，不受宿舍、教室地理位置的约束。如果在家里要访问云桌面服务器，可以通过校园网 VPN（虚拟专网）访问，这样学生离开实验室后能够继续未完成的实验。我们基于学生笔记本的高拥有率，结合高校校园内优质网络条件，及师生随时随地办公和开放实验的需求，拟采用VDI（virtual desktop infrastructure，虚拟桌面基础架构）模式来配置机房模式。这种模式对数据安全性要求高，但对运算性能和图像处理要求不高，适合开设计算机科技与技术、软件工程等专业的计算机院校。VDI 模式是通过云计算技术实现服务器硬件资源（CPU、硬盘、内存）的共享和按需分配[2]。该模式下运算和数据存放均集中在服务器端，有较高的安全性能。可以同时支持师生的多终端访问：它是一种集中式计算的瘦客户模式，将全部的计算都集中在服务器上，而云终端相当于显示屏，所以云终端可以使用配置较低的旧计算机，这很大程度可以降低实验室的建设成本。同时师生还可以随时使用多种终端平板电脑、手机等访问虚拟桌面，这就是智慧实验室的可移动性。

平时上机实验时，教师可以通过云桌面技术，来定制每个课程的独有镜像，在学生上机实验之前，由镜像快速实例化出众多虚拟机，分别将这些虚拟机分配给各个学生。教师还可以将这些虚拟机拍下快照，等下一批学生上课的时候，调出之前的虚拟机快照时的状态，即可直接使用。管理员也可以将一些常用的桌面做成虚拟机镜像，根据实际情况把这些桌面分配给不同的学生或者老师使用，进入实验的师生可以根据自己的喜好和实际需求定制自己的独有桌面，如安装自己准备练习和使用的学习软件等。

因为 VDI采用集中运算模式，需要较高配置的服务器，才能提供较高稳定性的服务，所以为智慧实验室提供UPS全天24小时供电。

3.3 智慧实验室软件管理系统

书苑模式管理的智慧计算机实验室软件采用在线学习平台，学校开发自己独有的在线学习环境，全面打造实验课程的线上化操作，实现学生不用安装配置软件即可进入实验环境，练习完毕可以在线提交程序，常规化程序由系统自动查重判改，特殊程序可由老师人工审阅，返回评阅修改意见。教师可以通过系统同时督导多个班级实验，学生需要指导可以随时连线教师。学习平台无缝对接“中国大学MOOC”（爱课程）、超星等主流 MOOC平台；在线实验环境也可使用Educoder等成熟计算机实践教学平台。目前，EduCoder支持大规模实验资源共建共享，提供了1000多种在线实验课程、40000 多个技术实验案例，在线资源还在不断丰富增加中，最值得一提的是该平台面向全国高校师生开放，使用者只需要注册进去就可以享受全站资源，包括所有案例的智能化评测，基本可以满足普通高校学生的基本实验需求。个别课程也可以根据需要选择实验楼等其他在线学习平台。这些平台均可以实现学生在线实验练习，实时数据上传提交、自动查重，使用给定参数检验程序对错，也可以进行网上交流等。

4 结语

针对高校计算机专业学生笔记本电脑的高持有率，以及现有实验室传统的管理模式，本文提出书苑模式管理的智能计算机实验室设计规划。将智慧教室建设思想融入智慧实验室规划，结合物联网、云平台技术，充分发挥学生为中心的翻转课堂理念，希望将学生自有笔记本电脑和学校实验室计算机有机结合，为高校智能化、开放实验室的建设提供一种借鉴。