胡榮亮　郭明遠

摘? 要：隨著智能化技術的高速發(fā)展，高校計算機實驗室應與時俱進，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術，打造智慧實驗室。高校智慧計算機實驗室建設以物聯(lián)網(wǎng)建設為基礎、以互通互聯(lián)為原則、以智慧數(shù)據(jù)平臺為核心，將物理基礎設施、教學過程、實驗室管理互聯(lián)互通，打造統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)計算機實驗室教學管理、基礎設備管理、數(shù)據(jù)實時統(tǒng)計分析為一體的智慧實驗室建設。

關鍵詞：智慧計算機實驗室;信息技術;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP308? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0186-03

Abstract：With the rapid development of intelligent technology，university computer laboratories should keep pace with the times and make full use of the internet of things，big data，cloud computing and other new generation of information technology to build smart laboratories. University wisdom computer lab construction on the basis of the construction of internet of things，with each other for the principle，the wisdom data platform as the core，the physical infrastructure，teaching process and laboratory management，interconnection，build a unified data platform，realize computer laboratory teaching management，infrastructure management，data real-time statistical analysis for the integration of intelligence laboratory construction.

Keywords：intelligent computer laboratory;information technology;internet of things

0? 引? 言

傳統(tǒng)計算機實驗室通常是按某一門課程的需要來設置實驗室，根據(jù)課程需要安裝相應的計算機軟件，實驗室管理劃歸各學院，相應的實驗教學則下發(fā)到各學院系部自行安排，高校的各個實驗室大多是處于相對獨立、封閉式的管理體制。隨著高校教育體制改革的深入，尤其是各學科知識的交叉滲透近年來日益強化，傳統(tǒng)計算機實驗室的建設管理模式弊端突出。例如實驗室功能單一、利用率低、數(shù)據(jù)資源共享匱乏、實驗教學形式簡單枯燥等。需要突破傳統(tǒng)實驗室管理模式的藩籬，建立綠色環(huán)保、低碳低耗、智能舒適的實驗與管理環(huán)境，智慧計算機教室的建設為此提供了很好的突破機遇。

1? 高校計算機實驗室發(fā)展

1.1? 高校計算機實驗室的發(fā)展階段劃分

從聯(lián)網(wǎng)類型上來說，高校計算機實驗室的發(fā)展可以大致分為三個階段：單機時代、局域網(wǎng)時代、互聯(lián)網(wǎng)時代。

1.1.1? 單機時代

早期的計算機價格昂貴，計算機實驗室的計算機數(shù)量也通常非常有限，而且多以單機形式存在，采取相當集中的使用方式供教學與科研使用。

1.1.2? 局域網(wǎng)時代

隨著計算機技術的快速發(fā)展，90年代初，高校計算機實驗室開始采用同軸電纜、雙絞線進行連接，到了90年代后期，計算機在高校的諸多活動中得以廣泛應用，計算機實驗室變得越來越重要。

1.1.3? 互聯(lián)網(wǎng)時代

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，在90年代末，高校開始大力興建校園網(wǎng)絡，計算機實驗室也全面接入互聯(lián)網(wǎng)[1]。計算機實驗室作為校園網(wǎng)中的子網(wǎng)，涉及計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡搭建、課程實訓等諸多內(nèi)容，多學科、多領域的技術發(fā)展在實驗室中得以全面綜合應用，成為師生學習計算機技術、拓展學術視野、革新教育教學的重要場地，高校信息化進入一個高速發(fā)展的階段。

1.2? 計算機實驗室建設

計算機實驗室建設有別于其他專業(yè)實驗室，最為明顯的特征就是計算機設備更新快、使用率高、故障率高、管理困難。計算機實驗室目前已成為全校的公共實驗室，日常使用率超高、工作時間較長（通常每天十幾個小時）、人流量大、用機秩序混亂（學生隨意換機、隨意開機）、各類公用軟件的管理與維護等問題讓管理人員疲憊不堪。信息技術手段的迅速發(fā)展為管理人員提供了現(xiàn)代化的數(shù)字管理手段，擺脫了傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡管理方式。當前，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等各類網(wǎng)絡的組合讓智能手機、平板、穿戴設備等移動設備活了起來，全面實現(xiàn)了“5W”學習，即滿足任何人、任何時間、任何地點、以任何學習方式、學習任何內(nèi)容。而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展讓校園里的幾乎所有物體都成為一個終端，如窗簾、大門、甚至桌椅板凳都可以與我們的智能設備實現(xiàn)連接。面對當前智能化技術的高速發(fā)展，高校計算機實驗室再也不能僅僅滿足于提供簡單的上機服務，而應該與時俱進，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術，打造智慧實驗室，充分發(fā)揮各項智慧技術，以人的智慧，促進智慧教學、智慧學習，全面提升實驗教學質(zhì)量，這也是未來高校發(fā)展的趨勢和特征。

2? 智慧校園與智慧實驗室

2.1? 智慧實驗室的概念解讀

智慧實驗室概念由智慧地球引申而來，智慧地球概念，最早是由IBM公司于2008年提出，最初的含義是指運用最為前沿的信息技術手段，推動產(chǎn)業(yè)或社會生態(tài)系統(tǒng)互動，重新構建全球運行模式。此概念主要有三個核心要素：物聯(lián)化、互聯(lián)化、智能化。具體來說，智慧地球的最終目標是期待現(xiàn)代信息技術能夠在各行各業(yè)得以應用，各類感應器、傳感器等與網(wǎng)絡連接，在全球如醫(yī)院、物流、鐵路、倉庫、電力、水利等的各行各業(yè)，全部實現(xiàn)互聯(lián)互通，形成全球范圍的物聯(lián)網(wǎng);最后，依賴現(xiàn)代超級計算機實現(xiàn)云計算，讓人類以更加便捷、高效、數(shù)字化的方式生活，提升全球智慧水平，最終實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)=智慧地球[2]。

隨著智慧地球概念的普及，隨之而來的智慧城市、智慧校園便隨之而生，作為智慧校園的組成部分之一，智慧實驗室無疑也要繼承“三化”的核心要素，對物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術的設計與運用是當前智慧實驗室建設的重點內(nèi)容。

2.2? 智慧校園與智慧實驗室建設

目前，智慧校園建設已在國內(nèi)各大高校如火如荼地進行著，智慧校園包括很多方面，例如智慧教學、智慧辦公、智慧節(jié)能、智慧實驗室、智慧學習等等，如圖1所示。隨著智慧校園建設的不斷深入，智慧實驗室建設亦成為智慧校園的核心內(nèi)容之一，其主要建設內(nèi)容是實現(xiàn)與智慧校園平臺的數(shù)據(jù)、服務和網(wǎng)絡融合，由此，智慧實驗室的建設目標也隨之不斷拓展、提升。

（1）以物聯(lián)網(wǎng)為核心的深層感知測量、捕獲和傳遞信息的設備全方位地獲取教學過程中的各項數(shù)據(jù)以供智慧校園使用。諸如監(jiān)控攝像機、移動設備、智能化門禁系統(tǒng)、智能化節(jié)能系統(tǒng)、電腦和多媒體終端、GPS、溫濕度傳感器等。這些新設備和系統(tǒng)，可以全面獲取師生在實驗室教學過程中涉及到的各種信息，包括師生考勤、課堂信息化設備使用率等，同時將相關數(shù)據(jù)即時發(fā)送給智慧校園統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，以供智慧校園后期的大數(shù)據(jù)分析。

（2）以互聯(lián)網(wǎng)為核心的網(wǎng)絡通過能夠?qū)⒏鞴铝⒌臄?shù)據(jù)全部實現(xiàn)關聯(lián)、把網(wǎng)絡中各類數(shù)據(jù)進行匯聚并轉(zhuǎn)換成信息。有線網(wǎng)、無線網(wǎng)、移動網(wǎng)絡、藍牙、紅外等，各種形式的通信網(wǎng)絡方式將傳感器、攝像頭、GPS、個人電子設備等物聯(lián)網(wǎng)設備信息全面連接互通，即時交互，實現(xiàn)資源共享、實時監(jiān)控。

（3）以智能化為核心的大數(shù)據(jù)分析平臺將信息變成可用知識。利用統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的核心數(shù)據(jù)內(nèi)容，實現(xiàn)對學校各類信息的匯集、存儲、分類、整合，同時進行分析，從教學實際需求出發(fā)，挖掘統(tǒng)計各類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)信息，信息轉(zhuǎn)知識，知識成為智慧，為實驗教學改革、學校未來發(fā)展提供決策依據(jù)。

3? 以“三化”理念打造物聯(lián)、互聯(lián)、智慧的計算機實驗室

實驗室作為智慧校園中的一個重要學習科研環(huán)境，筆者所參與建設的計算機實驗室承擔著所在高校計算機基礎公共教學、編程教學、軟件教學等提升學生信息技術能力的主要任務，在實驗室的設備、軟件、使用管理等諸多方面亟待智慧提升。因此，筆者所參與建設的高校全力打造智慧計算機實驗室，期待能夠綜合計算機、通信、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代網(wǎng)絡信息最新技術，為實驗、儀器設備管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等提供數(shù)據(jù)與決策支持，形成數(shù)據(jù)規(guī)范，提高儀器設備的使用效率，更好地為教學實驗、科學研究服務，打造綠色、環(huán)保、低碳、低耗、智能、舒適的實驗環(huán)境。

根據(jù)智慧校園的三大核心要素，依據(jù)智慧計算機實驗室建設的實際需求，筆者所參與建設的智慧計算機實驗室建設分為三步，即第一步物聯(lián)層建設、第二步互聯(lián)層建設、第三步智能層建設，如圖2所示。

3.1? 物聯(lián)層建設

智慧計算機實驗室的物聯(lián)層建設主要包括實驗室智慧門鎖、智慧窗簾、智慧桌椅等基礎設施的物聯(lián)網(wǎng)建設[3]。目前，筆者參與建設的高校已全面實現(xiàn)智慧門鎖、智慧電路、設備集成管理等基礎物聯(lián)網(wǎng)層的建設?，F(xiàn)階段物聯(lián)層主要由傳感器、致動器、可編程的邏輯控制器（PLC）和分布式智能傳感器組成。以控制引擎為基礎，將實驗室內(nèi)各項智慧設施進行連接，通過傳感器捕獲數(shù)據(jù)，通過智慧平臺經(jīng)視頻和數(shù)字信號處理，予以控制。物聯(lián)網(wǎng)建設的核心中樞是智慧平臺的建設，所有的基礎數(shù)據(jù)最后均需要匯聚至智慧平臺，基礎的智慧設施將實驗室資源虛擬化，機房所有的IT資源使用云終端、云系統(tǒng)、云服務器、云存儲，實現(xiàn)師生隨時隨地獲取?，F(xiàn)階段，該單位已將全校公共設施用電全部集成至校內(nèi)后勤智慧服務平臺，實現(xiàn)全自動智能啟?？刂?，光控、溫控及紅外感應等基礎控制系統(tǒng)圖建設完備。全面實現(xiàn)實驗室按時自動開放、自動簽到、上下課、自動節(jié)能、自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度、自動調(diào)節(jié)室內(nèi)光線功能，且校內(nèi)智慧校園建設二期已經(jīng)建成，可以自動搜集智慧課堂及實驗室教學相關數(shù)據(jù)并發(fā)送至智慧教學平臺。

3.2? 互聯(lián)層建設

智慧計算機實驗室的互聯(lián)層建設起到了承上啟下的重要作用，數(shù)據(jù)獲取、傳遞均要依靠互聯(lián)層的建設。基于上述物聯(lián)層建設，單位的互聯(lián)層承載著整個計算機實驗室的所有數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)層的大量數(shù)據(jù)按照預定傳輸協(xié)議輸入互聯(lián)層，匯總到數(shù)據(jù)平臺中心，例如筆者所參與建設的高校計算機實驗室教學過程中的所有相關數(shù)據(jù)，包括教學平臺使用情況：實驗室承擔課程的信息管理，排課、教師、班級安排，作業(yè)、試題、考試等情況;課余時間的自由開放管理：上機卡發(fā)放、計時、上機情況統(tǒng)計等;對實驗室內(nèi)的機器的控制;以及計算機用戶的登錄信息、計費、管理等其他功能。

上述各類數(shù)據(jù)的來源各不相同，數(shù)據(jù)格式也不一致，在互聯(lián)層的建設過程中必須予以充分考慮，采取何種信息連接方式能夠全面整合、統(tǒng)一各類信息直接關系到整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。目前常見的連接傳輸方式包括Wi-Fi、Bluetooth、Z-Wave、ZigBee、ANT Wireless、NFC、RS-232、雙絞線、光纖等等。

3.3? 智慧層建設

智慧層建設是整個智慧計算機實驗室建設的核心內(nèi)容，其中最為重要的就是智慧數(shù)據(jù)管理中心的建設。在筆者的具體實踐過程中，智慧層數(shù)據(jù)中心建設預先定義了管理模塊，自行定義數(shù)據(jù)中心時間編組管理模塊，通過預定義的觸發(fā)事件、時間編組和預案進行組合，匹配人員干預提示。在實踐中，爭取盡可能地將各類不同數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)中心標準規(guī)范匯聚，全部數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚至中心。目前，筆者所建設的高校已經(jīng)初步建成了面向服務的架構模型，數(shù)據(jù)管理中心已能夠初步對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和分析，在一定程度上幫助了管理人員對實驗室優(yōu)化管理，提高了管理效率。具體來說，該單位已通過對物聯(lián)網(wǎng)傳來的實驗室考勤和實驗室進出情況信息進行實時分析，實時得出學生和各類人員的出勤、工作情況，讓教師和實驗室的管理人員能夠全面了解實驗室的使用情況，全面保障教學和設備的正常運轉(zhuǎn)。此外，通過智慧層數(shù)據(jù)中心的建設實現(xiàn)綜合智能化管理，獲取實驗室場所、設備、環(huán)境的各類情況數(shù)據(jù)，方便對設備設施的維修、借用、使用申請等常規(guī)業(yè)務的數(shù)字化管理，大大提高了管理人員的工作效率和服務水平。此外，大量的數(shù)據(jù)積累能夠為當前各類實驗室評估、建設規(guī)劃及年終各類數(shù)據(jù)的報送等提供數(shù)據(jù)支持。

4? 結? 論

智慧計算機實驗室建設必然成為下一階段高校實驗室建設的重點內(nèi)容，以物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術手段，通過物聯(lián)、智能化等方式，將計算機實驗室中的物理基礎設施、教學過程、管理過程互聯(lián)互通，實現(xiàn)自動化管理和監(jiān)控，并為決策、管理提供數(shù)據(jù)支持，保障實驗室教學，打造舒適、智慧的實驗環(huán)境，必將加快整個校園智慧化的進程。

參考文獻：

[1] 車轔轔，孔英會，趙建立，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室設計 [J].實驗技術與管理，2013，30（10）：212-215.

[2] 賴程鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實驗室的研究與設計 [D].保定：華北電力大學，2015.

[3] 崔升廣.高等院校智慧實驗室建設研究與應用 [J].遼寧省交通高等專科學校學報，2016，18（5）：58-60.

作者簡介：胡榮亮（1979.02-），男，漢族，安徽肥東人，工程師，本科，研究方向：教育技術學;郭明遠（1988.08-），男，漢族，安徽壽縣人，助理工程師，本科，研究方向：計算機教育。