大數據、云計算和物聯網技術在高校計算機實驗室開放建設中的應用研究

王軍號 杜朋 黃娟

摘要：以大數據、云計算和物聯網技術為核心，運用“互聯網+”的理念，拓展計算機實驗室教學與管理的時間和空間，構建全新的實驗室開放管理模式，把數據挖掘、網絡實驗和在線化管理有機結合起來，實現對實驗室、實驗儀器與安全管理的規范化和信息化，提高實驗室開放建設的服務水平與管理水平。采用大數據處理技術，為實驗器材采購、實驗室評估和實驗室建設等實現全面控制、管理和決策提供有力的數據支持。整個系統建設完成后，能夠達到智慧學、智慧教、智慧管的目的。

關鍵詞：實驗室；開放建設；大數據；云計算；物聯網

中圖分類號：G482 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）18-0013-02

以“互聯網+”為代表的新時期重要的思想與技術潮流，推動了大數據、云計算、物聯網等與傳統產業相結合，正日益成為創新驅動發展的先導力量，影響越來越深刻。在這種大背景下，中國高等教育領域也發生著巨大的變化。大數據、云計算和物聯網技術正推動教育自身發生著變革，未來教育在互聯網等技術的作用下將變得越來越個性化[1]。

實驗室是高校的重要教學場所，實驗室的建設管理在教學活動中至關重要。在信息技術變革的浪潮沖擊下，傳統的高等教育實驗教學和管理方法受到挑戰。開放式實驗室建設是高等教育改革的方向，是培養具有創新意識和創新能力人才的重要步驟[2]。

一、建設背景

當前隨著實驗室建設的不斷發展，我校現有的計算機實驗室管理手段在教學組織和管理模式的實際運行中的問題日益突出，與建設智慧校園的要求不符，集中體現在以下幾個方面：（1）上課開門、下課關門的傳統方式導致實驗室和儀器資源在空閑時間無法利用，而且設備無法共享，造成資源浪費。（2）無法給學生提供自主學習的環境，也無法滿足創新與進步的需求，以實驗教師為主、學生被動接受的教學模式必然受到全新挑戰，這也是實驗室開放教學所面臨的一大典型問題。（3）實驗設備比較多，管理較為困難，教師工作量大增，同時缺乏實驗室開放的信息發布、實驗預約、數據決策等信息化管理手段。

在這種背景下，為了解決實驗教學中存在的上述問題，適應我校智慧校園建設的要求，按照“互聯網+”的思想，把全新的大數據、云計算和物聯網技術與理念用于建設計算機實驗室，便于進一步完善資源配置，優化教學功能定位，改進教學方法與理念，這也正好契合了學校建設發展新校區的設計定位。

二、系統的建設框架

在充分調研和論證的基礎上，結合我校計算機實驗室的建設與應用情況，突出開放性這一特征，提出引進信息手段，建設開放式實驗室管理系統。項目建設以實驗教學改革為核心，依托開放式實驗室管理系統的支撐，改革傳統的實驗課程教學模式。通過信息化手段開放教學資源，深化實驗教學管理，建設培養學生自主學習和創新實踐能力的教學環境。以能力培養為主線，將實驗項目面向學生全面開放，以滿足學生日益高漲的自主學習和個性化發展的需求；實行教師指導下的學生自主實驗，努力培養學生的學習能力、實踐技能和創新思維，切實提高實驗教學效果、教學管理與服務水平[3]。

圍繞滿足開放性這一要求對系統軟硬件進行升級、更新或替換，新的開放教學管理模型將學生管理系統、教師管理系統、實驗室管理系統、安全管理系統、設備管理系統、信息發布管理系統等全面納入體系，以大數據、云計算和物聯網技術為核心，構建全新的實驗教學管理模式，滿足開放性教學與培養創新人才的需求[4]。

三、系統的網絡拓撲結構

運用“互聯網+”的思想，以大數據、云計算和物聯網技術為核心，把實驗室、互聯網和智能化設備相聯結，形成統一的涵蓋設備接入、數據處理和綜合應用的網絡信息中心；融合無線網絡通信、綜合布線、安全防范、自動控制、多媒體等學科的技術，建立開放性、創新性、協作性和智能型的綜合實驗信息平臺；教師、學生和管理人員充分獲取不同的教學資源，實現教育信息資源的有效采集、分析、服務和應用，不僅可實現各類接入設備的聯合教學，還可以實現各類應用場景的模擬，為用戶構建起一個高效、靈活的實驗環境[5]。

四、系統的平臺建設

1.物聯網感知平臺。以物聯網感知技術為基礎，對實驗室進行信息化設計，實現實驗室開放管理的智能化，建立基本的智慧實驗室模型。以實驗室為主要設計載體，運用物聯網技術，充分利用各類傳感器采集環境數據，實現實驗室的安全管理。利用物聯網技術，實現智能化的設備出入庫管理，提高實驗室資產管理效率[6]。采用TCP/IP協議實現實驗室的在線實驗，使實驗室的管理更加便捷、智能。

2.云課堂平臺。云課堂平臺是充分挖掘云計算的資源和服務，整合學校現有的實驗教學資源和教學系統，將云技術和教育應用緊密結合，解決傳統實驗教學過程中出現的諸多問題，實現實驗室控制集中化、管理智能化、維護簡單化，將計算機實驗室帶入云的時代。通過云計算技術將實驗室教學資源充分整合、云化，根據用戶的需求將桌面計算機的計算和存儲資源（包括CPU、硬盤、內存）集成為不同規格的虛擬機，以服務的方式提供給用戶，從而提高資源的利用率，增強管理維護的靈活性。通過桌面云、園區WIFI、移動網絡和安全接入網關等設備實現終端的泛接入，使實驗室管理員和學生充分享受到移動辦公、移動教學的便利。

3.大數據處理平臺。采集各種教學數據和管理數據，有學校的設備采購數據、專業設置數據、人才市場需求信息、教學計劃、課程表、實驗教學資料、實驗報告書、實驗成績等；有各種相關專業的網站，如谷歌開發者網站、電子發燒友網站以及學生學習興趣信息等；還有來自物聯網感知平臺的相關數據。運用大數據處理技術，采用數據過濾、數據清洗、數據挖掘等技術，分析挖掘各類數據信息，綜合應用教育學、計算機科學、心理學和統計學等多個學科的理論和技術來解決教育研究與教學實踐中的問題，輔助管理人員做出決策、幫助教師改進課程以及提高學生的學習效率。有針對性的制定管理模式和實驗教學模式，因材施教，帶來最佳的教學體驗，構建全新的實驗教學和管理模式，同時為實驗器材采購、實驗室評估、實驗室建設及實驗教學質量等實現全面控制、管理和決策提供有力的數據支持。

五、結論

以建設智能化的新校區為契機，依托大數據、云計算和物聯網技術，運用“互聯網+”的理念，為我校構建全新的實驗室開放管理模式，把數據挖掘、網絡實驗和在線化管理有機結合起來，分享思想，共用資源。充分整合網絡課程、教學管理系統、網絡開放資源、教學思想和實驗設備，其核心是智慧學、智慧教、智慧管。學習者、教學者、管理者從不同入口進入系統，協同工作，資源共享，突破時間和空間的限制，可實現大規模網絡化學習和在線化管理，既增加了設備的使用率，又提高了學習效率，滿足開放性教學與培養創新人才的需求。

參考文獻：

[1]何云亮.“互聯網+”對高校的沖擊和重塑[J].曲靖師范學院學報，2015，（3）.

[2]姚莉.物聯網平臺上智慧實驗室的設計研究[D].淮南：安徽理工大學，2016.

[3]王慧淵.基于物聯網技術的智能實驗室的研究與實驗[D].杭州電子科技大學，2014.

[4]吳文華，楊慶.智能實驗室管理系統下的實驗室開發管理[J].實驗技術與管理，2011，28（2）：172-197.

[5]溫小琴.智能實驗室管理系統下的實驗室開放管理研究[J].無線互聯科技，2015，（22）：131-132.

[6]李建芯.智慧實驗室資產管理系統設計[D].北京：北方工業大學，2016.