以大數據為背景的高校計算機實驗室建設與管理

常青

[摘? ? 要] 大數據的推廣與應用日趨成熟，在此背景下，在高校構建順應信息化時代發展的計算機實驗室，將實驗、科研、教學緊密結合，實現了數據的采集、儲存、分析和計算。本文不僅分析了目前高校計算機實驗室的建設需求，還研究利用大數據、云計算、計算機技術和通信技術，搭建了實驗管理平臺的整體架構，提出了目前實驗室存在問題的建設管理解決方案。

[關鍵詞] 大數據;云計算;實驗室

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 05. 086

[中圖分類號] G482? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）05- 0218- 02

1? ? ? 高校大數據計算機實驗室建設需求分析

1.1? ?目前傳統的計算機實驗室現狀

近幾年全國各高校均已建設了智慧校園，開展了信息化教育，在實驗室的授課過程中共享諸多教育資源，但同時也存在一些不足。

（1）實驗室所購置的電腦硬件配置不同，個別實驗室設備較為陳舊，個別機型不適應某些教學軟件的需求。

（2）高校的計算機實驗室往往承擔全校的計算機公共課程，利用率高，與此同時，設備的損壞率也高。

（3）學生在計算機實驗課上經常會使用U盤、移動硬盤等存儲設備，這些存儲設備可能會存在木馬程序或病毒，導致電腦中毒或是局域網內中毒。即便使用殺毒軟件或保護卡的還原功能，個別病毒仍防不勝防。

1.2? ?利用現代技術手段，確保實驗室具備數據挖掘和云計算的能力

高校的計算機實驗室，主要功能就是滿足課程的基本上機操作，但是在大數據的背景下，實驗室需要在網絡及數字化教育資源共享的基礎之上，充分地利用云計算、通信技術、智能控制等技術，創造智能、環保的計算機實驗環境。因此，對于高校計算機實驗室的建設與管理還需達到以下幾點：

（1）搭建集數據的處理、存儲、分析、采集和資源管理能力的服務集群，可以利用大數據和云計算技術進行項目管理。

（2）實驗室可以利用大數據技術為學生提供個性化的服務，并提供大數據的實驗資源，運用云計算平臺來為學生提供一個教學與實踐相結合的實驗環境。

（3）全方位的圍繞計算機的課程特點，在高校計算機實驗室可以實現不同課程的相互結合，使實驗室具備教學和科研相結合的服務能力。

2? ? ? 高校計算機實驗室的建設方案

建設兼具云計算和大數據處理能力的計算機實驗教學環境是現在教學模式亟待發生的一項變革。一項合理的建設解決方案可以推動教學課程的改革，可以推動教學模式和手段的轉變。

按照計算機實驗課程的特性，我們用物聯層、互聯層和智能層的三層架構模式來構建計算機實驗室。

（1）物聯層包括云平臺建設和物聯網建設兩部分。

云平臺建設就是將計算機實驗室的云終端、云服務器、云系統等實驗室的資源虛擬化，所有的教學“云”資源，可以隨時來獲取，提高了資源利用率。實驗室的用戶私有云，不僅可以阻止計算機病毒的入侵，還可以更大限度地保護用戶的隱私。同時云平臺的搭建，還有效減少了實驗室的管理人員工作量，降低了終端維護管理的難度。

物聯網通過無線互聯技術，無線連接傳感器、致動器和控制器[1]。利用傳感器來捕捉數據，再將視頻信息和數字信號進行精密處理。除此以外，物聯網還可以針對特定目的進行設計——可以利用攝像頭監測學生在實驗室的實驗情況;可以利用傳感器傳輸并獲取實驗室的溫濕度;可以設置門禁系統來保證實驗室的使用安全等等。上述情況只需通過傳感設備收集數據，再將數據傳輸至互聯層即可進行處理、集成和管理。

（2）互聯層可以通過物聯層和實驗室管理系統來進行數據處理。

通過Web服務或是某種協議，將物聯層捕捉到的數據傳輸至互聯層，再將這些數據統一匯總至數據中心進行集中處理。

實驗室管理系統的數據主要包括實驗設備的基本信息、實驗課程的相關信息（比如排課情況，作業的發送及回收等）、上機的登記和統計、對實驗室內每一臺機器的登錄控制、用戶賬號信息的維護、統計、查詢功能。以上數據的格式不同，來源也不同，但都會映射至系統事件的服務中，再結合存儲于學校其他相關系統的信息，對初始數據進一步過濾。將數據建模和數據識別相結合，形成新的數據源，并對其進行優化，以便為實驗室提供更為準確的信息服務。

（3）智能層涵蓋了環境監測、開放預約、遠程監控、電力監測和人員監測功能。

智能層依托互聯層提供的數據，融合優化事件管理和規則等應用程序，提高數據的分析和可視化能力。智能層還將提供如自定義管理、預定義觸發事件、遠程通告、遠程處理等模塊，對各個類別的對象實施實時的智能化監測[2]。利用相關數據，集成統計工具和數學算法， 在智能層做進一步的擴展。通過面向服務的架構模型來進行數據的轉換與分析，再通過分析功能收集相關數據，進行結果預測、數據建模、風險評估與決策。

環境監測模塊一方面按照光線的強度和用戶位置，運用光線傳感器，來對實驗室內的照明設施及計算機屏幕自動的調節明亮度。另一方面可以對實驗室內的溫濕度進行設置，以便自動調節室內的通風和空調溫度;根據系統所顯示的實驗室內的空余位置可以采用開放預約模塊進行實驗室預約;遠程監控模塊可以有效地對照明、空調和網絡等儀器設備的連接及使用進行監控;為保證實驗室內動力系統運行的穩定性，采用對實驗室內的電源、UPS、防雷系統等動力設施進行遠程的電力監測模塊;為保證實驗室的安全，可以通過攝像頭對實驗室內的人員進行監控，制定相關的安全權限，對維護人員實施授權，記錄未授權人員，可采用人員監測模塊。

3? ? ? 建設方案總體框架

具有高效、安全、可靠、開放和可擴展性能的面向服務型架構，是計算機實驗室所需遵循與搭建的總體框架。綜合實驗室的硬件設施與軟件平臺，可以分為四層建設，即應用層、云服務平臺層、虛擬資源層和基礎設施層[3]。

（1）應用層主要包括教師和學生在計算機實驗課程中的教學活動，以及對教學資源的應用處理。

（2）云服務平臺層就是軟件的項目管理平臺，主要通過云計算服務來進行項目管理、任務管理、代碼管理和日志管理。

（3）虛擬資源層包括對網絡數據的管理、網絡儲存設備管理和計算機云資源的虛擬管理。

（4）基礎設施層是指實驗室的計算機、存儲設備、網絡設備、分析處理設備和服務器等物理設備。

對上述四層建設進行重點規劃，高校的計算機實驗室建設才能更為合理，實驗室的資源調配和使用才能達到最佳效果，實施統籌規劃，實現資源共享，可以極大限度地提高教育教學的成果。建設大數據型計算機實驗室，可以促進教學與實踐的改革，利用這種新的教學手段和教育模式，可以采集和處理學生的學習行為信息，為學生打造一個更為實用更為完善的實驗環境。

4? ? ? 實驗室的管理方案

在大數據的背景下，若需提高計算機實驗室的管理水平，應結合實驗室的實際情況，規劃并完善出從實際情況出發，與時俱進的實驗室管理方案。設計實驗室管理方案，要充分考慮到實驗室的課程、資源調配、用戶所具有的資源權限、實驗考核等多方面內容。與此同時，也需要建設云服務平臺、云資源管理平臺和虛擬平臺[4]。

（1）云服務平臺：可以對云數據進行分析與處理。對實驗課程中任務的發布、分解、測試、驗收等多方環節實施線下管理，提高了教師的教學與學生的實踐能力。

（2）云資源管理平臺：該平臺可以為計算機的實驗教學提供素材和數據資源，也可以重復利用設計素材、設計案例、測試庫等過程性資源，提高了資源庫的利用率，保障了教育教學活動的順利展開。

（3）虛擬平臺：在云計算數據中心將計算機實驗室的數據和存儲資源 ，通過虛擬平臺，結合數字化技術，由物理資源向虛擬化資源轉換，同時按照用戶要求提供云桌面服務。虛擬平臺可以支持云桌面的基礎架構，可以支持云技術的異構模式，使云接入更為穩定，云技術的移動能力更強。對跨學院、跨學科、跨專業的計算機實驗課程管理、發布和融合，提供了更為安全可靠的技術支持。

5? ? ? 結? ? 語

在大數據的背景下，高校的計算機實驗室應摒棄以往的管理與建設模式，需要建設具備配套高開放性和高擴展性的管理平臺。構建安全可靠的管理平臺，可以提高學生的工程意識和實踐能力。同時，將云技術與計算機實驗室的有機融合，充分發揮了實驗室的功效，實現了實驗室的智能化，可以為高校的實驗教學與科研活動提供最佳的服務。

主要參考文獻

[1]楊龍.基于大數據和人工智能的高校信息化服務研究[J].實驗技術與管理，2018，35（11）：153-156.

[2]王軍號，杜朋，黃娟.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[J].教育教學論壇，2018（18）：13-14.

[3]廖軍，張毅，王成良，等.高校大數據實驗室建設體系研究與分析[J].實驗技術與管理，2018，35（11）：241-244.

[4]彭一明，范雪松，龍新征.構建物聯、互聯、智能化的智慧計算機實驗室[J].實驗技術與管理，2016，33（2）：216-219.