吳伊萍

(1.泉州師范學院 數(shù)學與計算機科學學院，福建 泉州 362000；

2.福建省大數(shù)據(jù)管理新技術與知識工程重點實驗室，福建 泉州 362000；

3.智能計算與信息處理福建省高等學校重點實驗室，福建 泉州 362000)

2012年3月教育部發(fā)布《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》，指出高等教育信息化重點推動信息技術與高等教育的深度融合，促進教學手段和方法現(xiàn)代化，推進教學實驗平臺信息化建設[1]等。2017年10月，黨的第十九次代表大會報告中指出優(yōu)先發(fā)展教育事業(yè)。加快一流大學和一流學科建設，實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展。

近年來各級政府、教育主管部門、學校、教育行業(yè)等相關企事業(yè)單位加大了對教育信息化的研發(fā)和投入，各高校教育信息化水平不斷提高，但仍存在著一些問題。如，國內(nèi)各高校的信息化建設缺乏統(tǒng)一標準和規(guī)范；校內(nèi)師生不清楚校內(nèi)實驗室所具備的軟硬件資源，實驗教學信息化程度和實驗室服務水平還不足以滿足師生個性化、多樣化的教學、學習和科研需求；部分高校實驗室信息化管理水平較低，實驗室安全隱患多、實驗資源分布不均、設備更新速度慢、設備利用率低，實驗技術隊伍建設滯后等問題。

對我校智慧實驗室建設中的思路及應用場景進項梳理。首先分析了智慧實驗室的內(nèi)涵；其次介紹了我校實驗教學中心的工作需求，及采用分布式架構設計智慧實驗室的優(yōu)勢；最后詳細介紹了智慧實驗室的系統(tǒng)設計及在實際工作中的應用，具體包括虛擬仿真實驗教學平臺、智能實驗室管理平臺以及實驗中心門戶網(wǎng)站的設計及應用。

1 智慧實驗室的內(nèi)涵

智慧實驗室是高校發(fā)展智慧教育，培養(yǎng)智慧型人才，建設智慧校園，提升教學質(zhì)量的重要陣地。伴隨著智慧教育的發(fā)展，智慧校園的建設，智慧實驗室作為智慧教育和智慧校園的重要組成部分，各級教育主管部門啟動了虛擬仿真實驗教學中心，國家級實驗教學示范中心，省級實驗教學示范中心、虛擬仿真實驗教學項目等的建設與評審。智慧實驗室的建設成為高校提升辦學水平的重要內(nèi)容。

關于智慧實驗室的研究主要有兩點。第一，借助新興信息技術，推動實驗教學改革，建設虛擬仿真實驗教學中心，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學實驗資源共享，提高資源利用率。王衛(wèi)國等[2]介紹了國外高校以信息技術推動實驗教學改革，應用信息可視化、立體顯示、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、3D打印、人機交互等新興信息技術在教育教學領域。劉亞豐等[3]指出利用云計算、云存儲等技術，可實現(xiàn)教學實驗資源的優(yōu)化與共享，提高教學資源利用率。周世杰等[4]以網(wǎng)絡信息安全中的攻防實驗為例，依托虛擬仿真技術，開展網(wǎng)絡攻擊、病毒注入等實驗，避免了在真實環(huán)境中開展實驗的破壞性，突出了實驗教學中虛擬仿真實驗的必要性。第二，智慧實驗室依托校園網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)等技術，實現(xiàn)實驗室管理的智能化與網(wǎng)絡化，提高實驗室的管理與服務水平。李偉等[5]基于分布式架構構建了大規(guī)模在線學習系統(tǒng)，解決了因鏈路帶寬不足和傳輸數(shù)據(jù)量過大而導致的網(wǎng)絡擁堵。彭一明等[6]利用物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等信息技術，構建物聯(lián)、互聯(lián)、智能化的智慧計算機實驗室，以規(guī)范實驗室的儀器設備、教學實踐和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等工作以及提高儀器設備的使用效率。周瑞等[7]指出智慧實驗室系統(tǒng)是依托校園網(wǎng)絡，應用物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)實驗室管理人員與師生互動的智能化、網(wǎng)絡化的開放管理平臺。崔貫勛[8]介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的實驗室智能綜合管理系統(tǒng)，降低了實驗室管理工作量。

綜上分析，智慧實驗室是在傳統(tǒng)實驗室的基礎上依托校園網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等信息技術，實現(xiàn)實驗室軟硬件資源管理與利用的網(wǎng)絡化與智能化，實現(xiàn)實驗教學信息化。智慧實驗室的建設，有利于推進虛擬仿真實驗教學中心的建設，提高優(yōu)質(zhì)教學實驗資源的共享率和利用率，降低實驗室管理工作量，提升實驗室管理與服務水平。未來，智慧實驗室建設以滿足教學、科研和社會需求的個性化與多樣化為導向，創(chuàng)新實驗室管理和服務，建立以人為本的高校智慧實踐教育新陣地，不斷提升高校辦學水平。

2 智慧實驗室系統(tǒng)設計

2.1 需求分析

以泉州師范學院信息技術實驗教學中心的智慧實驗室建設為例。2015年申報福建省高等學校實驗教學示范中心建設項目，成功入選2015年省級實驗教學示范中心建設項目。實驗教學中心現(xiàn)有計算機公共機房9間，專業(yè)實驗室10間，在建實驗室6間，年服務人時數(shù)達到五十多萬，設備數(shù)超1500件。主要工作內(nèi)容包括：第一，全校計算機公共基礎課程實驗教學與考試；第二，教育科學學院、物理與信息工程學院、化工與材料學院、紡織與服裝學院等11個學院的近百門計算機輔助設計類課程的實踐教學；第三，數(shù)學與計算機科學學院物聯(lián)網(wǎng)工程、計算機科學與技術等四個專業(yè)的專業(yè)實驗課；第四，承辦各類計算機等級考試及大學生信息技術類競賽；第五，服務社會，為企事業(yè)單位信息化培訓考試等提供技術、設備和場所等服務。

2.2 分布式架構下的智慧實驗室設計

為提高實驗技術隊伍工作效率，提升實驗資源的共享率與利用率，推動實驗教學改革，提升實驗室管理水平，本文介紹了采用分布式架構，依托校園網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等信息技術，設計智慧實驗室。分布式架構具有利用小型服務器代替大型機[5]，分布式處理數(shù)據(jù)的能力優(yōu)于單個大型機[5]，單個軟硬件資源的故障不會導致整個系統(tǒng)癱瘓[9]，后期擴展性更好等優(yōu)點。由于我校屬于地方高校，每年投入到實驗教學的經(jīng)費有限，采用分布式架構，實現(xiàn)了分期建設，逐期擴展，較好的解決了一次投入成本高的問題，保障了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

智慧實驗室的設計，采用分布式架構，按照業(yè)務需求劃分各個子系統(tǒng)，將智慧實驗室分為虛擬仿真實驗教學平臺、智能實驗室管理平臺和實驗教學中心門戶網(wǎng)站三部分，如圖1智慧實驗室功能結(jié)構圖所示。虛擬仿真實驗教學平臺由一系列實驗教學軟件和實驗教學管理平臺組成，實驗教學管理平臺包括平臺行政中心、實驗教學子系統(tǒng)、資源管理與共享子系統(tǒng)和交流中心子系統(tǒng)四部分。智能實驗室管理平臺由實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、實驗室視頻監(jiān)控系統(tǒng)、實驗室門禁管理系統(tǒng)、以及實驗室開放預約服務系統(tǒng)組成。實驗中心門戶網(wǎng)站是實驗教學中心對外服務的窗口。

圖1 智慧實驗室功能結(jié)構圖Figure 1 Functional structure of smart laboratory

在系統(tǒng)的物理結(jié)構設計上，采用分層結(jié)構，按照從高到低分為：應用層、網(wǎng)絡層和基礎設施層，如圖2智慧實驗室系統(tǒng)架構圖所示。各層功能如下：

（1）應用層：由不同功能的子系統(tǒng)組成，保障智慧實驗室的正常服務。具體包括虛擬仿真實驗教學平臺、智能實驗室管理平臺及實驗中心門戶網(wǎng)站。虛擬仿真實驗教學平臺實現(xiàn)了遠程在線實驗和實驗教學管理等功能。該平臺可滿足師生個性化、多樣化的實驗教學服務，有利于優(yōu)質(zhì)實驗資源共享。智能實驗室管理平臺依托校園網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)實驗場所的環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控與門禁管理，實現(xiàn)在線預約實驗室及儀器設備等服務。實驗中心網(wǎng)站包括中心介紹、通知公告、實驗教學、規(guī)章制度、實驗平臺等欄目，便于師生及時了解實驗教學中心的各種資源，保障信息的透明化。

（2）網(wǎng)絡層：該層為智慧實驗室的正常網(wǎng)絡通信提供保障，由千兆以太網(wǎng)組成，實現(xiàn)視頻、傳感器、門禁、對講系統(tǒng)、應用層各個系統(tǒng)等各類數(shù)據(jù)的可靠傳輸，為智慧實驗室的各項實驗教學與管理服務提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）基礎設施層：該層是智慧實驗室的最底層，負責數(shù)據(jù)采集、環(huán)境感知和數(shù)據(jù)存儲，由服務器、增強型一體機、磁盤陣列、甲醛傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、濕度傳感器、刷卡機等設備組成。其中，攝像頭負責實時采集實驗室空間視頻數(shù)據(jù)，傳感器用于采集實驗室甲醛、溫度、濕度、煙霧等環(huán)境數(shù)據(jù)，刷卡機負責讀取用戶出入的一卡通信息，服務器、一體機、磁盤陣列等用來存儲處理數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)智慧實驗室的環(huán)境的全面感知和遠程智能控制。

圖2 智慧實驗室系統(tǒng)架構圖Figure 2 Architecture of smart laboratory

3 智慧實驗室的實現(xiàn)

3.1 關鍵技術

智慧實驗室的實現(xiàn)運用了虛擬仿真技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、數(shù)據(jù)庫技術和軟件開發(fā)技術等。虛擬仿真實驗教學平臺的開發(fā)應用了計算機技術、多媒體技術、網(wǎng)絡通信技術、電子技術和虛擬現(xiàn)實技術等，構建了新型的實驗教學模式，采用J2EE開發(fā)，用Java語言實現(xiàn)。實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)基于云平臺的框架搭建，采用瀏覽器/服務器模式（B/S模式）設計，數(shù)據(jù)庫操作層中間件Hibernate，業(yè)務邏輯處理中間件Spring，界面模型中間件Struts，開發(fā)工具為Myeclipse，web發(fā)布容器Tomcat，數(shù)據(jù)庫MySQL。該系統(tǒng)核心模塊是接收設備數(shù)據(jù)的線程、定時器線程和數(shù)據(jù)管理線程。實驗室門禁系統(tǒng)配置2.8寸LCD顯示屏、200萬高清攝像頭，設備支持TCP/IP與Wi-Fi通訊。實驗室視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置高清攝像頭、網(wǎng)絡硬盤錄像機、網(wǎng)絡視頻服務器、IPCamera等設備及視音頻編解碼卡，支持實時預覽、錄像存儲、遠程回放和下載等功能。實驗教學中心門戶網(wǎng)站是基于Web Plus Pro網(wǎng)站群平臺實現(xiàn)的。

3.2 智慧實驗室運行機制

智慧實驗室的部署與實施依托國內(nèi)外相關企業(yè)強有力的技術團隊支撐。實驗技術隊伍需要在工作中學習新技術并運用于工作中，不斷更新服務方式，提高工作效率。智慧實驗室的有效運作，依賴于實驗教學中心規(guī)范化的管理制度以及教師、學生、實驗技術隊伍和管理層的支持。如圖3，全校師生通過互聯(lián)網(wǎng)訪問實驗中心門戶網(wǎng)站，通過該網(wǎng)站可直接訪問虛擬仿真實驗教學平臺或智能實驗室管理平臺，了解中心所擁有的軟硬件實驗資源，預約使用實驗室及相關儀器設備。實驗技術隊伍訪問智能實驗管理平臺，根據(jù)權限處理各個子系統(tǒng)的事務，實時查看實驗室動態(tài)、環(huán)境、處理師生預約、發(fā)布各類通知等。學生能訪問相關網(wǎng)絡學習資源，部分實驗可在線完成實驗的預習、操作、提交實驗報告、向教師提問等。教師能在線部署實驗內(nèi)容（含操作小視頻、實驗指導手冊、實驗要求等），為學生答疑等。

圖3 智慧實驗室運作機制圖Figure 3 Operation mechanism of smart laboratory

4 智慧實驗室在實驗教學與管理中的應用

從實驗教學的角度，師生通過虛擬仿真實驗平臺實現(xiàn)了實驗教學的網(wǎng)絡化、信息化和智能化，實驗教學效果有較好地提升，學生的實踐創(chuàng)新能力得到了較好訓練。第一，解決了傳統(tǒng)實驗教學中高能耗、高危險、破壞性大、在實體實驗設備上難以實現(xiàn)等問題。例如《模擬電路》通過Proteus實現(xiàn)了差分放大器特性的對稱性驗證；《網(wǎng)絡信息安全》通過VMWARE等虛擬機環(huán)境實現(xiàn)了網(wǎng)絡攻防與病毒攻防等實驗；《物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)》借助虛擬仿真技術實現(xiàn)了停車場收費管理系統(tǒng)實驗?！疤搶嵔Y(jié)合”的實驗教學模式，使學生在虛擬仿真的實驗環(huán)境中充分運用所學理論知識，在實踐中提升動手操作能力和創(chuàng)新能力。第二，在線實驗教學環(huán)境打破了時空限制，學生通過自主反復多次練習，在課堂上實驗操作效果更好。

從實驗室管理的角度，傳統(tǒng)模式下一個實驗室工作人員只能管理臨近的幾個實驗室。在智能實驗室管理平臺的幫助下，一個實驗室工作人員通過實驗室視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能實時查看整個中心所有攝像頭采集的實驗室內(nèi)外數(shù)據(jù)（如圖4監(jiān)控視頻所示），大大提高了實驗室工作人員的工作效率，保障了實驗室的安全。同理，通過環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（如圖5環(huán)境監(jiān)測），能實時查看實驗室溫度、濕度、煙感、甲醛、空氣質(zhì)量，提醒實驗室工作人員及時通風，保證實驗室空氣質(zhì)量，為師生提供更優(yōu)質(zhì)的實驗室環(huán)境。

圖4 監(jiān)控視頻Figure 4 Surveillance Video

圖5 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)Figure 5 Environmental monitoring data

5 結(jié)束語

智慧實驗室建設是推進信息技術與高等教育深度融合，實現(xiàn)高等教育的內(nèi)涵式發(fā)展的必然需求。本文依托校園網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等信息技術，采用分布式架構，實現(xiàn)了智慧實驗室。它由虛擬仿真實驗教學平臺、智能實驗室管理平臺和實驗中心門戶網(wǎng)站組成。智慧實驗室的建設推進了實驗教學信息化與實驗室管理與服務的智能化與網(wǎng)絡化，提高了實驗室工作人員的工作效率，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教學實驗資源的共享，提高了實驗資源的利用率，促進了本科教學質(zhì)量的提升。