基于iLab三層架構(gòu)的智能共享實(shí)驗(yàn)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(lái)越多的高校在人才培養(yǎng)方案上都提高了實(shí)踐教學(xué)比例，這就對(duì)辦學(xué)條件尤其是實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和資源提出了很高的要求。對(duì)于有些專業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備非常昂貴，也需要極大的空間來(lái)放置，受到資金、場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室，因此，“共享實(shí)驗(yàn)室”便應(yīng)運(yùn)而生。

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，通過(guò)因特網(wǎng)共享實(shí)驗(yàn)室資源成為一種趨勢(shì)。學(xué)生不需要進(jìn)入現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)室，而是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)相關(guān)服務(wù)器，獲取操作實(shí)驗(yàn)的控制界面，然后通過(guò)這些人機(jī)交互界面控制并操作現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室里的各種儀器，從而完成實(shí)驗(yàn)。這種方式經(jīng)濟(jì)、高效而且可行，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)資源的遠(yuǎn)程共享，不僅豐富了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)資源，更是大大減輕了學(xué)校的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)負(fù)擔(dān)。

因此，1998年就開始研究共享實(shí)驗(yàn)室的MIT公布了iLab體系結(jié)構(gòu)，鼓勵(lì)更多的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)建設(shè)更多的遠(yuǎn)程共享實(shí)驗(yàn)室站點(diǎn)，可以方便的獲取來(lái)自MIT和其他高校的高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生得到更多的實(shí)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(shí)，由于價(jià)格昂貴，80多位學(xué)生不得不排隊(duì)共用唯一的一臺(tái)半導(dǎo)體參數(shù)分析儀來(lái)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問(wèn)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(shí)掛接8臺(tái)設(shè)備。10年后，當(dāng)時(shí)那個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)易的聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)擴(kuò)展成為由MIT計(jì)算機(jī)教育創(chuàng)新計(jì)劃中心（CECI）運(yùn)行的一個(gè)名為iLab的項(xiàng)目。該項(xiàng)目尋求讓麻省理工學(xué)院外的其他人也能夠使用MIT的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還為其他大學(xué)提供實(shí)驗(yàn)工具，使它們能夠創(chuàng)建自己的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。iLab讓學(xué)生能夠不限次數(shù)的重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到完全理解實(shí)驗(yàn)原理為止，沒(méi)有老師在旁批評(píng)也沒(méi)有后面排隊(duì)學(xué)生的催促。

2005年，大連理工大學(xué)成為國(guó)內(nèi)首家接入MIT遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（iLab）的高校，在校園內(nèi)就可以遠(yuǎn)程操作MIT實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了跨國(guó)際的優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源的共享。2017年7月29日，國(guó)家級(jí)眾創(chuàng)空間大公坊與中國(guó)智能硬件行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合打造的國(guó)內(nèi)首個(gè)“共享硬件實(shí)驗(yàn)室SHLab（Share Hardware Lab）”在深圳寶博會(huì)航城分會(huì)場(chǎng)揭牌，為全球硬件創(chuàng)客團(tuán)隊(duì)提供專業(yè)的供應(yīng)鏈管理解決方案。

3 國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室共享的困境

對(duì)國(guó)內(nèi)高校而言，實(shí)驗(yàn)室資源共享還存在諸多問(wèn)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(dāng)中各個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間相對(duì)獨(dú)立，較為封閉。負(fù)責(zé)人將實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備、軟件、師資等資源視為己有，寧可浪費(fèi)也不愿拿出與他人共享。另外，與其他高校實(shí)驗(yàn)室之間的交流較少，很少以發(fā)展的眼光看待問(wèn)題，總認(rèn)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(shí)驗(yàn)室共享的資源。此外，許多實(shí)驗(yàn)室為了維護(hù)自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)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(wú)用資源，而非真正的核心資源。總體而言，問(wèn)題在于現(xiàn)有高校實(shí)驗(yàn)室管理人員與操作人員資源共享意識(shí)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(shí)驗(yàn)室資源利用率普遍偏低。

2）資源共享體制機(jī)制不完善。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)已經(jīng)逐步成為各大高校關(guān)注的重點(diǎn)，一路走來(lái)，建設(shè)及運(yùn)行機(jī)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(duì)成熟。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)室資源共享的有關(guān)體制機(jī)制，還沒(méi)有形成體系。對(duì)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(zé)任的認(rèn)定等方面都沒(méi)有較為完備的機(jī)制約定，是造成實(shí)驗(yàn)室資源共享不能順暢進(jìn)行的主要矛盾點(diǎn)所在。另外，由于部分實(shí)驗(yàn)室資源是在一定程度內(nèi)公開使用的，部分還涉及付費(fèi)取用的問(wèn)題，關(guān)于資源共享成本的約定亦是一大問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)室資源共享中各項(xiàng)基礎(chǔ)成本的計(jì)算與成本分?jǐn)偙壤目刂剖欠衲鼙还蚕黼p方或多方所采納接受等問(wèn)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(lái)了極大的便利與進(jìn)步，在資源共享領(lǐng)域，相應(yīng)的技術(shù)手段也已達(dá)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(jiǎn)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(wú)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(shí)驗(yàn)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(jì)。如后期需要進(jìn)行資源共享，則需要通過(guò)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(dāng)前版本包含三個(gè)組成部分。其一，實(shí)驗(yàn)室所在校園內(nèi)需要設(shè)置服務(wù)器，用于控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其二，用戶界面，安裝在學(xué)生端計(jì)算機(jī)上、用于操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備的軟件，學(xué)生在客戶端能夠遠(yuǎn)程設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，編寫運(yùn)行腳本及代碼，上傳至系統(tǒng)，下發(fā)到設(shè)備上，觀察到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的響應(yīng)情況，然后由實(shí)驗(yàn)設(shè)備返回運(yùn)行結(jié)果至學(xué)生端。其三，服務(wù)代理，介于實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器和用戶界面之間，包括一個(gè)中間層服務(wù)器和與之交互的數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖1 iLab三層架構(gòu)

其中中間層是系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)與實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器通信，完成用戶身份識(shí)別、不同角色授權(quán)、從客戶端獲得對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的詳細(xì)設(shè)定、等待并從實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器上獲取數(shù)據(jù)等工作。學(xué)生機(jī)上的客戶端應(yīng)用程序負(fù)責(zé)把用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的各種數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)放到中間層服務(wù)器上，當(dāng)中間層服務(wù)器收到這些數(shù)據(jù)包的時(shí)候，就會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器。數(shù)據(jù)包里的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和命令在實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器及其相連的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上得到執(zhí)行，并返回結(jié)果，用戶再一次訪問(wèn)中間層服務(wù)器的時(shí)候就可以獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果了。

5 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)室共享平臺(tái)充分緩解了科研教學(xué)儀器閑置問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了資源的充分利用，對(duì)校內(nèi)來(lái)說(shuō)，教師可以方便的遠(yuǎn)程進(jìn)行課前準(zhǔn)備和課后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，學(xué)生可以在任何實(shí)驗(yàn)室以外有網(wǎng)絡(luò)的地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果論證，提高設(shè)備利用率的同時(shí)，也極大的增加了學(xué)生自學(xué)和進(jìn)行科學(xué)研究的時(shí)間和機(jī)會(huì)。對(duì)學(xué)校之間來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室資源的共享及最大化利用，減少重復(fù)購(gòu)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(shì)，如何合理規(guī)劃高校實(shí)驗(yàn)室資源，利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)手段加快實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室之間、校際之間的資源共享，使資源的利用率達(dá)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(diǎn)問(wèn)題。共享經(jīng)濟(jì)的大浪潮下，“共享”與“實(shí)驗(yàn)室”結(jié)合，這一創(chuàng)新共享模式會(huì)帶來(lái)意想不到的驚喜，而且目前國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)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。