基于iLab三層架構(gòu)的智能共享實驗室的研究

羅艷玲 楊守騰 張霽延 郝媛媛

（1.武漢工商學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 咸寧 437100）

1 引言

隨著“培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才”的興起，越來越多的高校在人才培養(yǎng)方案上都提高了實踐教學(xué)比例，這就對辦學(xué)條件尤其是實驗室設(shè)備和資源提出了很高的要求。對于有些專業(yè)來說，實驗設(shè)備非常昂貴，也需要極大的空間來放置，受到資金、場地、實驗人員的配備和培訓(xùn)等多方面原因的制約，并不是所有學(xué)校都有能力自建相應(yīng)的實驗室，因此，“共享實驗室”便應(yīng)運而生。

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，通過因特網(wǎng)共享實驗室資源成為一種趨勢。學(xué)生不需要進入現(xiàn)實的實驗室，而是通過網(wǎng)絡(luò)訪問相關(guān)服務(wù)器，獲取操作實驗的控制界面，然后通過這些人機交互界面控制并操作現(xiàn)實實驗室里的各種儀器，從而完成實驗。這種方式經(jīng)濟、高效而且可行，實現(xiàn)了實驗資源的遠程共享，不僅豐富了學(xué)生的實驗資源，更是大大減輕了學(xué)校的實驗經(jīng)費負擔。

因此，1998年就開始研究共享實驗室的MIT公布了iLab體系結(jié)構(gòu)，鼓勵更多的大學(xué)和研究機構(gòu)建設(shè)更多的遠程共享實驗室站點，可以方便的獲取來自MIT和其他高校的高質(zhì)量實驗，讓學(xué)生得到更多的實踐鍛煉。

2 發(fā)展背景

1998年，MIT的電子工程學(xué)教授熱蘇斯·德爾·阿拉莫（Jesúsdel Alamo）在講授晶體管物理學(xué)這門課時，由于價格昂貴，80多位學(xué)生不得不排隊共用唯一的一臺半導(dǎo)體參數(shù)分析儀來分析實驗數(shù)據(jù)。為了解決這個問題，阿拉莫讓學(xué)生幫他把儀器連接到了網(wǎng)絡(luò)上，并在分析儀的系統(tǒng)中增加“開關(guān)矩陣”，使得一套儀器可以同時掛接8臺設(shè)備。10年后，當時那個相對簡易的聯(lián)網(wǎng)實驗已經(jīng)擴展成為由MIT計算機教育創(chuàng)新計劃中心（CECI）運行的一個名為iLab的項目。該項目尋求讓麻省理工學(xué)院外的其他人也能夠使用MIT的實驗設(shè)備，還為其他大學(xué)提供實驗工具，使它們能夠創(chuàng)建自己的網(wǎng)絡(luò)實驗。iLab讓學(xué)生能夠不限次數(shù)的重復(fù)進行實驗，直到完全理解實驗原理為止，沒有老師在旁批評也沒有后面排隊學(xué)生的催促。

2005年，大連理工大學(xué)成為國內(nèi)首家接入MIT遠程實驗系統(tǒng)（iLab）的高校，在校園內(nèi)就可以遠程操作MIT實驗室設(shè)備，實現(xiàn)了跨國際的優(yōu)質(zhì)實驗資源的共享。2017年7月29日，國家級眾創(chuàng)空間大公坊與中國智能硬件行業(yè)協(xié)會聯(lián)合打造的國內(nèi)首個“共享硬件實驗室SHLab（Share Hardware Lab）”在深圳寶博會航城分會場揭牌，為全球硬件創(chuàng)客團隊提供專業(yè)的供應(yīng)鏈管理解決方案。

3 國內(nèi)實驗室共享的困境

對國內(nèi)高校而言，實驗室資源共享還存在諸多問題：

1）共享的思想觀念傳統(tǒng)落后。受到傳統(tǒng)思想觀念的影響，高校當中各個實驗室之間相對獨立，較為封閉。負責人將實驗室的設(shè)備、軟件、師資等資源視為己有，寧可浪費也不愿拿出與他人共享。另外，與其他高校實驗室之間的交流較少，很少以發(fā)展的眼光看待問題，總認為自己掌握的資源最為全面、權(quán)威，而忽視了他人的資源，導(dǎo)致不愿接受其他高校實驗室共享的資源。此外，許多實驗室為了維護自己獨特的優(yōu)勢地位，占據(jù)資源高地，不愿將自己的成果拱手相讓，從根本上抵觸資源共享。即使被要求共享，提供的資源也僅為邊緣性的無用資源，而非真正的核心資源?？傮w而言，問題在于現(xiàn)有高校實驗室管理人員與操作人員資源共享意識淡薄，全局觀念缺失，導(dǎo)致設(shè)備資源使用效益低，閑置率高，實驗室資源利用率普遍偏低。

2）資源共享體制機制不完善。實驗室的建設(shè)已經(jīng)逐步成為各大高校關(guān)注的重點，一路走來，建設(shè)及運行機制已日趨完善，尤其是在人才培養(yǎng)、教育教學(xué)、科學(xué)研究等方面，都已相對成熟。而對于實驗室資源共享的有關(guān)體制機制，還沒有形成體系。對于共享資源的內(nèi)容、共享的形式、共享的范圍、共享雙方的權(quán)利與義務(wù)、衍生責任的認定等方面都沒有較為完備的機制約定，是造成實驗室資源共享不能順暢進行的主要矛盾點所在。另外，由于部分實驗室資源是在一定程度內(nèi)公開使用的，部分還涉及付費取用的問題，關(guān)于資源共享成本的約定亦是一大問題。在實驗室資源共享中各項基礎(chǔ)成本的計算與成本分攤比例的控制是否能被共享雙方或多方所采納接受等問題仍需要深入考慮，這是涉及資源共享積極性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3）技術(shù)手段有限。科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展為現(xiàn)代教育事業(yè)帶來了極大的便利與進步，在資源共享領(lǐng)域，相應(yīng)的技術(shù)手段也已達到一定水平。網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的應(yīng)用大大降低了人們獲取資源、使用資源、分享資源的成本。但是，目前在資源共享領(lǐng)域，大多使用的仍然是簡單的網(wǎng)絡(luò)共享形式。出于資源的性質(zhì)與容量考慮，這樣的形式無法在全網(wǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用，大多只能限制于局域網(wǎng)絡(luò)。高校實驗室資源的建設(shè)初衷是為本校師生提供服務(wù)，故在資源架構(gòu)、安全性及保密性方面都做了特定的設(shè)計。如后期需要進行資源共享，則需要通過網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)做特殊處理，以滿足共享的不同需求。而參與共享的高校之間，由于基礎(chǔ)設(shè)備、技術(shù)手段、數(shù)據(jù)統(tǒng)一性、兼容性等方面的不平衡，將大大增加資源共享的難度。

4 iLab三層架構(gòu)介紹

iLab系統(tǒng)的當前版本包含三個組成部分。其一，實驗室所在校園內(nèi)需要設(shè)置服務(wù)器，用于控制實驗設(shè)備。其二，用戶界面，安裝在學(xué)生端計算機上、用于操作實驗設(shè)備的軟件，學(xué)生在客戶端能夠遠程設(shè)置實驗參數(shù)，編寫運行腳本及代碼，上傳至系統(tǒng)，下發(fā)到設(shè)備上，觀察到實驗室設(shè)備的響應(yīng)情況，然后由實驗設(shè)備返回運行結(jié)果至學(xué)生端。其三，服務(wù)代理，介于實驗室服務(wù)器和用戶界面之間，包括一個中間層服務(wù)器和與之交互的數(shù)據(jù)庫。

圖1 iLab三層架構(gòu)

其中中間層是系統(tǒng)的核心，它負責與實驗室服務(wù)器通信，完成用戶身份識別、不同角色授權(quán)、從客戶端獲得對實驗參數(shù)的詳細設(shè)定、等待并從實驗室服務(wù)器上獲取數(shù)據(jù)等工作。學(xué)生機上的客戶端應(yīng)用程序負責把用戶對實驗操作的各種數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，并通過網(wǎng)絡(luò)放到中間層服務(wù)器上，當中間層服務(wù)器收到這些數(shù)據(jù)包的時候，就會通過網(wǎng)絡(luò)傳給實驗室服務(wù)器。數(shù)據(jù)包里的實驗參數(shù)和命令在實驗室服務(wù)器及其相連的實驗設(shè)備上得到執(zhí)行，并返回結(jié)果，用戶再一次訪問中間層服務(wù)器的時候就可以獲取實驗結(jié)果了。

5 結(jié)論

該實驗室共享平臺充分緩解了科研教學(xué)儀器閑置問題，實現(xiàn)了資源的充分利用，對校內(nèi)來說，教師可以方便的遠程進行課前準備和課后實驗驗證，學(xué)生可以在任何實驗室以外有網(wǎng)絡(luò)的地方進行實驗操作和結(jié)果論證，提高設(shè)備利用率的同時，也極大的增加了學(xué)生自學(xué)和進行科學(xué)研究的時間和機會。對學(xué)校之間來說，實現(xiàn)了實驗室資源的共享及最大化利用，減少重復(fù)購置，節(jié)約了辦學(xué)成本。

總之，隨著現(xiàn)代教育水平的不斷發(fā)展，資源共享將逐步成為主流趨勢，如何合理規(guī)劃高校實驗室資源，利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)手段加快實現(xiàn)實驗室之間、校際之間的資源共享，使資源的利用率達到合理的水平，將成為研究人員及管理人員需要著力解決的重點問題。共享經(jīng)濟的大浪潮下，“共享”與“實驗室”結(jié)合，這一創(chuàng)新共享模式會帶來意想不到的驚喜，而且目前國內(nèi)高校實驗室共享方面都處于探索和起步階段，尚有很多的研究和發(fā)展空間。