大数据、云计算和物联网技术在高校计算机实验室开放建设中的应用研究

王军号 杜朋 黄娟

摘要：以大数据、云计算和物联网技术为核心，运用“互联网+”的理念，拓展计算机实验室教学与管理的时间和空间，构建全新的实验室开放管理模式，把数据挖掘、网络实验和在线化管理有机结合起来，实现对实验室、实验仪器与安全管理的规范化和信息化，提高实验室开放建设的服务水平与管理水平。采用大数据处理技术，为实验器材采购、实验室评估和实验室建设等实现全面控制、管理和决策提供有力的数据支持。整个系统建设完成后，能够达到智慧学、智慧教、智慧管的目的。

关键词：实验室；开放建设；大数据；云计算；物联网

中图分类号：G482 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）18-0013-02

以“互联网+”为代表的新时期重要的思想与技术潮流，推动了大数据、云计算、物联网等与传统产业相结合，正日益成为创新驱动发展的先导力量，影响越来越深刻。在这种大背景下，中国高等教育领域也发生着巨大的变化。大数据、云计算和物联网技术正推动教育自身发生着变革，未来教育在互联网等技术的作用下将变得越来越个性化[1]。

实验室是高校的重要教学场所，实验室的建设管理在教学活动中至关重要。在信息技术变革的浪潮冲击下，传统的高等教育实验教学和管理方法受到挑战。开放式实验室建设是高等教育改革的方向，是培养具有创新意识和创新能力人才的重要步骤[2]。

一、建设背景

當前随着实验室建设的不断发展，我校现有的计算机实验室管理手段在教学组织和管理模式的实际运行中的问题日益突出，与建设智慧校园的要求不符，集中体现在以下几个方面：（1）上课开门、下课关门的传统方式导致实验室和仪器资源在空闲时间无法利用，而且设备无法共享，造成资源浪费。（2）无法给学生提供自主学习的环境，也无法满足创新与进步的需求，以实验教师为主、学生被动接受的教学模式必然受到全新挑战，这也是实验室开放教学所面临的一大典型问题。（3）实验设备比较多，管理较为困难，教师工作量大增，同时缺乏实验室开放的信息发布、实验预约、数据决策等信息化管理手段。

在这种背景下，为了解决实验教学中存在的上述问题，适应我校智慧校园建设的要求，按照“互联网+”的思想，把全新的大数据、云计算和物联网技术与理念用于建设计算机实验室，便于进一步完善资源配置，优化教学功能定位，改进教学方法与理念，这也正好契合了学校建设发展新校区的设计定位。

二、系统的建设框架

在充分调研和论证的基础上，结合我校计算机实验室的建设与应用情况，突出开放性这一特征，提出引进信息手段，建设开放式实验室管理系统。项目建设以实验教学改革为核心，依托开放式实验室管理系统的支撑，改革传统的实验课程教学模式。通过信息化手段开放教学资源，深化实验教学管理，建设培养学生自主学习和创新实践能力的教学环境。以能力培养为主线，将实验项目面向学生全面开放，以满足学生日益高涨的自主学习和个性化发展的需求；实行教师指导下的学生自主实验，努力培养学生的学习能力、实践技能和创新思维，切实提高实验教学效果、教学管理与服务水平[3]。

围绕满足开放性这一要求对系统软硬件进行升级、更新或替换，新的开放教学管理模型将学生管理系统、教师管理系统、实验室管理系统、安全管理系统、设备管理系统、信息发布管理系统等全面纳入体系，以大数据、云计算和物联网技术为核心，构建全新的实验教学管理模式，满足开放性教学与培养创新人才的需求[4]。

三、系统的网络拓扑结构

运用“互联网+”的思想，以大数据、云计算和物联网技术为核心，把实验室、互联网和智能化设备相联结，形成统一的涵盖设备接入、数据处理和综合应用的网络信息中心；融合无线网络通信、综合布线、安全防范、自动控制、多媒体等学科的技术，建立开放性、创新性、协作性和智能型的综合实验信息平台；教师、学生和管理人员充分获取不同的教学资源，实现教育信息资源的有效采集、分析、服务和应用，不仅可实现各类接入设备的联合教学，还可以实现各类应用场景的模拟，为用户构建起一个高效、灵活的实验环境[5]。

四、系统的平台建设

1.物联网感知平台。以物联网感知技术为基础，对实验室进行信息化设计，实现实验室开放管理的智能化，建立基本的智慧实验室模型。以实验室为主要设计载体，运用物联网技术，充分利用各类传感器采集环境数据，实现实验室的安全管理。利用物联网技术，实现智能化的设备出入库管理，提高实验室资产管理效率[6]。采用TCP/IP协议实现实验室的在线实验，使实验室的管理更加便捷、智能。

2.云课堂平台。云课堂平台是充分挖掘云计算的资源和服务，整合学校现有的实验教学资源和教学系统，将云技术和教育应用紧密结合，解决传统实验教学过程中出现的诸多问题，实现实验室控制集中化、管理智能化、维护简单化，将计算机实验室带入云的时代。通过云计算技术将实验室教学资源充分整合、云化，根据用户的需求将桌面计算机的计算和存储资源（包括CPU、硬盘、内存）集成为不同规格的虚拟机，以服务的方式提供给用户，从而提高资源的利用率，增强管理维护的灵活性。通过桌面云、园区WIFI、移动网络和安全接入网关等设备实现终端的泛接入，使实验室管理员和学生充分享受到移动办公、移动教学的便利。

3.大数据处理平台。采集各种教学数据和管理数据，有学校的设备采购数据、专业设置数据、人才市场需求信息、教学计划、课程表、实验教学资料、实验报告书、实验成绩等；有各种相关专业的网站，如谷歌开发者网站、电子发烧友网站以及学生学习兴趣信息等；还有来自物联网感知平台的相关数据。运用大数据处理技术，采用数据过滤、数据清洗、数据挖掘等技术，分析挖掘各类数据信息，综合应用教育学、计算机科学、心理学和统计学等多个学科的理论和技术来解决教育研究与教学实践中的问题，辅助管理人员做出决策、帮助教师改进课程以及提高学生的学习效率。有针对性的制定管理模式和实验教学模式，因材施教，带来最佳的教学体验，构建全新的实验教学和管理模式，同时为实验器材采购、实验室评估、实验室建设及实验教学质量等实现全面控制、管理和决策提供有力的数据支持。

五、结论

以建设智能化的新校区为契机，依托大数据、云计算和物联网技术，运用“互联网+”的理念，为我校构建全新的实验室开放管理模式，把数据挖掘、网络实验和在线化管理有机结合起来，分享思想，共用资源。充分整合网络课程、教学管理系统、网络开放资源、教学思想和实验设备，其核心是智慧学、智慧教、智慧管。学习者、教学者、管理者从不同入口进入系统，协同工作，资源共享，突破时间和空间的限制，可实现大规模网络化学习和在线化管理，既增加了设备的使用率，又提高了学习效率，满足开放性教学与培养创新人才的需求。

参考文献：

[1]何云亮.“互联网+”对高校的冲击和重塑[J].曲靖师范学院学报，2015，（3）.

[2]姚莉.物联网平台上智慧实验室的设计研究[D].淮南：安徽理工大学，2016.

[3]王慧渊.基于物联网技术的智能实验室的研究与实验[D].杭州电子科技大学，2014.

[4]吴文华，杨庆.智能实验室管理系统下的实验室开发管理[J].实验技术与管理，2011，28（2）：172-197.

[5]温小琴.智能实验室管理系统下的实验室开放管理研究[J].无线互联科技，2015，（22）：131-132.

[6]李建芯.智慧实验室资产管理系统设计[D].北京：北方工业大学，2016.