劉耀林，王章權(quán)

（浙江樹人大學(xué)信息科技學(xué)院，浙江杭州310015）

一、引言

高校實驗室是進行實驗教學(xué)和科學(xué)研究的重要基地,是學(xué)校面對學(xué)生實施綜合素質(zhì)教育、培養(yǎng)實驗技能、開展知識創(chuàng)新和科技創(chuàng)新的必要場所,是高校培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的重要資源和保障。[1]隨著高校實驗室建設(shè)速度的提升和投入力度的加大,實驗室的管理進一步規(guī)范化、多樣化，同時管理工作也變得更加繁重和復(fù)雜：

（1）設(shè)備信息維護工作量巨大[2]

傳統(tǒng)方式下，實驗室設(shè)備信息是依靠手工建立臺賬、卡片，然后形成大量卡片的方式來進行管理的，臺賬等存檔要占用大量空間，而且儀器檔案的查詢往往耗費大量時間。如果設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化，在借出、歸還、丟失、損壞、閑置時，都需要登記相應(yīng)卡片，造成管理手續(xù)復(fù)雜，工作量巨大。

（2）實驗室信息孤立

實驗設(shè)備的信息、學(xué)生實驗信息以及課程信息等不能有機地結(jié)合，各種收集和管理都是獨立分散地進行，致使各個實驗室之間、教師和實驗室之間缺乏聯(lián)系，造成了實驗信息管理效率低、實驗設(shè)備利用率低、預(yù)約實驗比較煩瑣等問題。因而，傳統(tǒng)的書面和人工管理方式對于承擔(dān)大量實驗教學(xué)任務(wù)的實驗室而言，確實存在難度大、工作量大以及工作效率低等問題。

（3）實驗室運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計困難

傳統(tǒng)的手工管理方式在實驗室的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面存在很大的缺陷，進而制約實驗室的總結(jié)評估工作。因為在有關(guān)信息查詢或統(tǒng)計分析時十分不便，無法及時得到精確的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，導(dǎo)致實驗任務(wù)安排欠科學(xué)，實驗室各類數(shù)據(jù)得不到充分發(fā)掘，只能依靠不精確的數(shù)據(jù)進行估算和評價，過于依賴管理者的個人能力和素質(zhì)。

（4）實驗室開放運行受到制約

由于高校對高級應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，學(xué)生競賽、學(xué)生科研、實驗選修課等實踐性較強的教學(xué)活動受到重視，這些教學(xué)活動大都需要實驗室提供儀器、場地以及時間支持，實驗室開放化管理變得異常重要。然而，利用傳統(tǒng)的實驗室管理方式進行開放運行管理將給實驗人員帶來額外的工作量；同時，過于煩瑣的申請流程會影響學(xué)生主動進入實驗室開展實踐操作的積極性。

近幾年，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，高校實驗室已開始運用現(xiàn)代化的信息技術(shù)來加強自身的開放式管理。實驗室的信息化管理主要是指利用實驗室信息管理系統(tǒng)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、快速數(shù)據(jù)處理技術(shù)來對實驗室進行全方位管理。通過信息化管理，實驗室可以達到自動化運行、信息化管理，對實驗室提高工作效率、降低運行成本起到至關(guān)重要的作用。[3]信息化在高校實驗室發(fā)展中能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性，易于實現(xiàn)資源共享，提高儀器、設(shè)備的利用率，大大減少了實驗室的管理工作。

二、信息化系統(tǒng)整體設(shè)計

圖1 信息化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

本文將以浙江樹人大學(xué)信息科技學(xué)院省級實驗示范中心——“信息與電子工程實驗示范中心”為例，對該實驗示范中心的信息化建設(shè)進行研究并提出實施方案，系統(tǒng)整體設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

“信息與電子工程實驗示范中心”（以后簡稱：示范中心或中心）的信息化建設(shè)由5個部分組成：

（1）示范中心網(wǎng)絡(luò)改造是信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，為所有數(shù)據(jù)傳輸提供基礎(chǔ)平臺；

（2）實驗室信息化管理系統(tǒng)是信息化建設(shè)的核心，通過與學(xué)校教學(xué)管理系統(tǒng)、校園一卡通中心對接，完成中心所有數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計工作，并為教師決策、學(xué)生自助提供幫助；

（3）數(shù)據(jù)中心建設(shè)包括中心網(wǎng)站建設(shè)和中心數(shù)據(jù)庫建設(shè)兩部分，前者為中心提供展示窗口，為教師、學(xué)生獲取數(shù)據(jù)提供接口，后者負責(zé)整個中心所有數(shù)據(jù)的存儲；

（4）門禁監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)采集學(xué)生進出示范中心實驗室數(shù)據(jù)，并通過刷卡實現(xiàn)實驗室開放運行；

（5）遠程實驗教學(xué)系統(tǒng)是示范中心的特色，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線傳感器技術(shù)實現(xiàn)實驗箱的遠程操作，使學(xué)生在寢室通過互聯(lián)網(wǎng)便能完成實驗項目，實現(xiàn)部分實驗室開放、共享的管理方式。

三、信息化系統(tǒng)實施方案

1.示范中心網(wǎng)絡(luò)平臺改造

示范中心現(xiàn)有實驗室大部分都建有局域網(wǎng)，但不同時期建設(shè)的局域網(wǎng)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，出現(xiàn)了實驗室之間數(shù)據(jù)孤立、IP網(wǎng)段分配凌亂等問題，無法形成一個通暢的數(shù)據(jù)傳輸平臺，為此本課題將網(wǎng)絡(luò)改造作為示范中心信息化建設(shè)的基礎(chǔ)和重點。綜合考慮示范中心應(yīng)用需求和樓宇結(jié)構(gòu)特點后，提出采用三層（核心層、匯聚層、接入層）交換型網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

每一間實驗室和教師辦公室放置一臺接入層交換機，為教師機、學(xué)生機提供接入服務(wù)，同時為門禁系統(tǒng)提供聯(lián)網(wǎng)接口；每一樓層的所有接入層交換機通過6類非屏蔽雙絞線（6類UTP，提供1000Mb/s傳輸速率）連接到該樓層的匯聚層交換機上，匯聚交換機負責(zé)本樓層實驗室之間的數(shù)據(jù)流通，同時將跨樓層的數(shù)據(jù)流量以及將本樓層采集的所有數(shù)據(jù)上傳到核心交換機，同時為本樓層視頻監(jiān)控提供接口；核心層交換機放置在三樓中心機房，通過光纖與校園網(wǎng)中心機房相連，負責(zé)本中心與校園網(wǎng)的互通；通過6類UTP與三層樓的匯聚交換機連接，負責(zé)跨樓層數(shù)據(jù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)；通過6類UTP與數(shù)據(jù)中心相連，負責(zé)進出數(shù)據(jù)中心流量的傳輸。

圖2 示范中心網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.實驗室信息管理系統(tǒng)規(guī)劃

為實現(xiàn)實驗室的高效、科學(xué)管理，更好地為教學(xué)、科研服務(wù)，本課題根據(jù)學(xué)校實驗室的實際情況，結(jié)合其他院校的管理方法，設(shè)計了實驗室信息化管理結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。實驗室信息化管理系統(tǒng)主要由實驗室管理員模塊、教師模塊和學(xué)生模塊三個部分組成。

圖3 示范中心信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）實驗室管理員模塊是本系統(tǒng)設(shè)計的重點，由系統(tǒng)管理、資產(chǎn)管理、實驗教學(xué)管理三個子模塊組成，主要輔助實驗室管理人員完成登錄權(quán)限管理、資產(chǎn)維護與報廢管理、實驗教學(xué)排課、處理教師與學(xué)生預(yù)約申請等工作；

（2）教師模塊主要輔助教師完成上傳實驗教學(xué)資源、預(yù)約實驗場地與時間以及對實踐過程中學(xué)生的成績進行管理；

（3）學(xué)生模塊主要是采集學(xué)生進出實驗室的信息、幫助學(xué)生申請開放實驗室資源以及對教師上傳資源提供搜索服務(wù)。

3.數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案

數(shù)據(jù)中心建設(shè)包括中心網(wǎng)站建設(shè)和中心數(shù)據(jù)庫建設(shè)兩部分。

示范中心網(wǎng)站不僅要作為本中心的宣傳展示平臺，同時考慮到實驗室信息化管理系統(tǒng)采用的C/S架構(gòu)，可以通過網(wǎng)頁的方式登錄與管理，因此中心網(wǎng)站也要為信息化管理系統(tǒng)提供接口，給管理員、教師、學(xué)生進行管理操作，簡化管理方式。網(wǎng)站以用戶體驗為中心，采用多線索的信息組織方式，整合信息發(fā)布、實驗室建設(shè)、實驗教學(xué)、示范中心特色、管理體制、規(guī)章制度、教研成果、在線調(diào)查、內(nèi)容檢索、實驗設(shè)備管理等功能模塊于一體，為實驗教學(xué)、科研和管理等各項工作提供數(shù)字化資源共享環(huán)境。

數(shù)據(jù)庫建設(shè)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括服務(wù)器和UPS（不間斷電源），預(yù)計放置在三樓中心機房，通過千兆端口連接在核心交換機上，用于收集來自于整個示范中心的刷卡信息、實驗教學(xué)數(shù)據(jù)，同時保存教師、學(xué)生上傳的項目資料和實驗作業(yè)等。軟件部分包括數(shù)據(jù)庫管理軟件和服務(wù)器操作系統(tǒng)，用于維護數(shù)據(jù)庫正常運行以及對數(shù)據(jù)庫備份等操作。

4.門禁監(jiān)控系統(tǒng)方案

門禁監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)采集學(xué)生進出實驗室數(shù)據(jù)，為實驗室提供安全保障，同時為實驗室實現(xiàn)開放式運行提供支持，其方案設(shè)計如圖4所示。

圖4 門禁監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

門禁監(jiān)控系統(tǒng)由門禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫組成。門禁系統(tǒng)從校園一卡通中心獲取學(xué)生信息，并根據(jù)學(xué)生事先在信息化管理系統(tǒng)的預(yù)約情況，對進入實驗室的人員進行篩選，只有預(yù)約申請被實驗室管理人員審批通過的學(xué)生才能打開電子磁鎖，同時讀卡器記錄學(xué)生的信息并上傳至數(shù)據(jù)中心，為后期統(tǒng)計與評估提供支持。視頻監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)獲取實驗室聲音和圖像數(shù)據(jù)，便于實驗室管理員對開放實驗室進行遠程監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作儀器、違反實驗室規(guī)章制度的行為。

5.遠程實驗教學(xué)系統(tǒng)

遠程實驗教學(xué)平臺是示范中心開放式運行管理的創(chuàng)新點，依據(jù)該平臺學(xué)生能在任意時間、任何有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境登錄示范中心系統(tǒng)，預(yù)約實驗并遠程操控實驗設(shè)備，遠程采集實驗結(jié)果。該教學(xué)平臺主要由STC單片機實驗箱、遠程下載器、攝像頭和服務(wù)器組成，如圖5所示。

圖5 遠程實驗教學(xué)平臺的架構(gòu)

該平臺主要功能是提供單片機實驗的遠程調(diào)試，學(xué)生在寢室和家里通過瀏覽器（如IE、Firefox）訪問服務(wù)器網(wǎng)址，選擇準(zhǔn)備要做的實驗。根據(jù)網(wǎng)頁上的實驗原理、硬件原理圖和軟件流程圖編寫C語言程序，上傳該程序的hex文件。服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)接收到hex文件，在硬盤上自動存儲，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠程下載器。遠程下載器接收到hex文件，自動把hex文件下載到STC單片機實驗箱中，反饋下載狀態(tài)和相關(guān)的串口數(shù)據(jù)。服務(wù)器接收到遠程下載器成功下載的信號后，自動把相關(guān)的串口數(shù)據(jù)和攝像頭采集的STC實驗箱視頻傳輸給學(xué)生。學(xué)生觀察反饋數(shù)據(jù)和實驗箱的視頻結(jié)果，判斷自己程序是否完成程序設(shè)計的功能。

四、總結(jié)

通過信息化建設(shè)，系統(tǒng)自動采集實驗室運行數(shù)據(jù)，便于管理人員發(fā)掘數(shù)據(jù)規(guī)律，合理規(guī)劃實驗資源；教師將教學(xué)資源、實驗內(nèi)容上傳到數(shù)據(jù)中心，為資源共享提供便利；實驗室開放程度大幅提高。

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