大数据背景下高校智慧实验室的建构

张丽华

(华北水利水电大学 信息工程学院，河南 郑州 450046)

2018年10月，教育部发布的《关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》指出：“打造适应学生自主学习、自主管理、自主服务需求的智慧课堂、智慧实验室、智慧校园,大力推动互联网、大数据、人工智能、虚拟现实等现代技术在教学和管理中的应用。”[1]在此背景下，构建智慧实验室是深化教学改革、面向未来国力竞争和人才成长的需要。实验室是高校开展各种实践课程、进行科学研究的场地，不仅助力培养具有创新能力的高等人才，同时对于科学技术突飞猛进式的发展起到了推进作用。实验室建设水平一方面反映了一所高校的教学和科研能力，另一方面也反映了一所高校的管理水平。教育部前部长周济在第三届中外大学校长论坛上的讲话中指出：“高水平实验室是培养创新人才的重要阵地，是科技创新的主要场所，实验室的数量与水平是一所大学科技创新能力的基本标志之一。”[2]

如今，物联网、云计算、大数据等新技术的使用频率越来越高，高校实验室的管理相应也需要提升，将新的技术应用到实验室的管理中，满足师生越来越多、越来越个性化的需求。因此，智慧实验室的建设应引入全新的实验室管理系统，让实验室的管理做到科学、规范和高效，进一步提高实验资源的使用效率、实验人员的服务水平，进而完善实验教学体系。

一、智慧实验室的架构模型

(一)智慧实验室的内涵

智慧实验室是一种新型的智慧学习环境，是指借助数字化互联网技术、融合智能传感、智能控制和智能安防等先进的无线通信技术建造的一套智能控制、远程可视的互联网实验室[3]。智慧实验室能够实现用户与用户之间、实验室与实验室之间、用户与实验室之间、用户与信息资源之间的通信，自控部分均由实验室智慧化地完成，无须人工控制，同时可将数据进行加工处理转换为信息，为学生、教师和各层次管理者的行动和决策提供支持，从而达到智慧化的目的[4]。

智慧实验室通过物联网、智能设备自动采集数据，云平台实现存储和分析数据，不仅使人工干预减少，而且完成教学全过程记录，降低教学人力成本，动态监控设备状态，达到了实践教学全程可追溯。所采集的数据不仅有助于教师的绩效考核，而且有助于制定设备采购预算。

(二)智慧实验室的架构模型

智慧实验室是在硬件基础上，将物联网、云计算、大数据和移动互联网等信息技术与实验室设备、应用系统实现有机结合。智慧实验室的模型，可以从以下五个层面建构，如图1所示。

图1 智慧实验室架构模型

1.感知层

实验室感知层的硬件设施由不同种类的传感器、RFID系统、IP摄像头、红外测温仪、空调、M2M终端、门禁系统、多媒体设备等构成。感知层可以鉴别实体、获取信息，与人体的皮肤、五官具有相似的功能。

一般情况下，人们通过五感来获取外部世界的信息。智慧实验室架构中的感知层，与人的五官和皮肤一样，用来区分外部世界中的个体，并收集不同个体的信息。感知层的任务是收集实验室中各种不同设备的信息。第一步，利用各种不同的传感设备如传感器、IP摄像头等，将实体设备的数据收集起来；第二步，使用短距离传输技术(包括有线、无线)，如RFID、蓝牙、红外线等来传输数据。

2.智能管理层

通过应用云计算、大数据、移动互联网等信息技术，实验室可以随时利用各种终端，融入云系统。通过实验室各个服务平台，广泛联系、深入交互，满足多方需求，并使各方需求得到迅速反馈。

3.网络层

网络层类似人体的中枢神经，其作用是实现网络互联和获取信息。网络层提供互联网、校园网、WIFI、2G/3G/4G/5G网络、无线局域网络等不同的网络连接方式，确保智慧实验室架构中层与层之间的信息传输，实现信息空间、物理空间的无缝对接。手机、平板电脑和PC电脑可通过网络层提供的不同类型的网络实现互联互通，从而随时获取实验室运行状况的信息；IP摄像头和可穿戴设备等多种智能终端可使用无线局域网实现信息无障碍交流，并实现实验室远程监控的目的；传感器设备经由无线传感器网络与互联网连接，从而实时获取实验室环境信息并进行相应控制。网络层将从感知层和云平台获取的信息，传输给对应的应用模块，应用模块负责对信息进行集中、存储、分类、整合，再发送给应用层，最终由应用层对这些信息进行分析、运用和管理[5]。

4.平台支撑层

平台支撑层提供云计算与云存储、统一身份认证、统一数据库服务平台、虚拟化桌面、直播和录播、大数据挖掘、服务器集群等服务，目的是为智慧实验室提供数据及服务融合。数据标准的建立不仅实现了对不同系统的数据信息进行提取和部署，而且实现了不同应用系统之间的数据共享和交换，无用数据对应用系统的影响也相应减少。

5.应用层

智慧实验室的应用层实现了实验管理、资源获取、设备管理、环境监测等功能。应用层将不同的应用子系统通过接口和契约构建了一个综合服务平台，实现了智慧实验室的高效管理和流畅应用，为实验室建设、实验质量管理等方面的决策提供有力支持。

此外，实验室安全管理是智慧实验室建设强有力的支撑。实验室的安全包括设备安全、运行安全、网络安全和信息安全等。除此以外，建立标准的实验室操作流程也非常重要，规范化的操作和智慧化的管理相结合，才能最大化发挥智慧实验室的优势。

二、关键技术

(一)传感器技术

传感器的主要用途是检测任意一个元器件的状态。它可以感受到还没有测量的信息，所获得的信息变为电信号或其他形式的信息输出，完成信息获取、传输、存储、记录等。

智慧实验室利用传感器来感知实验室内环境的变化。在高校，智慧实验室用到了不同种类的传感器。例如，校园安保系统需要IP摄像头拍摄的实验室环境影像；实验室人员进出管理适用于红外感应；是否发生火灾的检查由烟雾传感器来完成；温湿度传感器除了能监视测量实验室的温湿度，还可以判断其他硬件设施是否在正常工作等。建构完成的智慧实验室以各类传感器为“五官”，其可以感受到实验室内环境的变化，将获得的数据进行分析后对实验室的设备发出控制指令。

(二)RFID技术

RFID技术是目前使用范围非常广泛的无线识别技术，它的无线电扫描器24小时不间断地逐个监视芯片的状态，用无线局域网来传输数据。其中，微芯片“标签”会发射出独特的ID码，通过无线传输，不需要实体接触就可以实现数据交换，并且对方向无要求，因此可以获取完整的产品信息，并把产品信息传输到计算机网络，实现对物品的识别、追踪、排序和确认，管理不同种类的对象[6]。

智慧实验室根据需要配备了不同频率的RFID设备。例如，用于刷卡考勤、身份识别的RFID设备的工作频率在120KHZ到134KHZ之间，学生或教师进入实验室时先刷卡，然后，个人的基本信息和使用设备编号就会自动被收集并传入数据库。设备管理使用的是13.56MHZ的高频RFID设备，自动采集、记录设备入库、出库、使用时间等，当实验室的相关设备被非法带出实验室时，系统就会自动声光报警。

(三)大数据技术

大数据技术是使用一系列非传统的工具对大量的结构化、半结构化和非结构化数据进行处理，从而获得分析和预测结果的数据处理技术。大数据价值的完整体现需要多种技术的协同。大数据技术的体系庞大并且复杂，通常包含数据的采集、数据预处理、分布式存储、NoSQL数据库、数据仓库、机器学习、并行计算、可视化等技术。大数据处理技术主要包括：大数据采集与预处理、大数据存储、大数据清洗、大数据查询分析和大数据可视化。

(四)云计算技术

云计算技术就是以网络为载体，运用分布式数据存储技术、服务器虚拟化技术，把计算设备与存储设备上的资源整合起来，按需获取计算力、存储空间，实现资源共享。“云”(提供资源的网络)中的资源允许根据所需进行扩展，依据用户的使用来付费。

基于云计算技术的智慧实验室管理系统是结合云计算平台的特点而设计的，云计算中的Hadoop和HDFS技术，实现了对实验室进行网络化统一管理。其中，系统的运算速度、资源利用率、存储容量得到大幅度提高，不同校区、不同楼宇的实验室之间实现了事务审核、数据共享和业务办理。

(五)嵌入式技术

嵌入式系统是实现特定功能的计算机设备。嵌入式系统包括软件、硬件两个部分。硬件主要有微处理器、外存、I/O及其他外设，如各类输入设备、鼠标、感知设备等。软件是嵌入式系统的灵魂，没有软件的嵌入式系统就失去其使用价值。多数实时嵌入式系统需要实时操作系统作为支撑。嵌入式软件一般被固化到ROM、EPROM或者FLASH中。

嵌入式技术发展近40年，使用面很广，涉及领域也比较多，如手机、掌上电脑 、车载导航、数字电视等均使用了嵌入式技术。

三、智慧实验室综合管理系统设计

(一)智慧实验室综合管理系统

1.教学管理

教学管理模块的职责是负责实验教学管理，其范围包括实验课程的安排、实验操作、实验考勤、实验汇总、实验成绩及课时统计等实验过程涉及的所有环节，强化学生的实验效果。实验室管理人员根据实验内容、硬件条件、实验室空闲时间，为实验教师安排实验室，每学期开学前形成实验室课表，发送给教师和学生。将实验教学管理模块与门禁管理系统相结合，利用校园一卡通读取师生信息，实现实验教学考勤签到、实验过程跟踪监控及实验课信息汇总等，然后将产生的海量数据，采用大数据技术进行存储、挖掘，从而为教学管理提供决策依据。

2.实验室预约管理

实验室预约管理涵盖了实验前的预约管理、实验过程管理和实验后管理。实验前的预约管理包括空闲资源的发布、实验相关培训、设备使用申请和审核、信誉积分等，为师生搭建一个公开透明、规范的实验平台。实验过程管理是对以下内容进行监控：学生预约成功后，在规定时间通过门禁系统进入实验室，用手机微信扫码获取认可后，可以使用设备并进行实验操作，从而实现对整个实验过程进行全过程跟踪。实验后管理是指实验者完成实验后及时上传实验数据，统计设备使用情况，以便后期汇总和统计分析。学生实验结束后，管理人员根据使用情况给出学生的信誉积分。不良记录累计三次以上者，无法进行预约操作。

3.设备管理

设备管理主要包括设备的入库、实验设备的状态查询、借用归还查询、实验室设备核查统计等。新设备入库后，用RFID电子标签存储新设备相关信息，移动手持设备负责采集数据。利用远程浏览器可实时查看实验室内的设备信息。设备管理系统为教师和实验室管理人员提供设备的有关信息。教师主要根据设备使用状态来安排实验，实验室管理人员对设备运行状态、使用年限、报废情况等信息进行统计。另外，设备管理还要有报警功能。设备被非法带出实验室、丢失时，通过声光报警、短信等方式进行提示和报警。

4.耗材管理

随着设备使用时间及次数的增加，需要更换的配件、耗材会越来越多，耗材的采购也是实验室管理人员的一项重要工作。因此，智慧实验室的耗材管理，利用大数据技术进行数据的存储，所有耗材出库、入库都可以追溯，实现了耗材库存信息化管理，对耗材余量设置库存警戒线，达到库存警戒线将自动预警，相关人员通过采购平台进行耗材采购以满足日常需要。

5.采购管理

可以利用先进的信息技术，如云计算、大数据、电子商务等建立一个采购网站。网站是为实验室量身定制的，包括如下板块：采购申请、采购方案制订、采购合同管理、后期的建账、报销等。有了这个采购平台，将大大提高实验室的采购效率和管理水平，让实验室管理人员从复杂的申请、申购、建账、报销程序中解放出来，更专心地投入到日常实验室管理中。

(二)高清视频示教系统

教师在实验室做实验，通常采用的是现场操作或演示的方法。由于现场条件有限，不是所有学生都能看清、看懂。建成高清视频示教系统之后，教师现场操作或演示的实验不再受空间限制，学生可以查看、回放教师的操作视频，独立完成实验。高清视频示教系统采用高清视频和网络技术，教师的操作视频被传送到示教终端工作站，学生通过监控工作站调整IP摄像头的角度，就可以清楚地看到教师的实验操作流程。

高清视频示教系统包括示教终端工作站、视频录播服务器、教学服务器、网络存储服务器和学生操作室。通过视频编码器采集设备和IP摄像机影像，学生的操作被传送到示教终端工作站，与教师进行交流。示教终端工作站可以演示实验，同时进行录制并将视频保存到本机示教终端工作站的硬盘上，学生可以实时观看，也可以回放。视频录播服务器的作用是对音视频文件在线录制和回放。由于视频录播服务器容量有限，可将视频录播服务器录制的内容采用大数据存储技术进行存储，方便后期对数据进一步处理。

(三)实验室设备管理平台

1.多媒体演示系统

为了实现实验教学一体化，每个实验室配置了多媒体演示系统。传统的多媒体是不入网的。现在的多媒体演示系统利用网络实现了远程控制，提高了实验教学质量和服务水平。实验室内的多媒体演示系统包括三个模块：远程设备控制、闭路电视监控和主机控制系统。基于校园无线网，通过移动终端远程控制应用程序发送远程控制指令给主机控制系统，主机控制系统负责接收、分析指令控制相应的设备。闭路电视监控系统用来采集实验室设备运行情况，然后传输给总控系统。这样一来，实验室管理人员可以随时掌握设备的运行情况，以防意外的发生。

2.智能供电系统

实验室供电系统维护着实验室的正常运转和实验室的安全。传统实验室的供电系统由实验室管理人员控制实验室的供电、断电，由于人的疏忽，会给实验室造成安全隐患。因此，安全可靠的供电系统对于智慧实验室的正常安全运转是非常重要的。

实验室电源控制可引入智能电源控制器，通过电源控制器来控制实验室内设备、照明系统的供电。智慧实验室的供电系统，可采取如下控制方式：实验室需要供电时，由实验室管理人员授权打开供电系统，实验室正常供电。假如不在供电时段内，监测到实验室电源在供电状态，智慧实验室控制器就会发送控制命令，切断实验室的供电。当感知设备监测到实验室内某些设备发生故障时，系统及时报警，由报警信息系统自动判断是否需要切断电源，防止实验室灾难性事件的发生，确保整个实验室的安全[7]。

3.实验室设备总控系统

实验室设备总控系统实现对实验室内设备的统一控制和管理，涵盖了设备的开与关、空调、灯光、空调、IP摄像头等，并记录下这些设备的状态、使用率、故障率等各项数据信息，然后把这些信息存储起来，方便日后管理。

4.实验室物联网管理系统

实验室物联网管理系统采用的技术有RFID技术、传感技术、互联网技术等，包括各类传感系统、门禁系统、消防系统、安保系统等。传感系统对实验室的温度、照明、空气、空调等进行实时监测。当实验室环境出现异常，设备总控系统就会发出指令，进行多种方式的报警，如声光报警、短信报警，联动实验室的智能开关，处理安全隐患。门禁系统可以识别用户信息、刷卡考勤，记录每个学生的出勤情况，便于教师及时发现问题、解决问题。

四、结语

智慧实验室在建设中采用了大数据、物联网及云计算等新一代信息技术，并将实验过程中涉及的软硬件、实验人员等各种资源整合在一起，打造了一个新型实验环境。目前，建设智慧实验室最大的困境是资金不足。智慧实验室的建设不能由政府独自买单，高校的决策者需要考虑适当引入社会资金实现加快建设智慧实验室的目的。智慧实验室建设是当下学界的一个研究热点，笔者的上述研究还不够深入，有待于学界同仁进一步的研究与探索。