胡荣亮　郭明远

摘  要：随着智能化技术的高速发展，高校计算机实验室应与时俱进，充分利用物联网、大数据、云计算等新一代信息技术，打造智慧实验室。高校智慧计算机实验室建设以物联网建设为基础、以互通互联为原则、以智慧数据平台为核心，将物理基础设施、教学过程、实验室管理互联互通，打造统一数据平台，实现计算机实验室教学管理、基础设备管理、数据实时统计分析为一体的智慧实验室建设。

关键词：智慧计算机实验室;信息技术;物联网

中图分类号：TP308       文献标识码：A 文章编号：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

传统计算机实验室通常是按某一门课程的需要来设置实验室，根据课程需要安装相应的计算机软件，实验室管理划归各学院，相应的实验教学则下发到各学院系部自行安排，高校的各个实验室大多是处于相对独立、封闭式的管理体制。随着高校教育体制改革的深入，尤其是各学科知识的交叉渗透近年来日益强化，传统计算机实验室的建设管理模式弊端突出。例如实验室功能单一、利用率低、数据资源共享匮乏、实验教学形式简单枯燥等。需要突破传统实验室管理模式的藩篱，建立绿色环保、低碳低耗、智能舒适的实验与管理环境，智慧计算机教室的建设为此提供了很好的突破机遇。

1  高校计算机实验室发展

1.1  高校计算机实验室的发展阶段划分

从联网类型上来说，高校计算机实验室的发展可以大致分为三个阶段：单机时代、局域网时代、互联网时代。

1.1.1  单机时代

早期的计算机价格昂贵，计算机实验室的计算机数量也通常非常有限，而且多以单机形式存在，采取相当集中的使用方式供教学与科研使用。

1.1.2  局域网时代

随着计算机技术的快速发展，90年代初，高校计算机实验室开始采用同轴电缆、双绞线进行连接，到了90年代后期，计算机在高校的诸多活动中得以广泛应用，计算机实验室变得越来越重要。

1.1.3  互联网时代

随着互联网技术的快速发展，在90年代末，高校开始大力兴建校园网络，计算机实验室也全面接入互联网[1]。计算机实验室作为校园网中的子网，涉及计算机系统、网络搭建、课程实训等诸多内容，多学科、多领域的技术发展在实验室中得以全面综合应用，成为师生学习计算机技术、拓展学术视野、革新教育教学的重要场地，高校信息化进入一个高速发展的阶段。

1.2  计算机实验室建设

计算机实验室建设有别于其他专业实验室，最为明显的特征就是计算机设备更新快、使用率高、故障率高、管理困难。计算机实验室目前已成为全校的公共实验室，日常使用率超高、工作时间较长（通常每天十几个小时）、人流量大、用机秩序混乱（学生随意换机、随意开机）、各类公用软件的管理与维护等问题让管理人员疲惫不堪。信息技术手段的迅速发展为管理人员提供了现代化的数字管理手段，摆脱了传统计算机网络管理方式。当前，互联网、物联网等各类网络的组合让智能手机、平板、穿戴设备等移动设备活了起来，全面实现了“5W”学习，即满足任何人、任何时间、任何地点、以任何学习方式、学习任何内容。而物联网的发展让校园里的几乎所有物体都成为一个终端，如窗帘、大门、甚至桌椅板凳都可以與我们的智能设备实现连接。面对当前智能化技术的高速发展，高校计算机实验室再也不能仅仅满足于提供简单的上机服务，而应该与时俱进，充分利用物联网、大数据、云计算等新一代信息技术，打造智慧实验室，充分发挥各项智慧技术，以人的智慧，促进智慧教学、智慧学习，全面提升实验教学质量，这也是未来高校发展的趋势和特征。

2  智慧校园与智慧实验室

2.1  智慧实验室的概念解读

智慧实验室概念由智慧地球引申而来，智慧地球概念，最早是由IBM公司于2008年提出，最初的含义是指运用最为前沿的信息技术手段，推动产业或社会生态系统互动，重新构建全球运行模式。此概念主要有三个核心要素：物联化、互联化、智能化。具体来说，智慧地球的最终目标是期待现代信息技术能够在各行各业得以应用，各类感应器、传感器等与网络连接，在全球如医院、物流、铁路、仓库、电力、水利等的各行各业，全部实现互联互通，形成全球范围的物联网;最后，依赖现代超级计算机实现云计算，让人类以更加便捷、高效、数字化的方式生活，提升全球智慧水平，最终实现互联网+物联网=智慧地球[2]。

随着智慧地球概念的普及，随之而来的智慧城市、智慧校园便随之而生，作为智慧校园的组成部分之一，智慧实验室无疑也要继承“三化”的核心要素，对物联网与互联网技术的设计与运用是当前智慧实验室建設的重点内容。

2.2  智慧校园与智慧实验室建设

目前，智慧校园建设已在国内各大高校如火如荼地进行着，智慧校园包括很多方面，例如智慧教学、智慧办公、智慧节能、智慧实验室、智慧学习等等，如图1所示。随着智慧校园建设的不断深入，智慧实验室建设亦成为智慧校园的核心内容之一，其主要建设内容是实现与智慧校园平台的数据、服务和网络融合，由此，智慧实验室的建设目标也随之不断拓展、提升。

（1）以物联网为核心的深层感知测量、捕获和传递信息的设备全方位地获取教学过程中的各项数据以供智慧校园使用。诸如监控摄像机、移动设备、智能化门禁系统、智能化节能系统、电脑和多媒体终端、GPS、温湿度传感器等。这些新设备和系统，可以全面获取师生在实验室教学过程中涉及到的各种信息，包括师生考勤、课堂信息化设备使用率等，同时将相关数据即时发送给智慧校园统一数据库，以供智慧校园后期的大数据分析。

（2）以互联网为核心的网络通过能够将各孤立的数据全部实现关联、把网络中各类数据进行汇聚并转换成信息。有线网、无线网、移动网络、蓝牙、红外等，各种形式的通信网络方式将传感器、摄像头、GPS、个人电子设备等物联网设备信息全面连接互通，即时交互，实现资源共享、实时监控。

（3）以智能化为核心的大数据分析平台将信息变成可用知识。利用统一数据库的核心数据内容，实现对学校各类信息的汇集、存储、分类、整合，同时进行分析，从教学实际需求出发，挖掘统计各类数据，数据转信息，信息转知识，知识成为智慧，为实验教学改革、学校未来发展提供决策依据。

3  以“三化”理念打造物联、互联、智慧的计算机实验室

实验室作为智慧校园中的一个重要学习科研环境，笔者所参与建设的计算机实验室承担着所在高校计算机基础公共教学、编程教学、软件教学等提升学生信息技术能力的主要任务，在实验室的设备、软件、使用管理等诸多方面亟待智慧提升。因此，笔者所参与建设的高校全力打造智慧计算机实验室，期待能够综合计算机、通信、物联网等现代网络信息最新技术，为实验、仪器设备管理、数据统计分析等提供数据与决策支持，形成数据规范，提高仪器设备的使用效率，更好地为教学实验、科学研究服务，打造绿色、环保、低碳、低耗、智能、舒适的实验环境。

根据智慧校园的三大核心要素，依据智慧计算机实验室建设的实际需求，笔者所参与建设的智慧计算机实验室建设分为三步，即第一步物联层建设、第二步互联层建设、第三步智能层建设，如图2所示。

3.1  物联层建设

智慧计算机实验室的物联层建设主要包括实验室智慧门锁、智慧窗帘、智慧桌椅等基础设施的物联网建设[3]。目前，笔者参与建设的高校已全面实现智慧门锁、智慧电路、设备集成管理等基础物联网层的建设。现阶段物联层主要由传感器、致动器、可编程的逻辑控制器（PLC）和分布式智能传感器组成。以控制引擎为基础，将实验室内各项智慧设施进行连接，通过传感器捕获数据，通过智慧平台经视频和数字信号处理，予以控制。物联网建设的核心中枢是智慧平台的建设，所有的基础数据最后均需要汇聚至智慧平台，基础的智慧设施将实验室资源虚拟化，机房所有的IT资源使用云终端、云系统、云服务器、云存储，实现师生随时随地获取。现阶段，该单位已将全校公共设施用电全部集成至校内后勤智慧服务平台，实现全自动智能启停控制，光控、温控及红外感应等基础控制系统图建设完备。全面实现实验室按时自动开放、自动签到、上下课、自动节能、自动调节室内温湿度、自动调节室内光线功能，且校内智慧校园建设二期已经建成，可以自动搜集智慧课堂及实验室教学相关数据并发送至智慧教学平台。

3.2  互联层建设

智慧计算机实验室的互联层建设起到了承上启下的重要作用，数据获取、传递均要依靠互联层的建设。基于上述物联层建设，单位的互联层承载着整个计算机实验室的所有数据传输。物联层的大量数据按照预定传输协议输入互联层，汇总到数据平台中心，例如笔者所参与建设的高校计算机实验室教学过程中的所有相关数据，包括教学平台使用情况：实验室承担课程的信息管理，排课、教师、班级安排，作业、试题、考试等情况;课余时间的自由开放管理：上机卡发放、计时、上机情况统计等;对实验室内的机器的控制;以及计算机用户的登录信息、计费、管理等其他功能。

上述各类数据的来源各不相同，数据格式也不一致，在互联层的建设过程中必须予以充分考虑，采取何种信息连接方式能够全面整合、统一各类信息直接关系到整个系统的正常运转。目前常见的连接传输方式包括Wi-Fi、Bluetooth、Z-Wave、ZigBee、ANT Wireless、NFC、RS-232、双绞线、光纤等等。

3.3  智慧层建设

智慧层建设是整个智慧计算机实验室建设的核心内容，其中最为重要的就是智慧数据管理中心的建设。在笔者的具体实践过程中，智慧层数据中心建设预先定义了管理模块，自行定义数据中心时间编组管理模块，通过预定义的触发事件、时间编组和预案进行组合，匹配人员干预提示。在实践中，争取尽可能地将各类不同数据根据数据中心标准规范汇聚，全部数据统一汇聚至中心。目前，笔者所建设的高校已经初步建成了面向服务的架构模型，数据管理中心已能够初步对数据进行转换和分析，在一定程度上帮助了管理人员对实验室优化管理，提高了管理效率。具体来说，该单位已通过对物联网传来的实验室考勤和实验室进出情况信息进行实时分析，实时得出学生和各类人员的出勤、工作情况，让教师和实验室的管理人员能够全面了解实验室的使用情况，全面保障教学和设备的正常运转。此外，通过智慧层数据中心的建设实现综合智能化管理，获取实验室场所、设备、环境的各类情况数据，方便对设备设施的维修、借用、使用申请等常规业务的数字化管理，大大提高了管理人员的工作效率和服务水平。此外，大量的数据积累能够为当前各类实验室评估、建设规划及年终各类数据的报送等提供数据支持。

4  结  论

智慧计算机实验室建设必然成为下一阶段高校实验室建设的重点内容，以物联网、移动互联等现代信息技术手段，通过物联、智能化等方式，将计算机实验室中的物理基础设施、教学过程、管理过程互联互通，实现自动化管理和监控，并为决策、管理提供数据支持，保障实验室教学，打造舒适、智慧的实验环境，必将加快整个校园智慧化的进程。

参考文献：

[1] 车辚辚，孔英会，赵建立，等.基于物联网的智慧实验室设计 [J].实验技术与管理，2013，30（10）：212-215.

[2] 赖程鹏.基于物联网技术的智慧实验室的研究与设计 [D].保定：华北电力大学，2015.

[3] 崔升广.高等院校智慧实验室建设研究与应用 [J].辽宁省交通高等专科学校学报，2016，18（5）：58-60.

作者简介：胡荣亮（1979.02-），男，汉族，安徽肥东人，工程师，本科，研究方向：教育技术学;郭明远（1988.08-），男，汉族，安徽寿县人，助理工程师，本科，研究方向：计算机教育。