基于云平臺的計算機實驗中心信息化體系建設

王曉霞，王承明，徐 明，王 健，李 婧，馬宏姝，龔良玉

（青島農業大學實驗室管理處，山東青島 266109）

高校實驗室是進行實驗教學、科學研究的重要基地，是進行高水平科學研究和培養高素質應用型人才的重要資源和保障，承擔著人才培養、知識創新、社會服務等重要使命，是科技創新體系的重要組成部分，實驗室管理水平的高低對高校的發展起著至關重要的作用[1-2]。隨著高校教育體制改革的深入，尤其是各學科知識交叉滲透的日益強化，傳統的實驗室管理模式阻礙了實驗室功能的充分發揮，不利于實驗教學改革的開展，不能適應高等教育對于培養應用型創新人才以及現代科研項目的需要。如何利用現代信息化技術手段，讓實驗室管理流程化、簡潔化，以提高實驗室工作效率，從而提升實驗室服務教學的水平。因此，實現可持續發展成為重要的研究課題。

1 計算機實驗中心信息化建設背景

為更好地滿足教學、科研以及服務社會的職能需求，高校必須創新發展實驗室的管理理念和管理模式，用信息化技術加強實驗室的管理。智慧實驗室成為高校實驗室建設的重要指標，高校實驗室的信息化管理水平在某種程度上代表了人才的管理和培養水平。2019 年，為更加高效地滿足全校不同專業和不同層次學生對全面、系統的計算機實驗實踐教學環境和創新創業基地的需求，學校成立了校級計算機實驗中心[3]（以下簡稱中心）。

中心成立前，計算機實驗室分散在各個學院，存在管理方式落后、不規范，設備數量不足、先進性不夠、共享率低、專職實驗技術人員缺乏等問題。設備及實驗室管理采用傳統落后的人工模式，設備管理以單機管理為主，以還原卡、硬盤克隆等手段作為輔助，軟硬件管理維護非常困難，實驗室管理以紙質手工管理為主，管理流程復雜且管理效率低。中心的成立，實現了實驗室管理模式從分散式向集約化的改變，充分利用信息化管理手段，較好地解決了實驗室重復建設、設備利用率低、教學資源配置不合理等問題，更好地滿足了教學科研和社會服務的需求[4-6]。

2 中心信息化管理體系的建設

中心實驗室信息化管理體系采用先進的信息技術，將大數據、云計算、物聯網技術應用到實驗室管理中，優化了實驗室管理流程，打造基于云平臺、以智能數據為核心的標準化流程管理體系，有效地打破了傳統實驗室管理模式和實驗教學模式，改變了實驗室服務師生的方式，堅持“以生為本”的理念，由被動服務變為主動服務，高效利用實驗室資源，最大限度地發揮了實驗室的效益，達到更好地為教學、科研服務的目標。

2.1 中心信息化管理體系的系統架構

中心實驗室按功能主要劃分為公共基礎、軟件應用、虛擬仿真、圖形圖像處理、計算機輔助設計、云計算、智能數據分析與處理等幾大模塊，分布在信息樓和文經樓，各實驗室交換機通過光纖接入樓宇匯聚交換機，樓宇交換機接入中心核心交換機，最后接入校園核心交換機，實現了與智慧校園的對接，通過中心云桌面服務器實現了對各實驗室云終端的管理和維護，中心實驗室網絡拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 中心實驗室網絡拓撲結構圖

2.2 中心信息化管理體系的功能模塊

中心信息化管理體系主要包含實驗設備運維管理、智能物聯管控、實驗室信息化管理等幾大模塊，如圖2 所示。管理體系通過系統接口與智慧校園、教務系統等對接，實現校園統一身份認證、與教務系統信息共享等功能；通過電子設備，如手機、計算機、多媒體觸媒查詢機等進行信息交互；通過云技術，將硬件、軟件、網絡等資源統一起來，實現數據的計算、存儲、處理和共享，進而實現實驗設備的運維管理；通過智能物聯管控系統，實現實驗室的身份認證、視頻監控、遠程電源控制等功能；通過實驗室信息化管理系統，實現實驗室、實驗教學、實驗室開放、數據與報表等的管理，最終實現實驗室的規范化、信息化、智能化管理。

圖2 中心信息化管理體系結構圖

2.2.1 實驗設備運維管理模塊

實驗設備的高效管理與維護是實驗室信息化管理的前提。為滿足不同專業、不同年級學生的實驗實踐教學任務，實驗室需安裝和部署多種操作系統及軟件應用環境，傳統方式采用數據還原進行網絡同傳，存在網絡傳輸速度不穩定、硬盤頻繁讀取導致系統運行速度慢、管理人員維護工作量大等弊端。

隨著云計算、虛擬化技術的快速發展，虛擬化云桌面已快速應用于實驗室管理與教學中。云技術是指在廣域網或局域網內將硬件、軟件、網絡等系列資源統一起來，實現數據的計算、儲存、處理和共享的一種托管技術[7]。虛擬化技術是云技術的核心技術之一，所謂虛擬化，是指通過虛擬化技術將一臺計算機虛擬為多臺邏輯計算機，在一臺計算機上同時運行多個邏輯計算機，每個邏輯計算機可運行不同的操作系統，并且應用程序可以在相互獨立的空間內運行而互不影響[8]，從而顯著提高計算機的工作效率。目前，主流虛擬化技術有VDI、IDV、VOI 等，為滿足不同應用場景的需求，減少單一架構的局限性，中心采用了多種混合架構體系，如圖3 所示，利用其各自的優劣勢相互補充，滿足實驗教學、實驗室開放、社會化服務等多樣化需求。

圖3 中心桌面云體系架構圖

2.2.2 智能物聯管控模塊

智能物聯管控系統通過實驗室開放管理系統與配套智能數據采集終端硬件系統的聯動，實現對實驗室開放全過程的管理與控制。通過智能身份認證系統，只有被安排實驗或預約，并審核通過后的人員，才能通過電子班牌人臉識別或者電子門禁系統的身份認證，被授權出入實驗室和使用儀器設備；通過遠程電源控制系統，管理人員可對開放實驗室的電源進行開關、定時、預設等遠程控制，并實時查看各實驗室的用電情況；通過視頻監控系統，管理人員可實時查看實驗室動態，監控實驗室場地的安全及儀器設備的使用情況；通過智能儲物系統，進入實驗室的人員可使用儲物柜存儲物品，并且管理人員可隨時查看使用情況。

實驗室智能物聯管控系統依托物聯網的感知層、網絡層和應用層構建而成，如圖4 所示。感知層由無線傳感網、射頻識別（RFID）器件、嵌入式設備、二維碼等共同組成了前端信息采集和控制終端；網絡層由光載無線交換系統和其他網絡設備共同組成了基于TCP/IP 協議的可接入互聯網的網絡平臺；應用層由后臺數據中心、遠程客戶端和裝載在其中的各種應用程序共同組成，實現了對前端信息和控制終端的管理[9-11]。

圖4 中心智能物聯系統結構圖

2.2.3 實驗室信息化管理模塊

實驗室信息化管理模塊主要包括實驗室管理、實驗教學管理、實驗室開放管理三大功能模塊，其中，實驗室管理包含實驗室信息、實驗助理、數據與報表、信息發布的管理等。

1）實驗室管理模塊

在實驗室信息化管理系統中，通過實驗室信息管理，健全實驗室分室的基本信息及規章制度，包括實驗室名稱、實驗用房、儀器設備、負責人、聯系方式、管理單位等信息，實現實驗室各項工作的科學化、規范化、標準化；通過實驗隊伍管理健全實驗室管理人員的基本信息，規范管理人員的崗位職責、考勤簽到、人員變動、獲獎成果、評估考核等，以進一步優化管理人員結構，在業務考核、職務晉升等方面形成相應切實可行的政策；通過儀器設備管理全方位跟蹤儀器設備的購置、借用、維修和報廢全過程，全方位監督設備存放地點的建設及安全設施是否到位，真正做到場地及儀器設備的規范化和信息化管理，解決高校設備使用和管理脫節的問題。

中心積極引入勤工助學學生作為實驗助理，參與實驗室的運行管理，實驗室管理形成了以學生為主體的自我管理新模式[12]。在實驗助理管理系統中，實驗助理可根據實驗室課程安排情況和自己課余時間，靈活選擇工作時間及工作內容，在系統中進行值班安排；還可在系統中記錄工作過程中的問題，如實驗指導教師的反饋、實驗設備故障等。管理人員可在系統中實時查看實驗室運行情況及實驗設備使用情況，并對出現的問題及時進行處理，還可在系統中對實驗助理進行考勤及考核管理。

在數據與報表管理系統中，基礎數據模塊對實驗室各類數據進行自動采集與記錄，報表管理模塊對采集的數據進行統計分析后，以圖表、Excel、Word等方式導出，更加清晰、準確、整體、有對比性地呈現各項數據。在該系統中，不同角色具有不同的訪問權限，如實驗室管理人員可根據查詢實驗室的使用情況獲取實驗室運行數據，掌控實驗室的運行和開放狀態，對實驗室及設備的管理形成科學、有效的管理方式；部門領導可實時掌握實驗室建設、管理動態，查詢匯總各項數據，為學校領導宏觀管理和科學決策提供依據。

通過信息發布系統，管理人員可實時發布中心的基本情況，如中心概況、通知公告、排課信息、預約狀態等；定期發布實驗室管理及安全的學習培訓及技能考核；進行信譽積分管理，對不遵守實驗室規則、不按照實驗室課程安排上課、在平臺亂預約等違規行為進行管理等。

2）實驗教學管理模塊

實驗教學管理模塊是對實驗教學運行流程的管理，由實驗教學安排、實驗教學過程管理、實驗教學考核管理等模塊組成，涵蓋實驗教學管理的各個環節，如圖5 所示。

圖5 實驗教學管理框圖

在實驗教學安排模塊中，靈活可視化的實驗教學排課管理系統，含多種排課模式，指導教師可根據實驗教學計劃、實驗項目、學生人數、實驗室情況等進行智能排課，自動生成實驗課表；該系統與教務系統對接，能自動檢測實驗課表與理論課表是否沖突，并與理論課表合二為一，方便師生查看；優化了實驗課程調停的申請和審核管理，簡化了實驗指導教師的申請手續，方便了管理人員的審核管理，并為實驗室的有序開放打下基礎。

在實驗教學過程管理模塊中，指導教師可在課前根據實驗教學計劃表導入學生信息、預習資料、實驗指導、實驗報告模板、課后習題等資料，指導學生進行實驗；學生則可以通過系統進行課前預習和測試，記錄實驗過程和數據、提交實驗報告、課后練習、查看錯題及反饋、查看成績等。

在實驗教學考核管理模塊中，教師只需對學生提交的實驗報告進行手動審核評分，其他環節比如考勤管理、課前測試、實驗數據記錄、課后練習等，均由系統自動評定，最終給出學生的實驗成績，教師只需利用成績統計、分析和導出等功能對學生成績進行查看和管理，使得整個教學模式的實施變得方便、高效。

從實驗教學模式的整個實施過程來看，課前、課中和課后三個階段相互依存，有機結合成為一個整體[13]。

3）實驗室開放管理模塊

實驗室開放是指實驗室在完成計劃內教學及科研任務的前提下，利用現有師資、儀器設備等實驗條件，面向學生開放，供學生進行實驗學習和科學研究[14]。為提高設備的利用率和共享率，充分發揮實驗室功能，中心除承擔全校各個層面的計算機類實驗實踐教學任務外，還面向校內外進行開放。

在實驗室開放管理系統中，管理人員可根據實驗教學計劃及實驗室使用情況，對教學型實驗、科研型實驗以及開放自主型實驗進行統籌安排，如圖6所示。針對不同實驗室設置不同開放屬性，如實驗室開放或者實驗項目開放，靈活設置實驗室開放時段及開放對象，并實現對實驗室開放的預約、審核等管理制度。通過實驗室開放管理系統，師生可根據需要提交預約申請，管理人員審核后授權其開放的實驗室、實驗項目、儀器設備等，被授權的人員通過身份認證后進入實驗室使用儀器設備；管理人員通過機房管理系統實時監控儀器設備的使用情況，過程監管可精確到單臺儀器設備或單個人員，如查看某臺設備使用人員、使用時間等，或查看某個學生的實驗項目、實驗數據、考勤等。

圖6 實驗室開放管理框圖

實驗室開放管理系統真正實現了對實驗室、儀器設備、人員、使用時間、實驗項目、實驗物品及耗材等所有真實數據的采集，并以真實數據為基礎，通過數據分析功能，自動生成數據統計與分析圖/表，實現了實驗室管理人員對實驗室開放的高效管理。

3 中心信息化管理體系的效果

高校實驗室在科技創新、國民經濟建設和社會發展中起著越來越重要的作用，實驗室信息化管理體系的使用，全面提高了高校實驗室的管理及教學水平，產生了巨大的經濟效益和社會效益。

3.1 統一、集中化的管理模式

統一、集中化的管理模式，提高了設備利用率，節省了資金投入。通過云計算虛擬化技術的使用，管理人員可以通過網絡在服務器端對所有計算機進行統一管理，實現了跨機型、跨實驗室、跨樓層的集中管理[15]。通過信息化管理體系，管理人員可根據教學和科研計劃，統籌安排教學、科研及自主實驗，在時間、資源、管理方式和服務等方面全方位統一，最大限度提高了實驗室及儀器設備的利用率。利用虛擬化技術強大的設備兼容性，可以有效對配置較低，不能滿足教學需求的計算機進行再利用，減少了購置新設備的資金投入。通過實驗室管理系統與物聯管控系統，根據教學需求、課時安排、學生人數等可以對實驗室及儀器設備的使用進行動態的開關與調整，有效避免了傳統模式下大量實驗室、設備無端浪費的情況，有效節省了電能消耗，并延長了設備生命周期，為學校節省了開支。

3.2 信息化、智能化的管理模式

信息化、智能化的管理模式，促進了教育信息化與實踐教學的深度融合。在物聯網技術支持下的高校實驗室從各個方面都實現了智能化、信息化的變革，這些創新變革為高校智慧實驗室的構建提供了一個全面智能感知的實驗實踐教學環境。多維一體的信息化管理體系，以信息化手段促進了實踐教學的現代化，如實踐教學管理的自動化、實踐教學內容的數字化以及實踐教學軟硬件資源的共享化，最大限度地提升了全校相關專業的實驗實踐教學質量，最終實現高校服務經濟社會發展的目標。

3.3 開放式的運行模式

開放式的運行模式，有利于培養創新應用型人才。實驗室信息化管理體系輔以成熟的物聯互聯的技術和設備，在確保場地、設備和人員安全的前提下，將實驗室、儀器設備、師生等多個核心要素有機地銜接起來，可以實現24 h 不間斷運行，保障實驗室從時間到空間、從人員到設備全方位開放，實現了實驗室開放預約和實驗過程自動監控，基本實現了實驗室的全面開放。

實驗室的全面開放，增加了學生的實踐機會與時間，提高了學生的學習積極性，激發了學生學習探索的動力，提高了學生分析解決問題的能力及實踐操作的能力，為培養具有創新能力和創新思維的復合應用型人才提供了保障。在教師的引導和組織下，學生們從各級競賽活動開始，逐步將競賽活動與實驗室開放項目緊密結合[16]，促進了學生跨學科、跨專業進行創新型實驗。中心搭建了多學科交叉融合的創新創業平臺，將“雙創”項目及各類競賽活動與實驗室開放項目緊密結合，為學生的創新創業提供了場所，實現了實驗、實習、創新、創業的相互結合，并形成了良性循環，實現了創新性人才培養模式，推動了高校未來可持續發展。

4 結束語

中心信息化管理體系通過一段時間的試運行，已初見成效。體系的應用提高了管理效率，減少了人員配置，提升了資源利用率，優化了實驗室環境，在全面開放共享式管理、全方位服務模式創新、創新應用型人才培養等方面做了有益的探索與實踐。