基于云平臺的計算機實驗中心信息化體系建設(shè)

王曉霞，王承明，徐 明，王 健，李 婧，馬宏姝，龔良玉

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗室管理處，山東青島 266109）

高校實驗室是進(jìn)行實驗教學(xué)、科學(xué)研究的重要基地，是進(jìn)行高水平科學(xué)研究和培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的重要資源和保障，承擔(dān)著人才培養(yǎng)、知識創(chuàng)新、社會服務(wù)等重要使命，是科技創(chuàng)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(fā)展起著至關(guān)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(xué)科知識交叉滲透的日益強化，傳統(tǒng)的實驗室管理模式阻礙了實驗室功能的充分發(fā)揮，不利于實驗教學(xué)改革的開展，不能適應(yīng)高等教育對于培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才以及現(xiàn)代科研項目的需要。如何利用現(xiàn)代信息化技術(shù)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(wù)教學(xué)的水平。因此，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展成為重要的研究課題。

1 計算機實驗中心信息化建設(shè)背景

為更好地滿足教學(xué)、科研以及服務(wù)社會的職能需求，高校必須創(chuàng)新發(fā)展實驗室的管理理念和管理模式，用信息化技術(shù)加強實驗室的管理。智慧實驗室成為高校實驗室建設(shè)的重要指標(biāo)，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(yǎng)水平。2019 年，為更加高效地滿足全校不同專業(yè)和不同層次學(xué)生對全面、系統(tǒng)的計算機實驗實踐教學(xué)環(huán)境和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地的需求，學(xué)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(xué)院，存在管理方式落后、不規(guī)范，設(shè)備數(shù)量不足、先進(jìn)性不夠、共享率低、專職實驗技術(shù)人員缺乏等問題。設(shè)備及實驗室管理采用傳統(tǒng)落后的人工模式，設(shè)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(hù)非常困難，實驗室管理以紙質(zhì)手工管理為主，管理流程復(fù)雜且管理效率低。中心的成立，實現(xiàn)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(fù)建設(shè)、設(shè)備利用率低、教學(xué)資源配置不合理等問題，更好地滿足了教學(xué)科研和社會服務(wù)的需求[4-6]。

2 中心信息化管理體系的建設(shè)

中心實驗室信息化管理體系采用先進(jìn)的信息技術(shù)，將大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到實驗室管理中，優(yōu)化了實驗室管理流程，打造基于云平臺、以智能數(shù)據(jù)為核心的標(biāo)準(zhǔn)化流程管理體系，有效地打破了傳統(tǒng)實驗室管理模式和實驗教學(xué)模式，改變了實驗室服務(wù)師生的方式，堅持“以生為本”的理念，由被動服務(wù)變?yōu)橹鲃臃?wù)，高效利用實驗室資源，最大限度地發(fā)揮了實驗室的效益，達(dá)到更好地為教學(xué)、科研服務(wù)的目標(biāo)。

2.1 中心信息化管理體系的系統(tǒng)架構(gòu)

中心實驗室按功能主要劃分為公共基礎(chǔ)、軟件應(yīng)用、虛擬仿真、圖形圖像處理、計算機輔助設(shè)計、云計算、智能數(shù)據(jù)分析與處理等幾大模塊，分布在信息樓和文經(jīng)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(xiàn)了與智慧校園的對接，通過中心云桌面服務(wù)器實現(xiàn)了對各實驗室云終端的管理和維護(hù)，中心實驗室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 中心實驗室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shè)備運維管理、智能物聯(lián)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(tǒng)接口與智慧校園、教務(wù)系統(tǒng)等對接，實現(xiàn)校園統(tǒng)一身份認(rèn)證、與教務(wù)系統(tǒng)信息共享等功能；通過電子設(shè)備，如手機、計算機、多媒體觸媒查詢機等進(jìn)行信息交互；通過云技術(shù)，將硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)等資源統(tǒng)一起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算、存儲、處理和共享，進(jìn)而實現(xiàn)實驗設(shè)備的運維管理；通過智能物聯(lián)管控系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗室的身份認(rèn)證、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程電源控制等功能；通過實驗室信息化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗室、實驗教學(xué)、實驗室開放、數(shù)據(jù)與報表等的管理，最終實現(xiàn)實驗室的規(guī)范化、信息化、智能化管理。

圖2 中心信息化管理體系結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 實驗設(shè)備運維管理模塊

實驗設(shè)備的高效管理與維護(hù)是實驗室信息化管理的前提。為滿足不同專業(yè)、不同年級學(xué)生的實驗實踐教學(xué)任務(wù)，實驗室需安裝和部署多種操作系統(tǒng)及軟件應(yīng)用環(huán)境，傳統(tǒng)方式采用數(shù)據(jù)還原進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同傳，存在網(wǎng)絡(luò)傳輸速度不穩(wěn)定、硬盤頻繁讀取導(dǎo)致系統(tǒng)運行速度慢、管理人員維護(hù)工作量大等弊端。

隨著云計算、虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬化云桌面已快速應(yīng)用于實驗室管理與教學(xué)中。云技術(shù)是指在廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)內(nèi)將硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)等系列資源統(tǒng)一起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算、儲存、處理和共享的一種托管技術(shù)[7]。虛擬化技術(shù)是云技術(shù)的核心技術(shù)之一，所謂虛擬化，是指通過虛擬化技術(shù)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(tǒng)，并且應(yīng)用程序可以在相互獨立的空間內(nèi)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(shù)有VDI、IDV、VOI 等，為滿足不同應(yīng)用場景的需求，減少單一架構(gòu)的局限性，中心采用了多種混合架構(gòu)體系，如圖3 所示，利用其各自的優(yōu)劣勢相互補充，滿足實驗教學(xué)、實驗室開放、社會化服務(wù)等多樣化需求。

圖3 中心桌面云體系架構(gòu)圖

2.2.2 智能物聯(lián)管控模塊

智能物聯(lián)管控系統(tǒng)通過實驗室開放管理系統(tǒng)與配套智能數(shù)據(jù)采集終端硬件系統(tǒng)的聯(lián)動，實現(xiàn)對實驗室開放全過程的管理與控制。通過智能身份認(rèn)證系統(tǒng)，只有被安排實驗或預(yù)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(tǒng)的身份認(rèn)證，被授權(quán)出入實驗室和使用儀器設(shè)備；通過遠(yuǎn)程電源控制系統(tǒng)，管理人員可對開放實驗室的電源進(jìn)行開關(guān)、定時、預(yù)設(shè)等遠(yuǎn)程控制，并實時查看各實驗室的用電情況；通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，管理人員可實時查看實驗室動態(tài)，監(jiān)控實驗室場地的安全及儀器設(shè)備的使用情況；通過智能儲物系統(tǒng)，進(jìn)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(lián)管控系統(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)建而成，如圖4 所示。感知層由無線傳感網(wǎng)、射頻識別（RFID）器件、嵌入式設(shè)備、二維碼等共同組成了前端信息采集和控制終端；網(wǎng)絡(luò)層由光載無線交換系統(tǒng)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同組成了基于TCP/IP 協(xié)議的可接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平臺；應(yīng)用層由后臺數(shù)據(jù)中心、遠(yuǎn)程客戶端和裝載在其中的各種應(yīng)用程序共同組成，實現(xiàn)了對前端信息和控制終端的管理[9-11]。

圖4 中心智能物聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xué)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(shù)據(jù)與報表、信息發(fā)布的管理等。

1）實驗室管理模塊

在實驗室信息化管理系統(tǒng)中，通過實驗室信息管理，健全實驗室分室的基本信息及規(guī)章制度，包括實驗室名稱、實驗用房、儀器設(shè)備、負(fù)責(zé)人、聯(lián)系方式、管理單位等信息，實現(xiàn)實驗室各項工作的科學(xué)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化；通過實驗隊伍管理健全實驗室管理人員的基本信息，規(guī)范管理人員的崗位職責(zé)、考勤簽到、人員變動、獲獎成果、評估考核等，以進(jìn)一步優(yōu)化管理人員結(jié)構(gòu)，在業(yè)務(wù)考核、職務(wù)晉升等方面形成相應(yīng)切實可行的政策；通過儀器設(shè)備管理全方位跟蹤儀器設(shè)備的購置、借用、維修和報廢全過程，全方位監(jiān)督設(shè)備存放地點的建設(shè)及安全設(shè)施是否到位，真正做到場地及儀器設(shè)備的規(guī)范化和信息化管理，解決高校設(shè)備使用和管理脫節(jié)的問題。

中心積極引入勤工助學(xué)學(xué)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(xué)生為主體的自我管理新模式[12]。在實驗助理管理系統(tǒng)中，實驗助理可根據(jù)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(nèi)容，在系統(tǒng)中進(jìn)行值班安排；還可在系統(tǒng)中記錄工作過程中的問題，如實驗指導(dǎo)教師的反饋、實驗設(shè)備故障等。管理人員可在系統(tǒng)中實時查看實驗室運行情況及實驗設(shè)備使用情況，并對出現(xiàn)的問題及時進(jìn)行處理，還可在系統(tǒng)中對實驗助理進(jìn)行考勤及考核管理。

在數(shù)據(jù)與報表管理系統(tǒng)中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊對實驗室各類數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集與記錄，報表管理模塊對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后，以圖表、Excel、Word等方式導(dǎo)出，更加清晰、準(zhǔn)確、整體、有對比性地呈現(xiàn)各項數(shù)據(jù)。在該系統(tǒng)中，不同角色具有不同的訪問權(quán)限，如實驗室管理人員可根據(jù)查詢實驗室的使用情況獲取實驗室運行數(shù)據(jù)，掌控實驗室的運行和開放狀態(tài)，對實驗室及設(shè)備的管理形成科學(xué)、有效的管理方式；部門領(lǐng)導(dǎo)可實時掌握實驗室建設(shè)、管理動態(tài)，查詢匯總各項數(shù)據(jù)，為學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)宏觀管理和科學(xué)決策提供依據(jù)。

通過信息發(fā)布系統(tǒng)，管理人員可實時發(fā)布中心的基本情況，如中心概況、通知公告、排課信息、預(yù)約狀態(tài)等；定期發(fā)布實驗室管理及安全的學(xué)習(xí)培訓(xùn)及技能考核；進(jìn)行信譽積分管理，對不遵守實驗室規(guī)則、不按照實驗室課程安排上課、在平臺亂預(yù)約等違規(guī)行為進(jìn)行管理等。

2）實驗教學(xué)管理模塊

實驗教學(xué)管理模塊是對實驗教學(xué)運行流程的管理，由實驗教學(xué)安排、實驗教學(xué)過程管理、實驗教學(xué)考核管理等模塊組成，涵蓋實驗教學(xué)管理的各個環(huán)節(jié)，如圖5 所示。

圖5 實驗教學(xué)管理框圖

在實驗教學(xué)安排模塊中，靈活可視化的實驗教學(xué)排課管理系統(tǒng)，含多種排課模式，指導(dǎo)教師可根據(jù)實驗教學(xué)計劃、實驗項目、學(xué)生人數(shù)、實驗室情況等進(jìn)行智能排課，自動生成實驗課表；該系統(tǒng)與教務(wù)系統(tǒng)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(yōu)化了實驗課程調(diào)停的申請和審核管理，簡化了實驗指導(dǎo)教師的申請手續(xù)，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(chǔ)。

在實驗教學(xué)過程管理模塊中，指導(dǎo)教師可在課前根據(jù)實驗教學(xué)計劃表導(dǎo)入學(xué)生信息、預(yù)習(xí)資料、實驗指導(dǎo)、實驗報告模板、課后習(xí)題等資料，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗；學(xué)生則可以通過系統(tǒng)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和測試，記錄實驗過程和數(shù)據(jù)、提交實驗報告、課后練習(xí)、查看錯題及反饋、查看成績等。

在實驗教學(xué)考核管理模塊中，教師只需對學(xué)生提交的實驗報告進(jìn)行手動審核評分，其他環(huán)節(jié)比如考勤管理、課前測試、實驗數(shù)據(jù)記錄、課后練習(xí)等，均由系統(tǒng)自動評定，最終給出學(xué)生的實驗成績，教師只需利用成績統(tǒng)計、分析和導(dǎo)出等功能對學(xué)生成績進(jìn)行查看和管理，使得整個教學(xué)模式的實施變得方便、高效。

從實驗教學(xué)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(jié)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(nèi)教學(xué)及科研任務(wù)的前提下，利用現(xiàn)有師資、儀器設(shè)備等實驗條件，面向?qū)W生開放，供學(xué)生進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)和科學(xué)研究[14]。為提高設(shè)備的利用率和共享率，充分發(fā)揮實驗室功能，中心除承擔(dān)全校各個層面的計算機類實驗實踐教學(xué)任務(wù)外，還面向校內(nèi)外進(jìn)行開放。

在實驗室開放管理系統(tǒng)中，管理人員可根據(jù)實驗教學(xué)計劃及實驗室使用情況，對教學(xué)型實驗、科研型實驗以及開放自主型實驗進(jìn)行統(tǒng)籌安排，如圖6所示。針對不同實驗室設(shè)置不同開放屬性，如實驗室開放或者實驗項目開放，靈活設(shè)置實驗室開放時段及開放對象，并實現(xiàn)對實驗室開放的預(yù)約、審核等管理制度。通過實驗室開放管理系統(tǒng)，師生可根據(jù)需要提交預(yù)約申請，管理人員審核后授權(quán)其開放的實驗室、實驗項目、儀器設(shè)備等，被授權(quán)的人員通過身份認(rèn)證后進(jìn)入實驗室使用儀器設(shè)備；管理人員通過機房管理系統(tǒng)實時監(jiān)控儀器設(shè)備的使用情況，過程監(jiān)管可精確到單臺儀器設(shè)備或單個人員，如查看某臺設(shè)備使用人員、使用時間等，或查看某個學(xué)生的實驗項目、實驗數(shù)據(jù)、考勤等。

圖6 實驗室開放管理框圖

實驗室開放管理系統(tǒng)真正實現(xiàn)了對實驗室、儀器設(shè)備、人員、使用時間、實驗項目、實驗物品及耗材等所有真實數(shù)據(jù)的采集，并以真實數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分析功能，自動生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析圖/表，實現(xiàn)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(chuàng)新、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)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(xué)水平，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

3.1 統(tǒng)一、集中化的管理模式

統(tǒng)一、集中化的管理模式，提高了設(shè)備利用率，節(jié)省了資金投入。通過云計算虛擬化技術(shù)的使用，管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)器端對所有計算機進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)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(jù)教學(xué)和科研計劃，統(tǒng)籌安排教學(xué)、科研及自主實驗，在時間、資源、管理方式和服務(wù)等方面全方位統(tǒng)一，最大限度提高了實驗室及儀器設(shè)備的利用率。利用虛擬化技術(shù)強大的設(shè)備兼容性，可以有效對配置較低，不能滿足教學(xué)需求的計算機進(jìn)行再利用，減少了購置新設(shè)備的資金投入。通過實驗室管理系統(tǒng)與物聯(lián)管控系統(tǒng)，根據(jù)教學(xué)需求、課時安排、學(xué)生人數(shù)等可以對實驗室及儀器設(shè)備的使用進(jìn)行動態(tài)的開關(guān)與調(diào)整，有效避免了傳統(tǒng)模式下大量實驗室、設(shè)備無端浪費的情況，有效節(jié)省了電能消耗，并延長了設(shè)備生命周期，為學(xué)校節(jié)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(jìn)了教育信息化與實踐教學(xué)的深度融合。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的高校實驗室從各個方面都實現(xiàn)了智能化、信息化的變革，這些創(chuàng)新變革為高校智慧實驗室的構(gòu)建提供了一個全面智能感知的實驗實踐教學(xué)環(huán)境。多維一體的信息化管理體系，以信息化手段促進(jìn)了實踐教學(xué)的現(xiàn)代化，如實踐教學(xué)管理的自動化、實踐教學(xué)內(nèi)容的數(shù)字化以及實踐教學(xué)軟硬件資源的共享化，最大限度地提升了全校相關(guān)專業(yè)的實驗實踐教學(xué)質(zhì)量，最終實現(xiàn)高校服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的目標(biāo)。

3.3 開放式的運行模式

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

實驗室的全面開放，增加了學(xué)生的實踐機會與時間，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)探索的動力，提高了學(xué)生分析解決問題的能力及實踐操作的能力，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維的復(fù)合應(yīng)用型人才提供了保障。在教師的引導(dǎo)和組織下，學(xué)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(jié)合[16]，促進(jìn)了學(xué)生跨學(xué)科、跨專業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新型實驗。中心搭建了多學(xué)科交叉融合的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，將“雙創(chuàng)”項目及各類競賽活動與實驗室開放項目緊密結(jié)合，為學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供了場所，實現(xiàn)了實驗、實習(xí)、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的相互結(jié)合，并形成了良性循環(huán)，實現(xiàn)了創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式，推動了高校未來可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)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(yīng)用提高了管理效率，減少了人員配置，提升了資源利用率，優(yōu)化了實驗室環(huán)境，在全面開放共享式管理、全方位服務(wù)模式創(chuàng)新、創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)等方面做了有益的探索與實踐。