電子信息類大學(xué)生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室分層管理及其通信信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)①

廖 亮，王新強(qiáng)

（中原工學(xué)院電子信息學(xué)院，河南 鄭州 450052）

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理方法難以滿足電子信息類本科生高質(zhì)量進(jìn)行各種創(chuàng)新和綜合實(shí)驗(yàn)的要求。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室及其管理的電子化和信息化對(duì)電子信息本科生的各種創(chuàng)新和綜合實(shí)驗(yàn)提供更好的方案。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室在現(xiàn)有校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段和管理方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)資源的管理、協(xié)調(diào)和分配，從而實(shí)現(xiàn)高校教學(xué)的現(xiàn)代化，并且有利于高校學(xué)生學(xué)習(xí)的自主化和各種信息資源的共享。

一、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的分層模式

由于電子類專業(yè)學(xué)生知識(shí)水平和動(dòng)手能力不同，為了充分利用實(shí)驗(yàn)室的資源和激發(fā)學(xué)生的興趣，實(shí)驗(yàn)室可以采用金字塔分層次的開(kāi)放、管理模式[1-3]。結(jié)合電子信息類學(xué)生的特點(diǎn)，我們采用基礎(chǔ)型、進(jìn)階型以及創(chuàng)新型三級(jí)開(kāi)放模式。結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，基礎(chǔ)、進(jìn)階和創(chuàng)新三個(gè)層次的軟硬件資源，學(xué)生人數(shù)所占整體的比例可以大致設(shè)定為50%、30%以及20%。根據(jù)不同高校的發(fā)展水平和學(xué)生素質(zhì)，各分層的比例可以在上述比例的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整。

（一）基礎(chǔ)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室面對(duì)低年級(jí)的學(xué)生開(kāi)放，主要對(duì)低年級(jí)學(xué)生進(jìn)行入門型的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)和訓(xùn)練。除了對(duì)電子信息類低年級(jí)學(xué)生開(kāi)放外，還對(duì)其他非電子信息專業(yè)的學(xué)生開(kāi)放。承擔(dān)了全?；A(chǔ)型電子實(shí)驗(yàn)的主要部分。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室主要包括電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（電工學(xué)實(shí)驗(yàn)）、通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（通信原理實(shí)驗(yàn)）以及多媒體信息處理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（編程）三個(gè)方向?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)的是基本的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，目的是使學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)的電子信息設(shè)備和工具有初步的認(rèn)識(shí)并動(dòng)手實(shí)踐，在實(shí)踐過(guò)程中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，為進(jìn)階型動(dòng)手實(shí)踐奠定一定的基礎(chǔ)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)室通常對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，每組由3～4人組成，每組除了教師的指導(dǎo)外，通常還有1～2 名的主力隊(duì)員，以幫助動(dòng)手能力較弱的學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后，各組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要進(jìn)行驗(yàn)收、評(píng)判、給出成績(jī)。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)學(xué)生的合作能力、動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力，也用于發(fā)現(xiàn)有潛力、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生以推薦到進(jìn)階實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)踐鍛煉。

（二）進(jìn)階開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室

進(jìn)階實(shí)驗(yàn)室主要面對(duì)的是學(xué)有余力的中高年級(jí)電子信息類本科生。在進(jìn)階實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鍛煉的學(xué)生往往是在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)比較出色的學(xué)生。進(jìn)階實(shí)驗(yàn)室通常以電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目、教師的縱向科研項(xiàng)目以及與合作企業(yè)聯(lián)合開(kāi)展的橫向研發(fā)項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的人才培養(yǎng)中扮演重要的角色[4-5]。逐步鍛煉學(xué)生掌握電子信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法，電子信息系統(tǒng)故障的檢測(cè)方法、熟悉和掌握各種跨平臺(tái)編碼環(huán)境。學(xué)生在進(jìn)階實(shí)驗(yàn)室中的鍛煉也是學(xué)生創(chuàng)新行為的孵化器。

進(jìn)階實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生可以按照動(dòng)手能力高低的原則進(jìn)行分組搭配。進(jìn)階實(shí)驗(yàn)室中的學(xué)生圍繞往年的電子競(jìng)賽題目、教師的縱向和橫向項(xiàng)目，除了完成指定的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)外，還定期向?qū)W生公布一些具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生按照興趣進(jìn)行選擇。此外，還鼓勵(lì)學(xué)生在一定范圍內(nèi)自由探索，從而大大提高了學(xué)生的興趣和動(dòng)手能力。

（三）創(chuàng)新開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室主要面向高年級(jí)學(xué)生進(jìn)行開(kāi)放，進(jìn)入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生將為參加省級(jí)和國(guó)家級(jí)電子大賽進(jìn)行提高和培訓(xùn)，或者以教師的橫向、縱向項(xiàng)目為依托進(jìn)行電子信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。為了提高開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的使用率，在競(jìng)賽或科研項(xiàng)目結(jié)束后，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室也提供一定的進(jìn)階實(shí)驗(yàn)室的功能。創(chuàng)新開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室和學(xué)院不少專業(yè)實(shí)驗(yàn)室不定期地舉行交流活動(dòng)。

進(jìn)入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生大多是從進(jìn)階實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)比較優(yōu)異的學(xué)生中選拔出來(lái)的。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室中的各種電子信息設(shè)備比較先進(jìn)，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并在一定程度上分解、消化科研項(xiàng)目中的各個(gè)子課題。

二、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)信息化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

利用分層和開(kāi)放模式設(shè)計(jì)和建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室不僅有利于對(duì)不同能力的學(xué)生因材施教，而且有利于推動(dòng)學(xué)科競(jìng)賽，消化、分解科研工作以及營(yíng)造優(yōu)良的學(xué)風(fēng)。為了實(shí)現(xiàn)分層和開(kāi)放的設(shè)計(jì)模式，需要有效的網(wǎng)絡(luò)信息化系統(tǒng)為其提供技術(shù)上的支撐。

和傳統(tǒng)方法管理的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室相比，建立在網(wǎng)絡(luò)和各種信息管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室能夠使學(xué)生在合理的時(shí)段靈活地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約和登記。這種靈活的預(yù)約能夠很大程度上提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，并有助于其創(chuàng)新能力的提升。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)信息化還有助于實(shí)驗(yàn)室管理標(biāo)準(zhǔn)化和運(yùn)行效率的提升。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室通常采用網(wǎng)絡(luò)登記、預(yù)約和身份鑒定。在無(wú)線通信時(shí)代，手機(jī)的客戶端進(jìn)一步為這種網(wǎng)絡(luò)管理提供了“隨時(shí)隨地”的便利性。

預(yù)約實(shí)驗(yàn)的教師和學(xué)生可以通過(guò)瀏覽器或者手機(jī)客戶端來(lái)訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常以Web 服務(wù)提供開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)信息。服務(wù)器和實(shí)驗(yàn)室門禁工作站互通，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約和解約功能。預(yù)約實(shí)驗(yàn)室用戶在約定的時(shí)間段內(nèi)通過(guò)IC 卡或者手機(jī)客戶端進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完畢后再通過(guò)門禁系統(tǒng)刷卡或手機(jī)客戶端操作來(lái)進(jìn)行注銷。預(yù)約和注銷等信息將通過(guò)連接門禁系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)工作站上傳至主服務(wù)器，這些數(shù)據(jù)將作為校園網(wǎng)“大數(shù)據(jù)”的重要組成部分，為以后的數(shù)據(jù)挖掘和信息化決策提供基本的數(shù)據(jù)。

基于Web 服務(wù)的實(shí)驗(yàn)預(yù)約/解約系統(tǒng)擺脫了人工等級(jí)和人工管理等各種不方便，供學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室資源的查詢以及預(yù)約實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)時(shí)間。系統(tǒng)通常以B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）為架構(gòu)提供開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約、審查和管理功能。普通用戶主要分為學(xué)生和教師兩種，教師可以在該系統(tǒng)中對(duì)個(gè)人資料、密碼信息進(jìn)行編輯和存儲(chǔ)，也可以進(jìn)行預(yù)約實(shí)驗(yàn)室，錄入學(xué)生成績(jī)和修改成績(jī)。學(xué)生用戶可以對(duì)自己的資料、密碼進(jìn)行保存和編輯，也可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安排和實(shí)驗(yàn)成績(jī)的查看。系統(tǒng)管理員為超級(jí)用戶，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中所有普通用戶的管理工作，可以添加、修改和刪除普通用戶的信息，同時(shí)負(fù)責(zé)審核普通用戶的在線預(yù)約。該系統(tǒng)通過(guò)Web 服務(wù)器連接校園網(wǎng)和移動(dòng)終端公眾號(hào)，學(xué)生可以通過(guò)上網(wǎng)賬號(hào)和學(xué)號(hào)等信息進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)約。

Web 服務(wù)器所連接的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)原則上應(yīng)該運(yùn)行在不同的主機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)功能和數(shù)據(jù)在功能上以及物理上的分離。當(dāng)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，容易定位問(wèn)題，也有利于系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)。

為保證核心數(shù)據(jù)不丟失，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)采取雙機(jī)熱備份或者多機(jī)集群的技術(shù)來(lái)解決。其中雙機(jī)熱備份技術(shù)成熟，性價(jià)比高，因而受到了比較廣泛的應(yīng)用。雙機(jī)熱備份系統(tǒng)通常由RAID5 磁盤(pán)陣列和兩臺(tái)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器構(gòu)成。兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器在內(nèi)網(wǎng)上相互監(jiān)控彼此服務(wù)的情況，一旦主機(jī)器出現(xiàn)故障，服務(wù)將立即切換到從服務(wù)器上，系統(tǒng)切換時(shí)間很短，大大提高了系統(tǒng)的魯棒性。在正常運(yùn)行的時(shí)候，主數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器向Web 服務(wù)器提供數(shù)據(jù)接口，并在指定時(shí)段內(nèi)向從服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。

近年來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展和普及，為各種移動(dòng)端應(yīng)用程序的迅猛發(fā)展提供了有力的支撐，其中移動(dòng)終端公眾號(hào)成為我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)程序之一，移動(dòng)終端公眾號(hào)則為Web 服務(wù)和個(gè)人之間提供了一種新的通信方式。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約系統(tǒng)也可以通過(guò)公眾號(hào)進(jìn)行架構(gòu)。程序開(kāi)發(fā)者通過(guò)公眾號(hào)平臺(tái)接入信息，然后將接入的信息傳遞到移動(dòng)終端公眾號(hào)平臺(tái)，并由公眾號(hào)平臺(tái)的服務(wù)器將信息轉(zhuǎn)送到應(yīng)用服務(wù)器。開(kāi)發(fā)者將接收到的信息進(jìn)行處理后，將處理的信息通過(guò)自己的服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給公眾號(hào)服務(wù)器，并由公眾號(hào)服務(wù)器發(fā)給最終用戶。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室很難為學(xué)生和教師提供靈活的實(shí)驗(yàn)室安排，而開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室充分開(kāi)發(fā)和利用實(shí)驗(yàn)室，本著以學(xué)生為本的原則開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，因材施教，為學(xué)生提供必要的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及靈活的時(shí)間安排。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室通過(guò)提供不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容讓學(xué)生靈活選擇，讓他們獨(dú)立設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)。這種時(shí)間和內(nèi)容上的靈活性能夠大大激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和求知欲，可以培養(yǎng)其良好的研究習(xí)慣，往往也會(huì)帶來(lái)更好的實(shí)驗(yàn)效果。這種積極性的提高在綜合類實(shí)驗(yàn)中極其重要[6]。

網(wǎng)絡(luò)信息化的建設(shè)使開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室全天候?qū)W(xué)生開(kāi)放成為可能。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不盡相同，通常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)在兩個(gè)科室都可以完成，比較復(fù)雜的綜合實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)以及電子競(jìng)賽等實(shí)驗(yàn)周期則較長(zhǎng)，需要持續(xù)數(shù)周或者更長(zhǎng)的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)信息化管理系統(tǒng)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室在很大程度上可以靈活地安排時(shí)間和日程，大大提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排，可以保證學(xué)生獨(dú)享實(shí)驗(yàn)設(shè)備，從客觀上提高了實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量[7]。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息化的建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備效率的提升在很大程度上降低了實(shí)驗(yàn)人員以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不確定性以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容復(fù)雜多變的情況，降低了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行維護(hù)的成本，有利于實(shí)驗(yàn)室的資源共享，確保了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行[8]。

三、身份鑒定和門禁系統(tǒng)

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室一個(gè)重要的組成部分是門禁系統(tǒng)。門禁系統(tǒng)可以采用模塊化的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，以便系統(tǒng)維護(hù)的方便以及今后的系統(tǒng)升級(jí)。該系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)網(wǎng)和實(shí)驗(yàn)室安全系統(tǒng)相互連接，外部用戶不能訪問(wèn)，該系統(tǒng)包含用戶門禁系統(tǒng)的IC 卡讀卡器、UPS 電源、智能鎖和發(fā)卡器等裝置。發(fā)卡器和內(nèi)網(wǎng)電腦終端相連，用戶鑒定學(xué)生的身份管理門卡信息。電腦終端也可以CSV 或Excel文件的格式批量輸入/輸出持卡人的身份信息，便于信息的共享，也可以臨時(shí)發(fā)卡，以及無(wú)條件開(kāi)啟/關(guān)閉門禁系統(tǒng)。

近年來(lái)，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展為利用移動(dòng)終端進(jìn)行門禁的身份鑒定提供了技術(shù)基礎(chǔ)。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的門禁控制可以利用微信公眾平臺(tái)來(lái)完成。使用移動(dòng)終端發(fā)消息獲取的門禁身份鑒定，不僅成本低，而且安全性高，移動(dòng)終端用戶需要經(jīng)過(guò)管理員的認(rèn)證才能使用門禁系統(tǒng)。此外，校園網(wǎng)服務(wù)器和電子鎖的通信采用簽名驗(yàn)證的機(jī)制，保證了安全、可靠地控制開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的電子鎖。

借助移動(dòng)終端可以用較低的成本實(shí)現(xiàn)電子鎖的開(kāi)啟，不會(huì)因?yàn)橛脩粼龆鄬?dǎo)致門卡增多，從而增加成本，用戶也無(wú)須記憶密碼，也避免了門卡遺失的問(wèn)題。雖然上述方案可以降低開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的管理成本，便捷性高，安全性在理論上也有保障。然而，目前在高校中使用移動(dòng)終端開(kāi)啟開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室電子鎖的還是比較少的，其實(shí)際效果如何，還需要時(shí)間的檢驗(yàn)。

四、結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)信息化規(guī)范了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的管理，提高了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的效率，充分開(kāi)發(fā)了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的潛力。一個(gè)現(xiàn)代化的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室給研究性學(xué)習(xí)、探索性學(xué)習(xí)以及合作性學(xué)習(xí)提供了必要的條件和便利，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生良好的習(xí)慣。另外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間安排也更加靈活，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間都得到增加，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量也得到極大的提高。信息化手段也為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更加客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)提供了便利。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)學(xué)生自主性和創(chuàng)新性的重要途徑，符合時(shí)代發(fā)展和人才創(chuàng)新的需求，給信息時(shí)代的教育教學(xué)注入了新元素。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的信息化建設(shè)已經(jīng)成為高校教學(xué)改革發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室在電子信息類學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐中起到越來(lái)越重要的作用，也是人才培養(yǎng)創(chuàng)新的一個(gè)必由之路。本文所論述的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)在我校運(yùn)行多年，在提高電子類畢業(yè)生的培養(yǎng)質(zhì)量方面起到了重要的作用，今后該系統(tǒng)將進(jìn)一步完善，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。