“物联网+云平台”驱动的新文科智慧实验室构建＊

李春艳 戴志锋

1.湖北经济学院实验教学中心；2.湖北经济学院信息与通信工程学院

“物联网+云平台”驱动的新文科智慧实验室的建设，以构建智慧学习环境促进高校信息化发展为切入点，以课程建设和课堂教学改革为基石，以实验室建设、教育教学改革、教育理念和教育模式、人才培养质量多方耦合机理及协同创新为主体，对智慧虚拟仿真系统、智慧视频监考系统、智慧多功能签到系统、智慧门禁及考勤管理系统、智慧虚拟化搭建云数据中心服务器架构、智慧无线网络系统等主要技术方案进行了讨论，为高校智慧实验室的构建应用提供参考。

在国家大力推进信息化与工业化两化融合、建设创新型国家和人才强国等一系列战略背景下，教育部印发了《教育信息化“十三五”规划》和《教育信息化2.0行动计划》，要求将高等教育与信息技术进行深度融合，深化教育教学改革、引领教育理念和教育模式创新。实验室作为孕育大量创新应用成果的科研和教学的环境，其技术应用和智慧化管理能力对于实现“引领创新创业、多元化人才培养”的目标具有重要意义，也需要融入现代化元素进行转型升级，以全新的理念指导实验室信息一体化管理和建设。

综观国内外高校实验室建设和管理现状结合未来信息化发展趋势，为以物联网、云平台等移动信息技术为核心的相关智慧实验室建设，提供能够综合感知智能实验环境、判断相关信息、提供综合服务的智慧平台。通过构建“多来源环境监测实时化、多端口设备管理自动化、综合资源获取信息化、实验管理整体高效化”的智慧实验室，构建便捷、高效、安全、人性化、智能化和低碳化的智慧实验室。

1 智慧实验室建设的问题与需求

1.1 当前实验室建设存在的问题

实验室作为高等教育教学人才培养体系的基本载体，应用的广度和深度不断加大，如何紧密围绕实验软硬件环境、实验教学过程和专业知识点的“智慧”属性构造，推动智慧实验室的多功能建设和高效应用，将多源设备进行信息采集并整合数据信息，同时利用大数据云平台存储和分析数据，并纳入智能化综合服务平台，逐步实现并创新智慧实验室优质资源共享和高效数据收集、分析和服务，为师生提供全面的智能感知环境和综合信息服务平台，切实提高实验教学质量、促进实践教育教学的发展，正成为新文科背景下高等教育教学热点问题之一。

另一方面，实验能力是文科人才培养的短板，交叉融合是新文科的重要改革方向，随着教育信息化与教育教学呈融合发展趋势，使得新文科背景下与信息技术深度融合产物的智慧实验室建设，实现与人才培养在一定程度上的结合成为可能，进而对两者相关问题予以系统研究和解决。

1.2 实验室建设需求

（1）挖掘“物联网+云平台”驱动的新文科智慧实验室的技术内涵，以智慧实验室构建过程中链接预测和补全技术、实体和链接的搜索匹配规则优化等技术实现为技术创新基础，将智慧教育有机融入到自主性和创新性人才培养协同演进和模式优化过程之中，形成教育智慧化与教育教学方法融合创新，实现实验室、学科、专业、课程协同建设的良性循环[1]。

（2）从教育教学视角切入分析智慧实验室建设与教育教学的适切性，依据多个需求模块理念进行构建，立足纵向、横向和星型模式，通过耦合与协同等不同视角，构建出多层次、多模块衔接紧密的智慧实验室功能体系，优化基础硬件设施和多源头设备，搭建智慧实验室在智慧教学、科研、实验室管理中的构建流程与应用场景，不断完善系统架构。

（3）依托人工智能、大数据、物联网等新兴技术构筑人才培养，实现实验室的软硬件设备、物理设备、信息设备、管理制度、操作流程等的智能化管理，提供良好的实验室教学科研氛围，针对学习者和管理者提供智慧实验室服务，构建高效智能化的综合信息平台，支持学习者知识体系的动态演进，支持管理者高效过程管理，将智慧环境有机融入到自主性和创新性人才培养协同演进和模式优化过程之中。

1.3 智慧实验室的特征

（1）规范性。严格按照国家机房标准进行设计和施工，实施结果满足相关规范要求，保证数据集中化，信息共享化，内容定制化，硬件集群化，文件电子化，流程规范化，最终实现冬类信息的查有、统计、分析，为广大学生教师服务，为学校领导科学决策提供真实可靠的依据。

（2）充分利用原有资源。充分利用原有可用的设施，避免重复购置，完成多型号、多类型、多地域服务器聚合共享，节省投入和降低运营成本，打破壁垒，提升数据中心管理方法和形式、有力支撑教育教学和科研。

（3）跨校区统一管理。实现了跨校区的统一管理和监控(视烦监控、温湿度、电力、报警)，保证所有核心业务系统的连续性，秒级切换，零数据丢失。采用先进技术，以利于整个系统的平滑升级，考虑到今后存储环境的变化和灾难恢复系统建立的需要。

（4）可靠性管理。智慧实验室突破常规机房停电后空调无法运行的瓶颈。通过详细的参数匹配，并选用直流变频缓启动技术的压缩机，保证列间空调的风机维持运转[2]。上述设计实现了停电时制冷系统仍然可以部分功率运行，维持机房服务能够长期持续服务。基于存储实现双活，整个切换过程为秒级，数据零丢失。

（5）智能性多融合管理。智慧实验室的综合动力环境系统与中控系统进行全面集成，通过手机、平板电脑和触摸屏设备，集中管控机房的灯光、新风、投影、窗帘、门禁等多种设备，并设置了多种场景模式，只需键操作即可激活，极大方便了机房的综合现场管理。

（6）多功能自动管理。智慧实验室的布设了大屏电视、立式展示终端、触摸屏终端、拼接大屏设备、电控调光透射投影系统等多种显示设备，均使用瘦客户机方式统一管理和驱动，管理员不必在现场对设备进行逐配置维护，只需在后台统配置管理即可实现对所有显示内容的全面管理。

2 智慧实验室的架构设计

（1）校园感知层。通过感知设备、传感网和各类移动终端对校园实施实时感测，对校园内人的活动状态、物的运行状态、人与物之间的互动状态等实时感知，实时采集数据，帮助校方提高教育工作者和管理人员的工作效率。

（2）数据传输层。采用泛在网中的有线、无线网络通信技术、专网技术、传输控制技术实现自由全面的互联，对校园中的数据、声音、图像、视频等信息进行随时随地的传输。数据传输层是“互联网+智慧校园”架构中的网络基础。根据建筑物结构特点、上网行为模式和特点、用户终端数量和类型，设计无线接入点设备及其天线系统的部署方案。

（3）数据智能处理与存储层。利用数据的存储、清洗、挖掘、分析、活化、建模及安全等相关技术，对汇聚的智慧校园中各种数据进行处理、管理，向上层提供智能处理后的数据支持。数据智能处理与存储层是“互联网+智慧校园”架构中的数据基础。

（4）支撑服务层。利用各种通用、专用技术软件，构建面向各类校园应用的公共服务支撑平台，向应用服务层和智慧应用层提供共性服务支持。支撑服务层是“互联网+智慧校园”架构中的技术基础。

（5）应用服务层。该层是架构的核心部分，汇聚了不同校园业务的应用服务，要求网络适应于教学、科研、后勤保障等多方面的需求，提供了连接智慧应用层的平台开发技术，是构建校园内各智慧应用领域的基础。应用服务层是“互联网+智慧校园”架构中的应用基础。

（6）智慧应用层。据“软”“硬”件区分，智慧应用可归纳为下面两大类：“智慧软件”侧重于建设一套多功能的集群系统，能够执行大数据分析任务、高性能计算任务和虚拟化云计算服务任务，并对现有机房环境进行简单改造以满足集群系统的运行要求[3]。要求性能强大，配置先进，投资经济，并提供充分的培训服务和技术支持服务。“智慧硬件”侧重于物理技术架构的智慧化，通过各种VR技术、设备和课程资源等先进的教学设施和资源，结合有线和无线高可用性网络。目标覆盖业务系统使用区域内99%以上位置的接收信号强度≥-65dBm；确保无线网畅通，无异常中断；实现无线设备均匀分担密集用户的网络负载。

（7）标准与评估体系、安全保障体系。“互联网+智慧校园”中，在完全继承和发展传统安全功能的基础上，提供完整丰富的应用识别和应用层威胁、攻击的防护能力。提供完善的管理策略和性能监控机制，严格按照国家机房标准进行设计和施工，实施结果满足相关规范要求。

3 智慧实验室的主要技术方案

3.1 智慧虚拟仿真系统

通过VR技术、VR交互技术、VR设备和VR课程资源,通过虚拟演播系统，提供课堂虚拟演练环境，将难以理解的专业知识点通过VR的方式直观展现，加入先进的教学辅助设备，配置虚拟交互系统和相关资源，让学生对结构性知识有直观的体验，配合虚拟开发教学区，实现了教学与教研一体化目标，提高教学效率与教学质量[4]。提供完整的教学资源采集功能，包括常态录播、精品课程录播以及更高规格3D虚拟演播，满足各类不同类型的课程录制需求；通过教学互动软件的加入，引入远程互动功能，加强学生的自我学习与互相学习，打破教室的空间边界。

3.2 智慧视频监考系统

系统设计以高速网络传输为技术基础，将监控、网络设备功能融合一体化。监考系统采用整套系统形成体化管理，其中前端为摄像头、后台存储、视频管理系统、网络传输设备、防火墙等；后端针对视频监控专业级存储，采用了SCS直存、工业级硬盘，在性能、录像检索、可靠性方面非常稳定，与现有校园监控系统集成[5]。采用多级管理设计，既可完成考试巡考监控，在校园内监考中可进行本地管理，与目前正在使用的校园监控系统无缝对接，一体化管理。

具体监考5个子系统，包含高清视频监控系统，对各个考场的音视频实况进行全时监视和录像；包含音频广播系统，用来发布语音通知和全场调度指挥；包含LED联播系统，用来提示时间和发布文本通知；包含指挥中心系统，对所有前端系统进行集中控制指挥调度；SIP网关设备，用来将本地音视频信息与省考试院的指挥中心平台实现无缝对接，全系统网络化传输与管理。

3.3 智慧多功能签到系统

会议管理系统对报告厅的各种会议进行计划、发布、签到等管理，集合会议考勤系统及一卡通的各种数据，形成一套将签到信息与会议信息相匹配的数据，再导入到人事系统的学分管理系统，自动完成学分的记录。部分门禁前端设备、门禁手持设备也通过WiFi环境接入到后端端平台。会议考勤系统分为前端和管理平台，前端用于接收用户的刷卡行为，根据会议管理系统的信息判断用户是否具备出席会议的权限，根据刷卡时间信息判断用户是否按时到场和离场，提供出勤记录。考勤系统与校园一卡通系统实现后台整合，用户在一卡通系统中的个人信息、组织架构、逻辑编号等信息直接被考勤管理平台的底层调用，实现与主库的实时同步，同时通过在各个报告厅部署无线环境，向与会者提供多种互联网接入服务。

3.4 智慧门禁及考勤管理系统

在学校的重要出入口、宿舍大门、重点实验室、办公室、图书馆通道的出入口安装门禁系统，实现基于卡片的出入控制，并实现与一卡通系统中用户账号和卡片信息的同步整合[6]。在教学楼，门禁除了作为出入控制外，还将刷卡信息直接用作考勤信息，用来规范教学秩序。使用电子地图来实现可视化的门禁管理，既可以感应IC卡，也可以感应手机上的相关App，大大方便了用户使用。而且，2种感应头读到的不同用户信息在系统层面实现了整合，逻辑上等同于个读卡装置。实现了门禁系统与视频监控的联动机制。当门禁刷卡通过时，自动向监控系统发送信号实现抓拍，以便事后稽查时可以通过视频画面到更加真实的情形[7]。实现了门禁系统、LED显示系统及收发室信件管理系统的整合。当学生刷卡进宿舍大门时，如果收发室信件管理系统中有该学生的邮包达到登记，就会通过LED大屏显示提示。教学楼的门禁与考勤功能进行整合，在实现出入权限控制的同时，也结合教务系统的课程表信息进行教师的上课考勤统计，明显提升了教学秩序的规范性。整个门禁和考勤的后台数据库与一卡通的基础数据库进行了整合，用户在一卡通系统中的个人信息、组织架构、逻辑编号等信息直接被门禁管理平台的底层调用，并且实现了与主库的实时同步。

3.5 智慧虚拟化搭建云数据中心服务器架构

实现服务器物理集中、基于服务器虚拟化技术的建设，初步搭建IaS模式的云数据中心架构，实现了动态自动化分配服务器计算资源。对学校的IaS私有云资源池进行服务资源扩充和功能开级，实现分布式存储架构、虚拟IDC、跨网段的虚拟机高可用、数据中心运营管理、云数据中心的认证及计费管理等功能，井对数据中心网络系统进行设备替换以实现性能升级。实现了动态自动化分配服务器计算资源。

3.6 智慧无线网络系统

学校的网络主体之一为宿舍无线网络，并且需要对现有的认证计费系统进行深度整合，同时对宿舍网、学生网的有线网络进行整合改造实现有线无线体化，选择更优的网络架构降低运维压力同时提升用户网络使用体验。实现项目的总集成，通过与宽带接入控制设备的配合完成认证计费系统的新建，实现与宽带接入控制设备的数据交互，对用户以及带宽进行精细化控制和统计。在扁平化方案的基础上实现有线无线一体化认证，在极致简化运维及用户体验提升方面取得较好的效果。

针对深化校园网管理的需求，对关键应用服务质量的保障等，要与一卡通直接对接，上网使用一卡通账号。建设用户自助系统，用户可按需购买或调整上网资费套餐。在基于实名制的基础上，账号实行全校漫游机制。实现无线环境下的全校无缝漫游，所有设备不用安装任何程序，只需支持无线即可。教师也无需为这些申请多个账号，只需要使用一个账号。

4 结语

我校作为经管类国家级实验教学示范中心和省级虚拟仿真实验教学中心，构建与办学定位和办学特色相匹配的智慧实验室，站在更高的要求、以更广的视角，提升实验室建设和管理水平，以现代化技术为契机开启实验管理模式和方法创新，为全省高校实验室建设提供详尽的建设案例，做实“一流本科教育”，促进学校更好地主动融入“双一流”建设、新文科建设。

科技创新推进教育教学的改变，近年来，中心组织专家进行多项智慧实验室的建设和改造工程，如学校实验楼的跨专业综合仿真实习多功能智慧实验室的建设，项目总共涉及到5间实验室，400余台计算机、配套设备和网络布局。通过VR设备及VR课程资源，配置虚拟交互系统配合相关学习资源，让学生对结构性知识有直观的体验。相关5间智慧实验室在2年内为密集单专业自然班级实验教学和大规模跨专业综合仿真实习课程每学期5000人次提供教学，充分挖掘在新文科建设背景下智慧实验室在当前教育理念与教育方式变革中的潜在作用，在一定程度上实现了实验室智能化、高效化、精细化、规范化的管理，实现对课程内容资源进行数字化改造与重建的能力，加速实验室建设内涵式发展，同时智慧实验室配套的管理模式的科学性和高效性也得到了实践，为“双一流”建设提供强有力的支撑与保障。

引用

[1] 方东红,荆晶,张欣,等.新时代一流高校实验室管理体系构建思考与探索[J].实验技术与管理,2019,36(2):1-3.

[2] 殷社萍,王皎月.移动互联网时代高校实验室智能化管理与实践[J].实验技术与管理,2018,35(10):256-258.

[3] 施金鸿,庄志惠.新工科模式下高校实验室建设与管理[J].中国高新科技,2019(10):50-52.

[4] 朱榕.高水平大学建设背景下的高校实验室建设与管理[J].实验室研究与探索,2018,37(3):278-282.

[5] 崔国印,黄刚,聂小鹏,等.“双一流”目标下的高校实验室建设与管理[J].实验技术与管理,2019,36(2):269-271.

[6] 冯健文.基于信息协同的普通高校实验室效率评价研究[J].中国教育信息化,2018(11):61-64.

[7] 李利敏,于英翠,刘思春,等.双一流大学建设背景下高校实验室建设与管理[J].高校实验室工作研究,2018(12):74-46.