基于云平台的计算机实验中心信息化体系建设

2022-08-17王晓霞王承明马宏姝龚良玉

电子设计工程 2022年15期

王晓霞，王承明，徐明，王健，李婧，马宏姝，龚良玉

（青岛农业大学实验室管理处，山东青岛 266109）

高校实验室是进行实验教学、科学研究的重要基地，是进行高水平科学研究和培养高素质应用型人才的重要资源和保障，承担着人才培养、知识创新、社会服务等重要使命，是科技创新体系的重要组成部分，实验室管理水平的高低对高校的发展起着至关重要的作用[1-2]。随着高校教育体制改革的深入，尤其是各学科知识交叉渗透的日益强化，传统的实验室管理模式阻碍了实验室功能的充分发挥，不利于实验教学改革的开展，不能适应高等教育对于培养应用型创新人才以及现代科研项目的需要。如何利用现代信息化技术手段，让实验室管理流程化、简洁化，以提高实验室工作效率，从而提升实验室服务教学的水平。因此，实现可持续发展成为重要的研究课题。

1 计算机实验中心信息化建设背景

为更好地满足教学、科研以及服务社会的职能需求，高校必须创新发展实验室的管理理念和管理模式，用信息化技术加强实验室的管理。智慧实验室成为高校实验室建设的重要指标，高校实验室的信息化管理水平在某种程度上代表了人才的管理和培养水平。2019 年，为更加高效地满足全校不同专业和不同层次学生对全面、系统的计算机实验实践教学环境和创新创业基地的需求，学校成立了校级计算机实验中心[3]（以下简称中心）。

中心成立前，计算机实验室分散在各个学院，存在管理方式落后、不规范，设备数量不足、先进性不够、共享率低、专职实验技术人员缺乏等问题。设备及实验室管理采用传统落后的人工模式，设备管理以单机管理为主，以还原卡、硬盘克隆等手段作为辅助，软硬件管理维护非常困难，实验室管理以纸质手工管理为主，管理流程复杂且管理效率低。中心的成立，实现了实验室管理模式从分散式向集约化的改变，充分利用信息化管理手段，较好地解决了实验室重复建设、设备利用率低、教学资源配置不合理等问题，更好地满足了教学科研和社会服务的需求[4-6]。

2 中心信息化管理体系的建设

中心实验室信息化管理体系采用先进的信息技术，将大数据、云计算、物联网技术应用到实验室管理中，优化了实验室管理流程，打造基于云平台、以智能数据为核心的标准化流程管理体系，有效地打破了传统实验室管理模式和实验教学模式，改变了实验室服务师生的方式，坚持“以生为本”的理念，由被动服务变为主动服务，高效利用实验室资源，最大限度地发挥了实验室的效益，达到更好地为教学、科研服务的目标。

2.1 中心信息化管理体系的系统架构

中心实验室按功能主要划分为公共基础、软件应用、虚拟仿真、图形图像处理、计算机辅助设计、云计算、智能数据分析与处理等几大模块，分布在信息楼和文经楼，各实验室交换机通过光纤接入楼宇汇聚交换机，楼宇交换机接入中心核心交换机，最后接入校园核心交换机，实现了与智慧校园的对接，通过中心云桌面服务器实现了对各实验室云终端的管理和维护，中心实验室网络拓扑结构图如图1所示。

图1 中心实验室网络拓扑结构图

2.2 中心信息化管理体系的功能模块

中心信息化管理体系主要包含实验设备运维管理、智能物联管控、实验室信息化管理等几大模块，如图2 所示。管理体系通过系统接口与智慧校园、教务系统等对接，实现校园统一身份认证、与教务系统信息共享等功能；通过电子设备，如手机、计算机、多媒体触媒查询机等进行信息交互；通过云技术，将硬件、软件、网络等资源统一起来，实现数据的计算、存储、处理和共享，进而实现实验设备的运维管理；通过智能物联管控系统，实现实验室的身份认证、视频监控、远程电源控制等功能；通过实验室信息化管理系统，实现实验室、实验教学、实验室开放、数据与报表等的管理，最终实现实验室的规范化、信息化、智能化管理。

图2 中心信息化管理体系结构图

2.2.1 实验设备运维管理模块

实验设备的高效管理与维护是实验室信息化管理的前提。为满足不同专业、不同年级学生的实验实践教学任务，实验室需安装和部署多种操作系统及软件应用环境，传统方式采用数据还原进行网络同传，存在网络传输速度不稳定、硬盘频繁读取导致系统运行速度慢、管理人员维护工作量大等弊端。

随着云计算、虚拟化技术的快速发展，虚拟化云桌面已快速应用于实验室管理与教学中。云技术是指在广域网或局域网内将硬件、软件、网络等系列资源统一起来，实现数据的计算、储存、处理和共享的一种托管技术[7]。虚拟化技术是云技术的核心技术之一，所谓虚拟化，是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机，在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序可以在相互独立的空间内运行而互不影响[8]，从而显著提高计算机的工作效率。目前，主流虚拟化技术有VDI、IDV、VOI 等，为满足不同应用场景的需求，减少单一架构的局限性，中心采用了多种混合架构体系，如图3 所示，利用其各自的优劣势相互补充，满足实验教学、实验室开放、社会化服务等多样化需求。

图3 中心桌面云体系架构图

2.2.2 智能物联管控模块

智能物联管控系统通过实验室开放管理系统与配套智能数据采集终端硬件系统的联动，实现对实验室开放全过程的管理与控制。通过智能身份认证系统，只有被安排实验或预约，并审核通过后的人员，才能通过电子班牌人脸识别或者电子门禁系统的身份认证，被授权出入实验室和使用仪器设备；通过远程电源控制系统，管理人员可对开放实验室的电源进行开关、定时、预设等远程控制，并实时查看各实验室的用电情况；通过视频监控系统，管理人员可实时查看实验室动态，监控实验室场地的安全及仪器设备的使用情况；通过智能储物系统，进入实验室的人员可使用储物柜存储物品，并且管理人员可随时查看使用情况。

实验室智能物联管控系统依托物联网的感知层、网络层和应用层构建而成，如图4 所示。感知层由无线传感网、射频识别（RFID）器件、嵌入式设备、二维码等共同组成了前端信息采集和控制终端；网络层由光载无线交换系统和其他网络设备共同组成了基于TCP/IP 协议的可接入互联网的网络平台；应用层由后台数据中心、远程客户端和装载在其中的各种应用程序共同组成，实现了对前端信息和控制终端的管理[9-11]。

图4 中心智能物联系统结构图

2.2.3 实验室信息化管理模块

实验室信息化管理模块主要包括实验室管理、实验教学管理、实验室开放管理三大功能模块，其中，实验室管理包含实验室信息、实验助理、数据与报表、信息发布的管理等。

1）实验室管理模块

在实验室信息化管理系统中，通过实验室信息管理，健全实验室分室的基本信息及规章制度，包括实验室名称、实验用房、仪器设备、负责人、联系方式、管理单位等信息，实现实验室各项工作的科学化、规范化、标准化；通过实验队伍管理健全实验室管理人员的基本信息，规范管理人员的岗位职责、考勤签到、人员变动、获奖成果、评估考核等，以进一步优化管理人员结构，在业务考核、职务晋升等方面形成相应切实可行的政策；通过仪器设备管理全方位跟踪仪器设备的购置、借用、维修和报废全过程，全方位监督设备存放地点的建设及安全设施是否到位，真正做到场地及仪器设备的规范化和信息化管理，解决高校设备使用和管理脱节的问题。

中心积极引入勤工助学学生作为实验助理，参与实验室的运行管理，实验室管理形成了以学生为主体的自我管理新模式[12]。在实验助理管理系统中，实验助理可根据实验室课程安排情况和自己课余时间，灵活选择工作时间及工作内容，在系统中进行值班安排；还可在系统中记录工作过程中的问题，如实验指导教师的反馈、实验设备故障等。管理人员可在系统中实时查看实验室运行情况及实验设备使用情况，并对出现的问题及时进行处理，还可在系统中对实验助理进行考勤及考核管理。

在数据与报表管理系统中，基础数据模块对实验室各类数据进行自动采集与记录，报表管理模块对采集的数据进行统计分析后，以图表、Excel、Word等方式导出，更加清晰、准确、整体、有对比性地呈现各项数据。在该系统中，不同角色具有不同的访问权限，如实验室管理人员可根据查询实验室的使用情况获取实验室运行数据，掌控实验室的运行和开放状态，对实验室及设备的管理形成科学、有效的管理方式；部门领导可实时掌握实验室建设、管理动态，查询汇总各项数据，为学校领导宏观管理和科学决策提供依据。

通过信息发布系统，管理人员可实时发布中心的基本情况，如中心概况、通知公告、排课信息、预约状态等；定期发布实验室管理及安全的学习培训及技能考核；进行信誉积分管理，对不遵守实验室规则、不按照实验室课程安排上课、在平台乱预约等违规行为进行管理等。

2）实验教学管理模块

实验教学管理模块是对实验教学运行流程的管理，由实验教学安排、实验教学过程管理、实验教学考核管理等模块组成，涵盖实验教学管理的各个环节，如图5 所示。

图5 实验教学管理框图

在实验教学安排模块中，灵活可视化的实验教学排课管理系统，含多种排课模式，指导教师可根据实验教学计划、实验项目、学生人数、实验室情况等进行智能排课，自动生成实验课表；该系统与教务系统对接，能自动检测实验课表与理论课表是否冲突，并与理论课表合二为一，方便师生查看；优化了实验课程调停的申请和审核管理，简化了实验指导教师的申请手续，方便了管理人员的审核管理，并为实验室的有序开放打下基础。

在实验教学过程管理模块中，指导教师可在课前根据实验教学计划表导入学生信息、预习资料、实验指导、实验报告模板、课后习题等资料，指导学生进行实验；学生则可以通过系统进行课前预习和测试，记录实验过程和数据、提交实验报告、课后练习、查看错题及反馈、查看成绩等。

在实验教学考核管理模块中，教师只需对学生提交的实验报告进行手动审核评分，其他环节比如考勤管理、课前测试、实验数据记录、课后练习等，均由系统自动评定，最终给出学生的实验成绩，教师只需利用成绩统计、分析和导出等功能对学生成绩进行查看和管理，使得整个教学模式的实施变得方便、高效。

从实验教学模式的整个实施过程来看，课前、课中和课后三个阶段相互依存，有机结合成为一个整体[13]。

3）实验室开放管理模块

实验室开放是指实验室在完成计划内教学及科研任务的前提下，利用现有师资、仪器设备等实验条件，面向学生开放，供学生进行实验学习和科学研究[14]。为提高设备的利用率和共享率，充分发挥实验室功能，中心除承担全校各个层面的计算机类实验实践教学任务外，还面向校内外进行开放。

在实验室开放管理系统中，管理人员可根据实验教学计划及实验室使用情况，对教学型实验、科研型实验以及开放自主型实验进行统筹安排，如图6所示。针对不同实验室设置不同开放属性，如实验室开放或者实验项目开放，灵活设置实验室开放时段及开放对象，并实现对实验室开放的预约、审核等管理制度。通过实验室开放管理系统，师生可根据需要提交预约申请，管理人员审核后授权其开放的实验室、实验项目、仪器设备等，被授权的人员通过身份认证后进入实验室使用仪器设备；管理人员通过机房管理系统实时监控仪器设备的使用情况，过程监管可精确到单台仪器设备或单个人员，如查看某台设备使用人员、使用时间等，或查看某个学生的实验项目、实验数据、考勤等。

图6 实验室开放管理框图

实验室开放管理系统真正实现了对实验室、仪器设备、人员、使用时间、实验项目、实验物品及耗材等所有真实数据的采集，并以真实数据为基础，通过数据分析功能，自动生成数据统计与分析图/表，实现了实验室管理人员对实验室开放的高效管理。

3 中心信息化管理体系的效果

高校实验室在科技创新、国民经济建设和社会发展中起着越来越重要的作用，实验室信息化管理体系的使用，全面提高了高校实验室的管理及教学水平，产生了巨大的经济效益和社会效益。

3.1 统一、集中化的管理模式

统一、集中化的管理模式，提高了设备利用率，节省了资金投入。通过云计算虚拟化技术的使用，管理人员可以通过网络在服务器端对所有计算机进行统一管理，实现了跨机型、跨实验室、跨楼层的集中管理[15]。通过信息化管理体系，管理人员可根据教学和科研计划，统筹安排教学、科研及自主实验，在时间、资源、管理方式和服务等方面全方位统一，最大限度提高了实验室及仪器设备的利用率。利用虚拟化技术强大的设备兼容性，可以有效对配置较低，不能满足教学需求的计算机进行再利用，减少了购置新设备的资金投入。通过实验室管理系统与物联管控系统，根据教学需求、课时安排、学生人数等可以对实验室及仪器设备的使用进行动态的开关与调整，有效避免了传统模式下大量实验室、设备无端浪费的情况，有效节省了电能消耗，并延长了设备生命周期，为学校节省了开支。

3.2 信息化、智能化的管理模式

信息化、智能化的管理模式，促进了教育信息化与实践教学的深度融合。在物联网技术支持下的高校实验室从各个方面都实现了智能化、信息化的变革，这些创新变革为高校智慧实验室的构建提供了一个全面智能感知的实验实践教学环境。多维一体的信息化管理体系，以信息化手段促进了实践教学的现代化，如实践教学管理的自动化、实践教学内容的数字化以及实践教学软硬件资源的共享化，最大限度地提升了全校相关专业的实验实践教学质量，最终实现高校服务经济社会发展的目标。

3.3 开放式的运行模式

开放式的运行模式，有利于培养创新应用型人才。实验室信息化管理体系辅以成熟的物联互联的技术和设备，在确保场地、设备和人员安全的前提下，将实验室、仪器设备、师生等多个核心要素有机地衔接起来，可以实现24 h 不间断运行，保障实验室从时间到空间、从人员到设备全方位开放，实现了实验室开放预约和实验过程自动监控，基本实现了实验室的全面开放。

实验室的全面开放，增加了学生的实践机会与时间，提高了学生的学习积极性，激发了学生学习探索的动力，提高了学生分析解决问题的能力及实践操作的能力，为培养具有创新能力和创新思维的复合应用型人才提供了保障。在教师的引导和组织下，学生们从各级竞赛活动开始，逐步将竞赛活动与实验室开放项目紧密结合[16]，促进了学生跨学科、跨专业进行创新型实验。中心搭建了多学科交叉融合的创新创业平台，将“双创”项目及各类竞赛活动与实验室开放项目紧密结合，为学生的创新创业提供了场所，实现了实验、实习、创新、创业的相互结合，并形成了良性循环，实现了创新性人才培养模式，推动了高校未来可持续发展。