电子信息类大学生开放实验室分层管理及其通信信息系统的设计与实现①

廖 亮，王新强

（中原工学院电子信息学院，河南 郑州 450052）

随着信息技术的快速发展，传统的实验室管理方法难以满足电子信息类本科生高质量进行各种创新和综合实验的要求。开放实验室及其管理的电子化和信息化对电子信息本科生的各种创新和综合实验提供更好的方案。

开放实验室在现有校园无线网络的基础上，充分利用现代化的技术手段和管理方式进行实验资源的管理、协调和分配，从而实现高校教学的现代化，并且有利于高校学生学习的自主化和各种信息资源的共享。

一、开放实验室的分层模式

由于电子类专业学生知识水平和动手能力不同，为了充分利用实验室的资源和激发学生的兴趣，实验室可以采用金字塔分层次的开放、管理模式[1-3]。结合电子信息类学生的特点，我们采用基础型、进阶型以及创新型三级开放模式。结合具体的实验教学实践，基础、进阶和创新三个层次的软硬件资源，学生人数所占整体的比例可以大致设定为50%、30%以及20%。根据不同高校的发展水平和学生素质，各分层的比例可以在上述比例的基础上适当调整。

（一）基础开放实验室

基础实验室面对低年级的学生开放，主要对低年级学生进行入门型的实验能力培养和训练。除了对电子信息类低年级学生开放外，还对其他非电子信息专业的学生开放。承担了全校基础型电子实验的主要部分。

基础实验室主要包括电子系统的基础实验（电工学实验）、通信系统的基础实验（通信原理实验）以及多媒体信息处理基础实验（编程）三个方向。基础实验室针对的是基本的教学培养目标，目的是使学生对基础的电子信息设备和工具有初步的认识并动手实践，在实践过程中激发学习兴趣，为进阶型动手实践奠定一定的基础。基础实验室通常对学生进行分组，每组由3～4人组成，每组除了教师的指导外，通常还有1～2 名的主力队员，以帮助动手能力较弱的学生完成实验。实验完成后，各组的实验结果需要进行验收、评判、给出成绩。

基础实验室培养学生的合作能力、动手能力和解决问题的能力，也用于发现有潜力、动手能力强的学生以推荐到进阶实验室进行实践锻炼。

（二）进阶开放实验室

进阶实验室主要面对的是学有余力的中高年级电子信息类本科生。在进阶实验室进行锻炼的学生往往是在基础实验室中表现比较出色的学生。进阶实验室通常以电子设计竞赛题目、教师的纵向科研项目以及与合作企业联合开展的横向研发项目为驱动。项目驱动模式在开放实验室的人才培养中扮演重要的角色[4-5]。逐步锻炼学生掌握电子信息系统的设计与实现的方法，电子信息系统故障的检测方法、熟悉和掌握各种跨平台编码环境。学生在进阶实验室中的锻炼也是学生创新行为的孵化器。

进阶实验室的学生可以按照动手能力高低的原则进行分组搭配。进阶实验室中的学生围绕往年的电子竞赛题目、教师的纵向和横向项目，除了完成指定的各项实验任务外，还定期向学生公布一些具体的实验项目，让学生按照兴趣进行选择。此外，还鼓励学生在一定范围内自由探索，从而大大提高了学生的兴趣和动手能力。

（三）创新开放实验室

创新实验室主要面向高年级学生进行开放，进入创新实验室的学生将为参加省级和国家级电子大赛进行提高和培训，或者以教师的横向、纵向项目为依托进行电子信息系统的开发工作。为了提高开放实验室的使用率，在竞赛或科研项目结束后，创新实验室也提供一定的进阶实验室的功能。创新开放实验室和学院不少专业实验室不定期地举行交流活动。

进入创新实验室的学生大多是从进阶实验室中表现比较优异的学生中选拔出来的。创新实验室中的各种电子信息设备比较先进，主要目的是培养学生的创新能力，并在一定程度上分解、消化科研项目中的各个子课题。

二、开放实验室网络信息化的设计与实现

利用分层和开放模式设计和建设的实验室不仅有利于对不同能力的学生因材施教，而且有利于推动学科竞赛，消化、分解科研工作以及营造优良的学风。为了实现分层和开放的设计模式，需要有效的网络信息化系统为其提供技术上的支撑。

和传统方法管理的开放实验室相比，建立在网络和各种信息管理系统基础上的开放实验室能够使学生在合理的时段灵活地进行实验室的预约和登记。这种灵活的预约能够很大程度上提高学生实验的积极性，并有助于其创新能力的提升。开放实验室的网络信息化还有助于实验室管理标准化和运行效率的提升。开放实验室通常采用网络登记、预约和身份鉴定。在无线通信时代，手机的客户端进一步为这种网络管理提供了“随时随地”的便利性。

预约实验的教师和学生可以通过浏览器或者手机客户端来访问实验室预约系统，该系统通常以Web 服务提供开放实验室的相关信息。服务器和实验室门禁工作站互通，可以实现实验室的预约和解约功能。预约实验室用户在约定的时间段内通过IC 卡或者手机客户端进入实验室开始进行实验，实验完毕后再通过门禁系统刷卡或手机客户端操作来进行注销。预约和注销等信息将通过连接门禁系统的计算机工作站上传至主服务器，这些数据将作为校园网“大数据”的重要组成部分，为以后的数据挖掘和信息化决策提供基本的数据。

基于Web 服务的实验预约/解约系统摆脱了人工等级和人工管理等各种不方便，供学生进行实验室资源的查询以及预约实验室和实验时间。系统通常以B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）为架构提供开放实验室的预约、审查和管理功能。普通用户主要分为学生和教师两种，教师可以在该系统中对个人资料、密码信息进行编辑和存储，也可以进行预约实验室，录入学生成绩和修改成绩。学生用户可以对自己的资料、密码进行保存和编辑，也可以进行实验安排和实验成绩的查看。系统管理员为超级用户，负责系统中所有普通用户的管理工作，可以添加、修改和删除普通用户的信息，同时负责审核普通用户的在线预约。该系统通过Web 服务器连接校园网和移动终端公众号，学生可以通过上网账号和学号等信息进行实验的预约。

Web 服务器所连接的后台数据库原则上应该运行在不同的主机上，从而实现功能和数据在功能上以及物理上的分离。当子系统出现故障时，容易定位问题，也有利于系统的升级和维护。

为保证核心数据不丢失，数据库系统应采取双机热备份或者多机集群的技术来解决。其中双机热备份技术成熟，性价比高，因而受到了比较广泛的应用。双机热备份系统通常由RAID5 磁盘阵列和两台独立的数据库服务器构成。两台数据库服务器在内网上相互监控彼此服务的情况，一旦主机器出现故障，服务将立即切换到从服务器上，系统切换时间很短，大大提高了系统的鲁棒性。在正常运行的时候，主数据库服务器向Web 服务器提供数据接口，并在指定时段内向从服务器进行数据备份。

近年来，移动互联网的迅速发展和普及，为各种移动端应用程序的迅猛发展提供了有力的支撑，其中移动终端公众号成为我国应用最为广泛的移动互联网程序之一，移动终端公众号则为Web 服务和个人之间提供了一种新的通信方式。

开放实验室的预约系统也可以通过公众号进行架构。程序开发者通过公众号平台接入信息，然后将接入的信息传递到移动终端公众号平台，并由公众号平台的服务器将信息转送到应用服务器。开发者将接收到的信息进行处理后，将处理的信息通过自己的服务器转发给公众号服务器，并由公众号服务器发给最终用户。

传统的实验室很难为学生和教师提供灵活的实验室安排，而开放实验室充分开发和利用实验室，本着以学生为本的原则开放实验室，因材施教，为学生提供必要的实验环境以及灵活的时间安排。开放实验室通过提供不同的实验内容让学生灵活选择，让他们独立设计完成实验。这种时间和内容上的灵活性能够大大激发学生的主动性和求知欲，可以培养其良好的研究习惯，往往也会带来更好的实验效果。这种积极性的提高在综合类实验中极其重要[6]。

网络信息化的建设使开放实验室全天候对学生开放成为可能。学生完成实验的时间不尽相同，通常简单的实验在两个科室都可以完成，比较复杂的综合实验、探索性实验、课程设计以及电子竞赛等实验周期则较长，需要持续数周或者更长的时间。网络信息化管理系统的开放实验室在很大程度上可以灵活地安排时间和日程，大大提高了实验设备的利用率，通过合理的实验时间安排，可以保证学生独享实验设备，从客观上提高了实验的质量[7]。

开放实验室信息化的建设以及实验设备效率的提升在很大程度上降低了实验人员以及实验时间的不确定性以及实验内容复杂多变的情况，降低了开放实验室运行维护的成本，有利于实验室的资源共享，确保了实验教学的顺利进行[8]。

三、身份鉴定和门禁系统

开放实验室一个重要的组成部分是门禁系统。门禁系统可以采用模块化的结构和设计，以便系统维护的方便以及今后的系统升级。该系统通过内网和实验室安全系统相互连接，外部用户不能访问，该系统包含用户门禁系统的IC 卡读卡器、UPS 电源、智能锁和发卡器等装置。发卡器和内网电脑终端相连，用户鉴定学生的身份管理门卡信息。电脑终端也可以CSV 或Excel文件的格式批量输入/输出持卡人的身份信息，便于信息的共享，也可以临时发卡，以及无条件开启/关闭门禁系统。

近年来，移动物联网的迅猛发展为利用移动终端进行门禁的身份鉴定提供了技术基础。开放实验室的门禁控制可以利用微信公众平台来完成。使用移动终端发消息获取的门禁身份鉴定，不仅成本低，而且安全性高，移动终端用户需要经过管理员的认证才能使用门禁系统。此外，校园网服务器和电子锁的通信采用签名验证的机制，保证了安全、可靠地控制开放实验室的电子锁。

借助移动终端可以用较低的成本实现电子锁的开启，不会因为用户增多导致门卡增多，从而增加成本，用户也无须记忆密码，也避免了门卡遗失的问题。虽然上述方案可以降低开放实验室的管理成本，便捷性高，安全性在理论上也有保障。然而，目前在高校中使用移动终端开启开放实验室电子锁的还是比较少的，其实际效果如何，还需要时间的检验。

四、结语

网络信息化规范了开放实验室的管理，提高了开放实验室的效率，充分开发了开放实验室的潜力。一个现代化的开放实验室给研究性学习、探索性学习以及合作性学习提供了必要的条件和便利，激发了学生的求知欲，锻炼了学生的动手能力，培养了学生良好的习惯。另外，实验教学的时间安排也更加灵活，学生的实验机会、实验时间都得到增加，因此实验教学的质量也得到极大的提高。信息化手段也为学生的实验进行更加客观、准确的评价提供了便利。

开放实验室是培养学生自主性和创新性的重要途径，符合时代发展和人才创新的需求，给信息时代的教育教学注入了新元素。开放实验室的信息化建设已经成为高校教学改革发展的一个大趋势，开放实验室在电子信息类学生的教学实践中起到越来越重要的作用，也是人才培养创新的一个必由之路。本文所论述的开放实验室系统在我校运行多年，在提高电子类毕业生的培养质量方面起到了重要的作用，今后该系统将进一步完善，深化实验教学改革。