高校計算機實驗室科學規劃建設體系分析探索與實踐

李居英，李 欣，田鐵強，張 瑋，王俊文

（太原理工大學 化學化工學院，山西 太原 030024）

太原理工大學于2017 年經教育部審核批準為“雙一流”重點建設高校，為構建高水平一流實驗室提供了新機遇。計算機實驗室是學生開展各類課程和創新實踐的主要場所，計算機實驗教學已貫穿各類課程教學、實驗環節的全過程，承擔的教學、科研、創新實踐等任務幾乎覆蓋所有專業。為適應時代發展，推動學校“雙一流”建設，學校對5 個計算機實驗室進行建設改造，進一步強化實驗室的功能，加強教學科研的保障能力[1]。

1 計算機實驗室改造建設的意義

實驗室是學校科技創新上水平、上臺階的基礎保證，體現學校實驗、科研水平的重要窗口。為緊跟學校改革發展的腳步，2019 年1 月，實驗室完成改造建設目標，計算機數量由原來兩個自然班擴充到三個自然班，并于2019 年2 月春季學年投入使用，按時展開實驗教學、科研等全部工作。此次實驗室改造建設，是對實驗室整體水平強力提升，為學校“雙一流”建設提供了強有力的基礎保障。開放計算機實驗教學、創新實踐平臺的應用，為學生自主學習、雙創提供了便利條件和場所，充分調動了學生主動學習的熱情和積極性，有效提高學校實驗教學、科研創新的質量和水平。

高校“雙一流”建設離不開高水平實驗室，而高水平實驗室首先要有先進儀器設備做支撐。工欲善其事，必先利其器[2]，加之當今計算機網絡技術飛速發展，計算機設備（包括計算機、光纜、交換機等）是計算機實驗室建設的根基。實踐證明，先進的儀器設備不僅能快速完成查閱、計算，更重要的是能獲取更好、更可靠的實驗數據，大大提高實驗精度，而優質、精準的實驗數據又能進一步催生更高端的科研成果，大量降低人力成本，因此，計算機實驗室建設直接關系到高校教學改革與科技創新的發展，直接影響到“雙一流”實驗室建設的發展腳步。

2 計算機實驗室改造建設規劃的思路

2.1 實驗室環境文化建設

（1）優美的室內文化環境。鑒于北方城市灰塵較大，對墻面粉刷油漆、改造門窗（以防塵及安全為主），墻壁懸掛名人名言字畫，美化環境，激勵學生努力學習，奮發進取。

（2）計算機合理布局。實驗室改造后實現三個自然班同時開展實驗教學，科學設計、合理利用空間十分重要。計算機布局采用沿鋁合金槽兩邊對應設計，便于學生之間互相交流、學習，方便教師輔導和學生出入，利于安全，對實驗室維護一目了然。

（3）適宜的溫濕度環境。適宜的溫度和濕度，能夠保障計算機設備的可靠性及穩定安全工作，延長使用壽命。實驗室要必備空調，通常情況計算機工作安全溫度控制在 10～30 ℃，濕度控制在 40%～70%，經常保持實驗室良好通風和環境整潔。計算機長期過熱、潮濕、積塵都會造成其運行不穩定，縮短使用壽命。

（4）合理布設網線。合理布線可以保證計算機正常運行、降低故障發生率、便于網絡維護，保障計算機正常通信，進而提高實驗教學效率。

合理、整潔、安全的實驗室環境，營造出濃郁的文化學習氛圍，有利于學生知識構建和能力培養。

2.2 實驗室基礎安全建設分析

（1）保障用電安全。實驗室計算機數量多，各種布線復雜，總電源開關應配置三相電源，鋪設地線，嚴防漏電。配置應急電源設備（如 UPS）、備用發電機等，如電力供應突然停電時，學生實驗數據得以保存，計算機數據免遭丟失，保護設備。管理人員應經常檢查總電源空氣開關是否接觸良好，如有松動要及時擰緊，保證計算機、通信設備供電安全穩定。每次實驗完畢，關閉所有主機、顯示器電源，以防下次接通電源時由于過大電流沖擊，造成電源開關短路，發生電路火災事故。

（2）環境安全管理。實驗室必備滅火器，安裝避雷器，嚴防火災、水災等自然災害發生。室內多余門窗拆除，保持消防通道暢通。

（3）網絡傳輸介質安全要求。網絡傳輸設備的安全性直接關系到網絡信息安全，網絡傳輸介質包括電力電纜、通信電纜等，應嚴防這些設備被截斷，否則會造成計算機數據丟失、信息失真，嚴重時會造成整體網絡系統中斷，后果不堪設想[3]。

2.3 完善實驗室日常工作日志建設

實驗室面向全校師生開放，每學期開學時教師須到教務部實驗管理系統中錄入實驗名稱、時間、班級和教師信息，實驗人員根據系統排課情況安排實驗。改造后的實驗室有上百臺計算機，出入實驗室人流量大，一天可達600～700 人次，服務教學、科研任務繁重。所以，建立健全的實驗室工作日志對于管理好實驗室非常重要。具體包括記錄實驗室每日開放的具體工作管理情況、各專業學生上機實驗情況、每臺設備使用與維護情況、學生科技創新實踐活動情況等。完善實驗室各項規章制度，包括學生實驗規則、教師守則、實驗室安全制度等。實驗設備管理專人負責，人人有責，這樣，進入實驗室的教師、學生有章可循，井然有序地進行實驗教學、科研實踐。保證每日所有設備正常運行，充分利用實驗室先進設備和資源，提升實驗室工作效率。

3 計算機實驗室優化設計建設的實施

3.1 實驗室網絡安全信息化建設

（1）網絡環境建設分析。實驗室網絡環境建設十分重要，對局域網結構、設備性能、帶寬鏈接速度等進行全面分析，力爭打造一流網絡安全信息化實驗環境。在“雙一流”大學建設背景下，實驗室網絡安全信息化建設不僅要立足現在，更要放眼世界，優化網絡環境對承擔高水平科學研究和人才培養，以及承擔國家、省部級重點科研項目的研發創新十分重要。作為高校教學、科研實踐平臺的重要組成部分，計算機實驗室要充分利用互聯網海量信息資源，為學生學習、科研實踐，提供低成本、便利化、全要素開放式共享綜合服務平臺，為學校教學、科研、學生創新創業等提供良好實踐支撐。

（2）局域網組網建設分析。網絡是師生獲取信息、數據資源及各種服務方便、可靠的工具，為保證網絡環境的穩定、可靠和先進性，保障實驗教學正常運行，使師生快速、準確獲取各種信息數據，實驗室局域網采用網絡技術先進的“思科”交換機等網絡實驗設備。“思科”設備技術性能優良、具有配置靈活、兼容性強、支持協議類型豐富、有良好的系統開放性等特點，能夠有效減少故障發生率。網絡數據線采用優質超五類4 對非屏蔽PVC 千兆雙絞線纜，交換機與校園網之間由一對千兆光纖連接，具備超強高速傳輸功能。網絡設備性能同時滿足教學、遠程多媒體應用。隨著網絡科技快速發展，IP 網能夠不斷提升更新[4]，確保網絡安全穩定運行，從而保證實驗教學的效率和質量。

（3）拓撲結構布局分析。實驗室局域網拓撲結構按照星型結構布局，從功能上劃分成兩個學生區（東區和西區）和教師區三部分。教師區是管理整個實驗室的教師用機區，通過遠程和學校教務部連接，可實時查詢各專業實驗排課情況。千兆網速可為學生提供優良網絡環境，快速上網訪問查詢，并進行遠程學習。東、西實驗教學區為網絡設備集中存放區，是課程實驗教學的核心區域，按照網絡布線共分6 組，根據實驗室空間結構，東、西區各為3 組計算機，東區1 組為 8 臺，2、3 組各 12 臺，西區 1 組為 16 臺，2、3組各26 臺，每臺計算機配置一塊千兆網卡，外網從學校信息中心網絡地址池自動獲取 IP 地址[5-6]。圖 1 為計算機實驗室局域網拓撲圖。

圖1 計算機實驗室局域網拓撲圖

星型拓撲結構是由核心節點和其他節點組成，采用專用網絡設備（交換機）作為核心節點，工作站通過雙絞線逐一連接到核心節點上，核心節點和每一個節點單獨連接，數據傳輸采用點對點連接，任2 個節點之間的通信都需要通過核心節點來完成。其特點：①網絡傳輸快。核心主干帶寬達到1000 Mbps，工作站帶寬由交換機分流，用雙絞線組成1000 Mbps 快速以太網。②配置靈活、擴充簡單。網絡結構延伸、軟件升級、設備擴展無障礙。③網絡傳輸穩定。如果工作過程中任一端口發生故障，對整個網絡、工作站均無影響，只影響點對點連接的工作站。故障診斷和維修方便、及時，確保網絡正常、穩定運行。

3.2 網絡背景下計算機數據系統環境建設

（1）硬件數據保護建設。計算機硬件數據維護采用“HP 增霸卡”恢復系統，是一種純軟件網絡系統數據、硬件管理工具，具備實時復原、資料存儲、網絡多點同步傳輸、IP 自動分配、遠程維護等功能[7]，具有與硬件還原系統同等功能。如使用硬件還原，一臺計算機要增加近600 元設備費。使用“HP 增霸卡”可節省大量資金。

（2）軟件數據系統智能化恢復。“HP 增霸卡”復原系統集網卡、數據保護及網絡拷貝于一體，能夠成批量對實驗室教學、科研等數據及時更新、安裝，具有超強網絡管理功能，無論是計算機病毒、人為誤刪改，甚至在計算機系統崩潰情況下，只要重啟計算機都可實時恢復。具體應用中，通過復原系統中“網絡拷貝”功能，全部傳輸裝有約100 GB 左右軟件數據母盤，將數據多點同步傳輸到網絡中每臺工作站，恢復100 臺計算機數據只需0.5 h 左右。教學過程中需要增加數據，選擇復原系統中“增量傳輸”，復原系統自動識別增量，傳輸2 GB 左右數據，僅需1 min 左右百十臺計算機便傳輸完成，快速又不影響原有數據，方便、快捷、安全，充分保證計算機系統穩定性和實驗教學正常運行。

3.3 實驗室開放實驗環節分析建設

改建后的實驗室，先進的儀器設備為學校“雙一流”建設奠定了堅實基礎。為適應學校建設發展，實驗室加大了開放力度，從周一到周日全天開放10 h 左右，為師生學習提供了更為寬松的環境。實驗室根據學校各專業特點，開設了以下實踐環節，以 2018—2019 第二學期為例，表1 為實驗教學計劃學生培養情況，表2 為第8 周實驗教學排課班級數。

表1 實驗教學計劃學生培養情況

表2 第8 周實驗教學排課班級數

（1）基礎、專業實驗。基礎、專業實驗是各專業學生必修的實踐環節，學生按照教師布置的課程實驗要求，完成各項實驗，鞏固所學知識。

（2）仿真實驗。仿真實驗是各專業計算機教學的重要實踐環節，學生通過仿真實驗系統平臺，在虛擬仿真環境中學習、實踐，加上其真實動感界面，使知識寓于趣味之中，虛擬與現實相結合，得到各種有效實驗數據。充分培養學生掌握科學實踐的方法，激發學生探索與創新的動力。

（3）文獻檢索。文獻檢索也是各專業學生的必修課，除進行常規中英文檢索外，實驗室通過“美國化學文摘數據庫”，在固定時間、地點、IP 進行外文強化檢索，獲取更多、更高質量科研數據和信息。

（4）課程與畢業設計。學生根據教師擬定的課程設計任務書和畢業設計論文題目，開展文獻調研，提出設計方案，撰寫開題報告，獨立完成實驗，獲取相關數據，最終得出結論，完成課程與畢業設計論文。充分培養學生分析、解決問題的能力和獨立實驗的實踐能力，滿足學校教學改革和學生個性化發展需要[8-9]。

（5）學生科技創新。開放實驗室為學生營造一個自由發展空間，學生可隨時到實驗室進行科技創新，根據自身興趣愛好，挖掘自身潛能，進行創新實踐活動。通過各層次自主實踐培養學生自我管理能力和獨立科研能力。

4 計算機實驗技術隊伍建設

4.1 思想道德素養建設

高等教育擔負著為社會進步培養和輸送德、智、體、美、勞全面發展的高級優秀人才重任。實驗人員要時刻牢記，堅定信念，立足本職崗位，學習發揚“大國工匠”精神，培養高尚的職業道德和操守，盡職盡責，無私奉獻，不被金錢利益所驅使[10-11]。

4.2 專業技術能力建設

實驗技術隊伍建設是加快推進高校“雙一流”建設進程、提高教學質量的重要保障[12]。積極引進高學歷人才，充實加強實驗隊伍技術力量；保證實驗技術隊伍職稱晉升，充分調動其積極性，為學校教學、科研發揮最大價值；積極選派實驗技術人員外出交流學習，拓寬知識面，提高專業技術水平和文化素質。

4.3 育人服務意識建設

作為“雙一流”大學建設者，實驗人員同樣要有一流的育人服務意識。育人服務意識不強直接影響實驗教學水平、科研成果產出、學生能力培養。每位教育工作者，在一生職業教育生涯中，需要無私傳授給學生知識，引領學生，關愛學生，教會學生做人真諦、生存本領，成為國家、社會合格的建設者和接班人。

5 結語

改建后的計算機實驗室呈現出優質、精準、高效的新氣象，學生學習的積極性高漲。計算機實驗室建設管理是一項長期、復雜、艱巨的系統工程，高校實驗人員必須加倍努力，不斷研究和探索新技術的發展，認真吸取高水平大學先進的管理經驗、技術和理念，盡快縮小與世界一流大學差距，更加科學合理地建設實驗室。同時，積極推進建設一支與“雙一流”大學建設相適應的具有一流實驗教學水平、先進教育理念、扎實科研學識、愛崗敬業、品德高尚的優秀實驗技術隊伍，樹一流標準、練一流本領、創一流業績，為加快學校“雙一流”建設發展努力進取，為高等教育事業發展作出更大貢獻。