分布式架构的智慧实验室的设计

吴伊萍

(1.泉州师范学院 数学与计算机科学学院，福建 泉州 362000；

2.福建省大数据管理新技术与知识工程重点实验室，福建 泉州 362000；

3.智能计算与信息处理福建省高等学校重点实验室，福建 泉州 362000)

2012年3月教育部发布《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》，指出高等教育信息化重点推动信息技术与高等教育的深度融合，促进教学手段和方法现代化，推进教学实验平台信息化建设[1]等。2017年10月，党的第十九次代表大会报告中指出优先发展教育事业。加快一流大学和一流学科建设，实现高等教育内涵式发展。

近年来各级政府、教育主管部门、学校、教育行业等相关企事业单位加大了对教育信息化的研发和投入，各高校教育信息化水平不断提高，但仍存在着一些问题。如，国内各高校的信息化建设缺乏统一标准和规范；校内师生不清楚校内实验室所具备的软硬件资源，实验教学信息化程度和实验室服务水平还不足以满足师生个性化、多样化的教学、学习和科研需求；部分高校实验室信息化管理水平较低，实验室安全隐患多、实验资源分布不均、设备更新速度慢、设备利用率低，实验技术队伍建设滞后等问题。

对我校智慧实验室建设中的思路及应用场景进项梳理。首先分析了智慧实验室的内涵；其次介绍了我校实验教学中心的工作需求，及采用分布式架构设计智慧实验室的优势；最后详细介绍了智慧实验室的系统设计及在实际工作中的应用，具体包括虚拟仿真实验教学平台、智能实验室管理平台以及实验中心门户网站的设计及应用。

1 智慧实验室的内涵

智慧实验室是高校发展智慧教育，培养智慧型人才，建设智慧校园，提升教学质量的重要阵地。伴随着智慧教育的发展，智慧校园的建设，智慧实验室作为智慧教育和智慧校园的重要组成部分，各级教育主管部门启动了虚拟仿真实验教学中心，国家级实验教学示范中心，省级实验教学示范中心、虚拟仿真实验教学项目等的建设与评审。智慧实验室的建设成为高校提升办学水平的重要内容。

关于智慧实验室的研究主要有两点。第一，借助新兴信息技术，推动实验教学改革，建设虚拟仿真实验教学中心，实现优质教学实验资源共享，提高资源利用率。王卫国等[2]介绍了国外高校以信息技术推动实验教学改革，应用信息可视化、立体显示、虚拟现实、增强现实、3D打印、人机交互等新兴信息技术在教育教学领域。刘亚丰等[3]指出利用云计算、云存储等技术，可实现教学实验资源的优化与共享，提高教学资源利用率。周世杰等[4]以网络信息安全中的攻防实验为例，依托虚拟仿真技术，开展网络攻击、病毒注入等实验，避免了在真实环境中开展实验的破坏性，突出了实验教学中虚拟仿真实验的必要性。第二，智慧实验室依托校园网络、物联网等技术，实现实验室管理的智能化与网络化，提高实验室的管理与服务水平。李伟等[5]基于分布式架构构建了大规模在线学习系统，解决了因链路带宽不足和传输数据量过大而导致的网络拥堵。彭一明等[6]利用物联网、智能控制等信息技术，构建物联、互联、智能化的智慧计算机实验室，以规范实验室的仪器设备、教学实践和数据统计分析等工作以及提高仪器设备的使用效率。周瑞等[7]指出智慧实验室系统是依托校园网络，应用物联网技术，实现实验室管理人员与师生互动的智能化、网络化的开放管理平台。崔贯勋[8]介绍了基于物联网技术的实验室智能综合管理系统，降低了实验室管理工作量。

综上分析，智慧实验室是在传统实验室的基础上依托校园网络、物联网、虚拟仿真等信息技术，实现实验室软硬件资源管理与利用的网络化与智能化，实现实验教学信息化。智慧实验室的建设，有利于推进虚拟仿真实验教学中心的建设，提高优质教学实验资源的共享率和利用率，降低实验室管理工作量，提升实验室管理与服务水平。未来，智慧实验室建设以满足教学、科研和社会需求的个性化与多样化为导向，创新实验室管理和服务，建立以人为本的高校智慧实践教育新阵地，不断提升高校办学水平。

2 智慧实验室系统设计

2.1 需求分析

以泉州师范学院信息技术实验教学中心的智慧实验室建设为例。2015年申报福建省高等学校实验教学示范中心建设项目，成功入选2015年省级实验教学示范中心建设项目。实验教学中心现有计算机公共机房9间，专业实验室10间，在建实验室6间，年服务人时数达到五十多万，设备数超1500件。主要工作内容包括：第一，全校计算机公共基础课程实验教学与考试；第二，教育科学学院、物理与信息工程学院、化工与材料学院、纺织与服装学院等11个学院的近百门计算机辅助设计类课程的实践教学；第三，数学与计算机科学学院物联网工程、计算机科学与技术等四个专业的专业实验课；第四，承办各类计算机等级考试及大学生信息技术类竞赛；第五，服务社会，为企事业单位信息化培训考试等提供技术、设备和场所等服务。

2.2 分布式架构下的智慧实验室设计

为提高实验技术队伍工作效率，提升实验资源的共享率与利用率，推动实验教学改革，提升实验室管理水平，本文介绍了采用分布式架构，依托校园网络、物联网、虚拟仿真等信息技术，设计智慧实验室。分布式架构具有利用小型服务器代替大型机[5]，分布式处理数据的能力优于单个大型机[5]，单个软硬件资源的故障不会导致整个系统瘫痪[9]，后期扩展性更好等优点。由于我校属于地方高校，每年投入到实验教学的经费有限，采用分布式架构，实现了分期建设，逐期扩展，较好的解决了一次投入成本高的问题，保障了整个系统的稳定性和可靠性。

智慧实验室的设计，采用分布式架构，按照业务需求划分各个子系统，将智慧实验室分为虚拟仿真实验教学平台、智能实验室管理平台和实验教学中心门户网站三部分，如图1智慧实验室功能结构图所示。虚拟仿真实验教学平台由一系列实验教学软件和实验教学管理平台组成，实验教学管理平台包括平台行政中心、实验教学子系统、资源管理与共享子系统和交流中心子系统四部分。智能实验室管理平台由实验室环境监测系统、实验室视频监控系统、实验室门禁管理系统、以及实验室开放预约服务系统组成。实验中心门户网站是实验教学中心对外服务的窗口。

图1 智慧实验室功能结构图Figure 1 Functional structure of smart laboratory

在系统的物理结构设计上，采用分层结构，按照从高到低分为：应用层、网络层和基础设施层，如图2智慧实验室系统架构图所示。各层功能如下：

（1）应用层：由不同功能的子系统组成，保障智慧实验室的正常服务。具体包括虚拟仿真实验教学平台、智能实验室管理平台及实验中心门户网站。虚拟仿真实验教学平台实现了远程在线实验和实验教学管理等功能。该平台可满足师生个性化、多样化的实验教学服务，有利于优质实验资源共享。智能实验室管理平台依托校园网络与物联网，实现实验场所的环境监测、视频监控与门禁管理，实现在线预约实验室及仪器设备等服务。实验中心网站包括中心介绍、通知公告、实验教学、规章制度、实验平台等栏目，便于师生及时了解实验教学中心的各种资源，保障信息的透明化。

（2）网络层：该层为智慧实验室的正常网络通信提供保障，由千兆以太网组成，实现视频、传感器、门禁、对讲系统、应用层各个系统等各类数据的可靠传输，为智慧实验室的各项实验教学与管理服务提供可靠的数据传输。

（3）基础设施层：该层是智慧实验室的最底层，负责数据采集、环境感知和数据存储，由服务器、增强型一体机、磁盘阵列、甲醛传感器、温度传感器、烟雾传感器、湿度传感器、刷卡机等设备组成。其中，摄像头负责实时采集实验室空间视频数据，传感器用于采集实验室甲醛、温度、湿度、烟雾等环境数据，刷卡机负责读取用户出入的一卡通信息，服务器、一体机、磁盘阵列等用来存储处理数据，从而实现智慧实验室的环境的全面感知和远程智能控制。

图2 智慧实验室系统架构图Figure 2 Architecture of smart laboratory

3 智慧实验室的实现

3.1 关键技术

智慧实验室的实现运用了虚拟仿真技术、物联网技术、数据库技术和软件开发技术等。虚拟仿真实验教学平台的开发应用了计算机技术、多媒体技术、网络通信技术、电子技术和虚拟现实技术等，构建了新型的实验教学模式，采用J2EE开发，用Java语言实现。实验室环境监测系统基于云平台的框架搭建，采用浏览器/服务器模式（B/S模式）设计，数据库操作层中间件Hibernate，业务逻辑处理中间件Spring，界面模型中间件Struts，开发工具为Myeclipse，web发布容器Tomcat，数据库MySQL。该系统核心模块是接收设备数据的线程、定时器线程和数据管理线程。实验室门禁系统配置2.8寸LCD显示屏、200万高清摄像头，设备支持TCP/IP与Wi-Fi通讯。实验室视频监控系统配置高清摄像头、网络硬盘录像机、网络视频服务器、IPCamera等设备及视音频编解码卡，支持实时预览、录像存储、远程回放和下载等功能。实验教学中心门户网站是基于Web Plus Pro网站群平台实现的。

3.2 智慧实验室运行机制

智慧实验室的部署与实施依托国内外相关企业强有力的技术团队支撑。实验技术队伍需要在工作中学习新技术并运用于工作中，不断更新服务方式，提高工作效率。智慧实验室的有效运作，依赖于实验教学中心规范化的管理制度以及教师、学生、实验技术队伍和管理层的支持。如图3，全校师生通过互联网访问实验中心门户网站，通过该网站可直接访问虚拟仿真实验教学平台或智能实验室管理平台，了解中心所拥有的软硬件实验资源，预约使用实验室及相关仪器设备。实验技术队伍访问智能实验管理平台，根据权限处理各个子系统的事务，实时查看实验室动态、环境、处理师生预约、发布各类通知等。学生能访问相关网络学习资源，部分实验可在线完成实验的预习、操作、提交实验报告、向教师提问等。教师能在线部署实验内容（含操作小视频、实验指导手册、实验要求等），为学生答疑等。

图3 智慧实验室运作机制图Figure 3 Operation mechanism of smart laboratory

4 智慧实验室在实验教学与管理中的应用

从实验教学的角度，师生通过虚拟仿真实验平台实现了实验教学的网络化、信息化和智能化，实验教学效果有较好地提升，学生的实践创新能力得到了较好训练。第一，解决了传统实验教学中高能耗、高危险、破坏性大、在实体实验设备上难以实现等问题。例如《模拟电路》通过Proteus实现了差分放大器特性的对称性验证；《网络信息安全》通过VMWARE等虚拟机环境实现了网络攻防与病毒攻防等实验；《物联网应用开发》借助虚拟仿真技术实现了停车场收费管理系统实验。“虚实结合”的实验教学模式，使学生在虚拟仿真的实验环境中充分运用所学理论知识，在实践中提升动手操作能力和创新能力。第二，在线实验教学环境打破了时空限制，学生通过自主反复多次练习，在课堂上实验操作效果更好。

从实验室管理的角度，传统模式下一个实验室工作人员只能管理临近的几个实验室。在智能实验室管理平台的帮助下，一个实验室工作人员通过实验室视频监控系统，能实时查看整个中心所有摄像头采集的实验室内外数据（如图4监控视频所示），大大提高了实验室工作人员的工作效率，保障了实验室的安全。同理，通过环境监测系统（如图5环境监测），能实时查看实验室温度、湿度、烟感、甲醛、空气质量，提醒实验室工作人员及时通风，保证实验室空气质量，为师生提供更优质的实验室环境。

图4 监控视频Figure 4 Surveillance Video

图5 环境监测数据Figure 5 Environmental monitoring data

5 结束语

智慧实验室建设是推进信息技术与高等教育深度融合，实现高等教育的内涵式发展的必然需求。本文依托校园网络、物联网、虚拟仿真等信息技术，采用分布式架构，实现了智慧实验室。它由虚拟仿真实验教学平台、智能实验室管理平台和实验中心门户网站组成。智慧实验室的建设推进了实验教学信息化与实验室管理与服务的智能化与网络化，提高了实验室工作人员的工作效率，实现了优质教学实验资源的共享，提高了实验资源的利用率，促进了本科教学质量的提升。