廖 亮，王新強

（中原工學(xué)院電子信息學(xué)院，河南 鄭州 450052）

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的實驗室管理方法難以滿足電子信息類本科生高質(zhì)量進行各種創(chuàng)新和綜合實驗的要求。開放實驗室及其管理的電子化和信息化對電子信息本科生的各種創(chuàng)新和綜合實驗提供更好的方案。

開放實驗室在現(xiàn)有校園無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段和管理方式進行實驗資源的管理、協(xié)調(diào)和分配，從而實現(xiàn)高校教學(xué)的現(xiàn)代化，并且有利于高校學(xué)生學(xué)習(xí)的自主化和各種信息資源的共享。

一、開放實驗室的分層模式

由于電子類專業(yè)學(xué)生知識水平和動手能力不同，為了充分利用實驗室的資源和激發(fā)學(xué)生的興趣，實驗室可以采用金字塔分層次的開放、管理模式[1-3]。結(jié)合電子信息類學(xué)生的特點，我們采用基礎(chǔ)型、進階型以及創(chuàng)新型三級開放模式。結(jié)合具體的實驗教學(xué)實踐，基礎(chǔ)、進階和創(chuàng)新三個層次的軟硬件資源，學(xué)生人數(shù)所占整體的比例可以大致設(shè)定為50%、30%以及20%。根據(jù)不同高校的發(fā)展水平和學(xué)生素質(zhì)，各分層的比例可以在上述比例的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整。

（一）基礎(chǔ)開放實驗室

基礎(chǔ)實驗室面對低年級的學(xué)生開放，主要對低年級學(xué)生進行入門型的實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)和訓(xùn)練。除了對電子信息類低年級學(xué)生開放外，還對其他非電子信息專業(yè)的學(xué)生開放。承擔(dān)了全?；A(chǔ)型電子實驗的主要部分。

基礎(chǔ)實驗室主要包括電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)實驗（電工學(xué)實驗）、通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)實驗（通信原理實驗）以及多媒體信息處理基礎(chǔ)實驗（編程）三個方向?；A(chǔ)實驗室針對的是基本的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，目的是使學(xué)生對基礎(chǔ)的電子信息設(shè)備和工具有初步的認(rèn)識并動手實踐，在實踐過程中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，為進階型動手實踐奠定一定的基礎(chǔ)?；A(chǔ)實驗室通常對學(xué)生進行分組，每組由3～4人組成，每組除了教師的指導(dǎo)外，通常還有1～2 名的主力隊員，以幫助動手能力較弱的學(xué)生完成實驗。實驗完成后，各組的實驗結(jié)果需要進行驗收、評判、給出成績。

基礎(chǔ)實驗室培養(yǎng)學(xué)生的合作能力、動手能力和解決問題的能力，也用于發(fā)現(xiàn)有潛力、動手能力強的學(xué)生以推薦到進階實驗室進行實踐鍛煉。

（二）進階開放實驗室

進階實驗室主要面對的是學(xué)有余力的中高年級電子信息類本科生。在進階實驗室進行鍛煉的學(xué)生往往是在基礎(chǔ)實驗室中表現(xiàn)比較出色的學(xué)生。進階實驗室通常以電子設(shè)計競賽題目、教師的縱向科研項目以及與合作企業(yè)聯(lián)合開展的橫向研發(fā)項目為驅(qū)動。項目驅(qū)動模式在開放實驗室的人才培養(yǎng)中扮演重要的角色[4-5]。逐步鍛煉學(xué)生掌握電子信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)的方法，電子信息系統(tǒng)故障的檢測方法、熟悉和掌握各種跨平臺編碼環(huán)境。學(xué)生在進階實驗室中的鍛煉也是學(xué)生創(chuàng)新行為的孵化器。

進階實驗室的學(xué)生可以按照動手能力高低的原則進行分組搭配。進階實驗室中的學(xué)生圍繞往年的電子競賽題目、教師的縱向和橫向項目，除了完成指定的各項實驗任務(wù)外，還定期向?qū)W生公布一些具體的實驗項目，讓學(xué)生按照興趣進行選擇。此外，還鼓勵學(xué)生在一定范圍內(nèi)自由探索，從而大大提高了學(xué)生的興趣和動手能力。

（三）創(chuàng)新開放實驗室

創(chuàng)新實驗室主要面向高年級學(xué)生進行開放，進入創(chuàng)新實驗室的學(xué)生將為參加省級和國家級電子大賽進行提高和培訓(xùn)，或者以教師的橫向、縱向項目為依托進行電子信息系統(tǒng)的開發(fā)工作。為了提高開放實驗室的使用率，在競賽或科研項目結(jié)束后，創(chuàng)新實驗室也提供一定的進階實驗室的功能。創(chuàng)新開放實驗室和學(xué)院不少專業(yè)實驗室不定期地舉行交流活動。

進入創(chuàng)新實驗室的學(xué)生大多是從進階實驗室中表現(xiàn)比較優(yōu)異的學(xué)生中選拔出來的。創(chuàng)新實驗室中的各種電子信息設(shè)備比較先進，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并在一定程度上分解、消化科研項目中的各個子課題。

二、開放實驗室網(wǎng)絡(luò)信息化的設(shè)計與實現(xiàn)

利用分層和開放模式設(shè)計和建設(shè)的實驗室不僅有利于對不同能力的學(xué)生因材施教，而且有利于推動學(xué)科競賽，消化、分解科研工作以及營造優(yōu)良的學(xué)風(fēng)。為了實現(xiàn)分層和開放的設(shè)計模式，需要有效的網(wǎng)絡(luò)信息化系統(tǒng)為其提供技術(shù)上的支撐。

和傳統(tǒng)方法管理的開放實驗室相比，建立在網(wǎng)絡(luò)和各種信息管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上的開放實驗室能夠使學(xué)生在合理的時段靈活地進行實驗室的預(yù)約和登記。這種靈活的預(yù)約能夠很大程度上提高學(xué)生實驗的積極性，并有助于其創(chuàng)新能力的提升。開放實驗室的網(wǎng)絡(luò)信息化還有助于實驗室管理標(biāo)準(zhǔn)化和運行效率的提升。開放實驗室通常采用網(wǎng)絡(luò)登記、預(yù)約和身份鑒定。在無線通信時代，手機的客戶端進一步為這種網(wǎng)絡(luò)管理提供了“隨時隨地”的便利性。

預(yù)約實驗的教師和學(xué)生可以通過瀏覽器或者手機客戶端來訪問實驗室預(yù)約系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常以Web 服務(wù)提供開放實驗室的相關(guān)信息。服務(wù)器和實驗室門禁工作站互通，可以實現(xiàn)實驗室的預(yù)約和解約功能。預(yù)約實驗室用戶在約定的時間段內(nèi)通過IC 卡或者手機客戶端進入實驗室開始進行實驗，實驗完畢后再通過門禁系統(tǒng)刷卡或手機客戶端操作來進行注銷。預(yù)約和注銷等信息將通過連接門禁系統(tǒng)的計算機工作站上傳至主服務(wù)器，這些數(shù)據(jù)將作為校園網(wǎng)“大數(shù)據(jù)”的重要組成部分，為以后的數(shù)據(jù)挖掘和信息化決策提供基本的數(shù)據(jù)。

基于Web 服務(wù)的實驗預(yù)約/解約系統(tǒng)擺脫了人工等級和人工管理等各種不方便，供學(xué)生進行實驗室資源的查詢以及預(yù)約實驗室和實驗時間。系統(tǒng)通常以B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）為架構(gòu)提供開放實驗室的預(yù)約、審查和管理功能。普通用戶主要分為學(xué)生和教師兩種，教師可以在該系統(tǒng)中對個人資料、密碼信息進行編輯和存儲，也可以進行預(yù)約實驗室，錄入學(xué)生成績和修改成績。學(xué)生用戶可以對自己的資料、密碼進行保存和編輯，也可以進行實驗安排和實驗成績的查看。系統(tǒng)管理員為超級用戶，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中所有普通用戶的管理工作，可以添加、修改和刪除普通用戶的信息，同時負(fù)責(zé)審核普通用戶的在線預(yù)約。該系統(tǒng)通過Web 服務(wù)器連接校園網(wǎng)和移動終端公眾號，學(xué)生可以通過上網(wǎng)賬號和學(xué)號等信息進行實驗的預(yù)約。

Web 服務(wù)器所連接的后臺數(shù)據(jù)庫原則上應(yīng)該運行在不同的主機上，從而實現(xiàn)功能和數(shù)據(jù)在功能上以及物理上的分離。當(dāng)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，容易定位問題，也有利于系統(tǒng)的升級和維護。

為保證核心數(shù)據(jù)不丟失，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)采取雙機熱備份或者多機集群的技術(shù)來解決。其中雙機熱備份技術(shù)成熟，性價比高，因而受到了比較廣泛的應(yīng)用。雙機熱備份系統(tǒng)通常由RAID5 磁盤陣列和兩臺獨立的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)成。兩臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器在內(nèi)網(wǎng)上相互監(jiān)控彼此服務(wù)的情況，一旦主機器出現(xiàn)故障，服務(wù)將立即切換到從服務(wù)器上，系統(tǒng)切換時間很短，大大提高了系統(tǒng)的魯棒性。在正常運行的時候，主數(shù)據(jù)庫服務(wù)器向Web 服務(wù)器提供數(shù)據(jù)接口，并在指定時段內(nèi)向從服務(wù)器進行數(shù)據(jù)備份。

近年來，移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展和普及，為各種移動端應(yīng)用程序的迅猛發(fā)展提供了有力的支撐，其中移動終端公眾號成為我國應(yīng)用最為廣泛的移動互聯(lián)網(wǎng)程序之一，移動終端公眾號則為Web 服務(wù)和個人之間提供了一種新的通信方式。

開放實驗室的預(yù)約系統(tǒng)也可以通過公眾號進行架構(gòu)。程序開發(fā)者通過公眾號平臺接入信息，然后將接入的信息傳遞到移動終端公眾號平臺，并由公眾號平臺的服務(wù)器將信息轉(zhuǎn)送到應(yīng)用服務(wù)器。開發(fā)者將接收到的信息進行處理后，將處理的信息通過自己的服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給公眾號服務(wù)器，并由公眾號服務(wù)器發(fā)給最終用戶。

傳統(tǒng)的實驗室很難為學(xué)生和教師提供靈活的實驗室安排，而開放實驗室充分開發(fā)和利用實驗室，本著以學(xué)生為本的原則開放實驗室，因材施教，為學(xué)生提供必要的實驗環(huán)境以及靈活的時間安排。開放實驗室通過提供不同的實驗內(nèi)容讓學(xué)生靈活選擇，讓他們獨立設(shè)計完成實驗。這種時間和內(nèi)容上的靈活性能夠大大激發(fā)學(xué)生的主動性和求知欲，可以培養(yǎng)其良好的研究習(xí)慣，往往也會帶來更好的實驗效果。這種積極性的提高在綜合類實驗中極其重要[6]。

網(wǎng)絡(luò)信息化的建設(shè)使開放實驗室全天候?qū)W(xué)生開放成為可能。學(xué)生完成實驗的時間不盡相同，通常簡單的實驗在兩個科室都可以完成，比較復(fù)雜的綜合實驗、探索性實驗、課程設(shè)計以及電子競賽等實驗周期則較長，需要持續(xù)數(shù)周或者更長的時間。網(wǎng)絡(luò)信息化管理系統(tǒng)的開放實驗室在很大程度上可以靈活地安排時間和日程，大大提高了實驗設(shè)備的利用率，通過合理的實驗時間安排，可以保證學(xué)生獨享實驗設(shè)備，從客觀上提高了實驗的質(zhì)量[7]。

開放實驗室信息化的建設(shè)以及實驗設(shè)備效率的提升在很大程度上降低了實驗人員以及實驗時間的不確定性以及實驗內(nèi)容復(fù)雜多變的情況，降低了開放實驗室運行維護的成本，有利于實驗室的資源共享，確保了實驗教學(xué)的順利進行[8]。

三、身份鑒定和門禁系統(tǒng)

開放實驗室一個重要的組成部分是門禁系統(tǒng)。門禁系統(tǒng)可以采用模塊化的結(jié)構(gòu)和設(shè)計，以便系統(tǒng)維護的方便以及今后的系統(tǒng)升級。該系統(tǒng)通過內(nèi)網(wǎng)和實驗室安全系統(tǒng)相互連接，外部用戶不能訪問，該系統(tǒng)包含用戶門禁系統(tǒng)的IC 卡讀卡器、UPS 電源、智能鎖和發(fā)卡器等裝置。發(fā)卡器和內(nèi)網(wǎng)電腦終端相連，用戶鑒定學(xué)生的身份管理門卡信息。電腦終端也可以CSV 或Excel文件的格式批量輸入/輸出持卡人的身份信息，便于信息的共享，也可以臨時發(fā)卡，以及無條件開啟/關(guān)閉門禁系統(tǒng)。

近年來，移動物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展為利用移動終端進行門禁的身份鑒定提供了技術(shù)基礎(chǔ)。開放實驗室的門禁控制可以利用微信公眾平臺來完成。使用移動終端發(fā)消息獲取的門禁身份鑒定，不僅成本低，而且安全性高，移動終端用戶需要經(jīng)過管理員的認(rèn)證才能使用門禁系統(tǒng)。此外，校園網(wǎng)服務(wù)器和電子鎖的通信采用簽名驗證的機制，保證了安全、可靠地控制開放實驗室的電子鎖。

借助移動終端可以用較低的成本實現(xiàn)電子鎖的開啟，不會因為用戶增多導(dǎo)致門卡增多，從而增加成本，用戶也無須記憶密碼，也避免了門卡遺失的問題。雖然上述方案可以降低開放實驗室的管理成本，便捷性高，安全性在理論上也有保障。然而，目前在高校中使用移動終端開啟開放實驗室電子鎖的還是比較少的，其實際效果如何，還需要時間的檢驗。

四、結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)信息化規(guī)范了開放實驗室的管理，提高了開放實驗室的效率，充分開發(fā)了開放實驗室的潛力。一個現(xiàn)代化的開放實驗室給研究性學(xué)習(xí)、探索性學(xué)習(xí)以及合作性學(xué)習(xí)提供了必要的條件和便利，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，鍛煉了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生良好的習(xí)慣。另外，實驗教學(xué)的時間安排也更加靈活，學(xué)生的實驗機會、實驗時間都得到增加，因此實驗教學(xué)的質(zhì)量也得到極大的提高。信息化手段也為學(xué)生的實驗進行更加客觀、準(zhǔn)確的評價提供了便利。

開放實驗室是培養(yǎng)學(xué)生自主性和創(chuàng)新性的重要途徑，符合時代發(fā)展和人才創(chuàng)新的需求，給信息時代的教育教學(xué)注入了新元素。開放實驗室的信息化建設(shè)已經(jīng)成為高校教學(xué)改革發(fā)展的一個大趨勢，開放實驗室在電子信息類學(xué)生的教學(xué)實踐中起到越來越重要的作用，也是人才培養(yǎng)創(chuàng)新的一個必由之路。本文所論述的開放實驗室系統(tǒng)在我校運行多年，在提高電子類畢業(yè)生的培養(yǎng)質(zhì)量方面起到了重要的作用，今后該系統(tǒng)將進一步完善，深化實驗教學(xué)改革。