气象实验教学现代化信息系统的建设与实现

樊仲欣， 朱 彬， 吕晶晶， 安俊琳

（南京信息工程大学大气科学与环境气象国家级实验教学示范中心，南京210044）

0 引 言

实验教学是培养学生实际动手能力，将理论知识与实践操作联系起来的重要教学环节［1］，而实验室则是训练学生实践创新能力的摇篮与载体［2］。出于对教学资源的优化配置考虑，高校实验教学中心的建立可以有效整合相关资源，节约办学资金，统一设备和人员的规范管理体制，激发实验技术人员的积极性，实现资源的集中共享，从而发挥整体优势，为教学、科研、专业业务等提供更为有力的支持［3-5］。对于实验教学中心的运行和发展来说，信息化管理是必备的基础条件，而现代化的实验教学信息系统体系建设应该在传统的实验教学功能网络化的基础上，进一步拓展实验教学的信息化应用范围和深度，对整个实验教学环节进行全方位、网络化、智能化管理，形成较为完善的实验教学一体化系统［6］。

1 中心信息系统体系建设现状

大气与环境实验教学中心成立于2017年，由大气科学与环境气象实验教学示范中心［7-8］和大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学示范中心［9-10］这两个获批于2013年的国家级教学示范中心所组成，其中大气科学与环境气象实验教学示范中心组建于2011年，整合了气象实习台、气象观测站、农业气象实验站等一批气象观测和实习的专业实验室，而这些实验室的建立可以追溯到1960年建校，且经过多年的发展都具有全国一流的水平，尤其是气象实习台，经过2009年中国气象局和江苏省共同出资改造升级，将其建成了全国高校中唯一的具有中央气象台技术水平的天气预报实习台。因此大气科学与环境气象实验教学示范中心组建时便具备了当时高水平的教学、科研、业务等条件，其下属单位气象实习台的信息系统体系如图1。

图1 气象实习台2011年信息系统体系结构图

2017年成立之初，大气与环境实验教学中心（以下简称“中心”）便以虚实结合、协同发展［11］为基本原则，计划整合、提升、扩充下属实验室的软硬件资源，以及开展虚拟仿真系统平台建设等一系列工作，而在中心发展的各项建设任务中，信息化建设面临着一些具体问题。

1.1 管理手段落后，工作效率低下

经过实验室的扩建和新建，现在中心拥有6间实习教室、2间开放实验室、1间虚拟仿真室，共计约400台电脑，但由于管理人员配置受限，每人承担着近100台电脑的管理工作，因此每逢实习课程集中期间便需要频繁重复解决各种软硬件设备的故障及兼容性问题，造成人员工作负担大但效率却很低下的问题。①开放实验室的使用要满足师生随时预约、自主实验的需求，而传统的人工管理方式显然达不到其对管理效率的要求。②远程视频会商系统需要现场进行开关和信号切换，但由于会商经常不在工作时间范围内，或者在管理人员不在现场时临时有紧急会商，这便会造成管理困难而影响正常使用。

1.2 气象资料和网络教学资源零散孤立

中心的气象实习台接收的外部气象资料，以及气象观测站、农业气象实验站等自主观测获取的气象资料都是二进制或者文本文件形式的，因此各自建立了文件型数据库按照资料的来源进行归类存放，由此导致了这些数据库中大量零散孤立的文件不便于管理，更无法按照气象要素、地区范围等进行结构化的查询操作。而网络教学资源和虚拟仿真资源也同样存在资源分散，无法关联查询，缺乏元数据信息的问题。

1.3 信息共享及展示水平不高

中心的各个实验室都承担着气象资料共享的工作职责，但以往的共享各自为政，并且采用离线拷贝的方式，需要人工进行资料的筛选和质控，因此当遇到资料拷贝量大的工作任务，便不仅消耗管理人员大量的时间和精力，而且还容易在资料处理过程中出现失误。同时，对于虚拟仿真等教学资源的共享也缺乏在线学习平台，无法进行考核与评价。此外，中心作为学校的窗口单位，经常需要在国内外来宾的参观接待任务中展示实时的气象信息，而原有的展示方式是使用多台服务器安装业务系统进行现场运行，这样不仅浪费了大量计算资源而且在管理维护方面也缺乏效率。

因此，这些问题需要通过从上述各方面全方位的提升中心的信息化水平才能够解决，而借助现代化的先进技术是建设网络化、智能化信息系统的必由之路。

2 气象实验教学的现代化信息系统体系建设

经过近几年的发展，目前中心已建立起了一整套结合虚拟桌面、云计算平台、物联网、数据结构化、网络化服务以及虚拟仿真等各种先进技术的气象实验教学现代化信息系统体系（见图2）。

图2的中心信息系统体系以气象实习台的信息系统体系（见图1）为核心进行了整合与拓展升级，增加了自主观测系统、应用气象数据库、气象观测业务系统等内容，并在其基础上进行了7个方面的信息化建设工作（如图2中的1～7）。

图2 大气与环境实验教学中心2020年信息系统体系结构图

2.1 基于虚拟桌面的实习教室

虚拟桌面技术改变了传统教室电脑因各自独立运维，相互难以同步而导致管理烦琐低效的状况。该技术架构由云终端、虚拟桌面控制器、虚拟机管理平台、服务器存储设备等组成，首先通过服务器虚拟化软件搭建具备高可用性的集群服务器环境，为用户新建和开启虚拟机，实现虚拟桌面及应用程序的后台运行；然后通过虚拟桌面发布平台将桌面资源进行整合；最后利用高效的远程发布协议以快速、安全、稳定的方式交付给用户，由用户通过各种终端设备随时随地的接入使用。那么通过这样一种将终端设备上的系统和应用虚拟化并集中到服务器端管理的方式，可以在多台终端重复使用相同系统和应用的情况下极大的简化管理维护的工作量，达到只要维护一套系统和应用就等于实现了所有教室电脑（即终端）的同步化操作，而无须再重复地解决相同的故障问题。

2.2 开放实验室综合管理系统

开放实验室的特点在于实验资源的充分共享，以满足学生自主学习的需求［12-13］。与纯粹软件形式的开放实验室网络管理系统不同，开放实验室综合管理系统是由刷卡派位终端、实验工位电源控制器、智能云台摄像机和网络对讲机这些硬件，以及实验教学综合管理系统、预约派位与电源管理系统、在线实验报告系统这些软件所组成的一个整体。实验室的排课计划查询以及预约审批授权通过实验教学综合管理系统在网络上完成，学生到实验室刷卡派位以后由系统预约派位的机位即可开机直到预约时间结束自动关机并生成考勤信息，在这个过程中学生可以进行实验以及在线提交实验报告，而实验室管理人员则可以在无人值守的情况下，通过智能云台摄像机监控和录制实验室的全程使用情况，以及应对突发状况使用远程语音功能与学生进行对话。这样不仅实现了网络化管理而且还实现了针对具体实验设备的精细化管理，进一步提高了开放实验室的管理水平。

2.3 远程视频会商系统的自动化管理

远程视频会商系统用于中心参加国家气象局和江苏省气象局会商，是中心实验教学的主要特色之一［14］。会商系统使用方式有定时和临时2种，为了减少管理工作量做到无人值守下的自动运行，系统不仅实现了定时开关机同时自动切换会商模式，而且针对临时开会的情况，采用物联网技术设计开发了一套手机APP，可以远程操作会商系统的开关以及模式切换，从而解决了现场管理耗时费力的难题。

2.4 大气资料教学资源库

为解决气象资料和网络教学资源零散孤立的问题，实现资源的高效整合管理，更好地为教学、科研以及虚拟仿真等平台建设服务，中心建立了大气资料教学资源库［15］并且不断充实其中的气象资料和教学资源。大气资料教学资源库基于关系型数据库技术构建，将气象资料依据使用目的划分为常规天气要素预报数据库和气候预测数据库，该数据库以二维表的形式存储，可以用结构化查询语言实现时间区段、地区范围、气象要素等条件的资料筛选。此外，针对包括虚拟仿真资源在内的教学资源零散孤立的问题，大气资料教学资源库中专门建立了自主建设资源数据库，用于存放各种教学资源的元数据信息。以及针对农业气象实验站自主观测获取的植被物理化学特性和土壤物理化学特性等资料，将其存入专门的应用气象数据库。

2.5 气象资料数据分发系统

气象资料数据分发系统以大气资料教学资源库为依托，对接学校信息门户身份认证机制对全校师生开放，可以实现资料的目录清单管理、用户管理、在线查询下载、下载记录统计等功能，从而利用网络化服务高效便捷的优势消除了重复性的管理人员人工处理资料的弊端。

2.6 虚拟仿真共享平台

国家级大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学示范中心自组建以来就着手建立了虚拟仿真实验室以及云层虚拟仿真系统等一批虚拟仿真资源，中心建立以来，不仅不断充实双偏振天气雷达虚拟仿真教学系统、新型自动气象站安装、半干旱区生态保护［16］等虚拟仿真资源，还将其整合入了大气资料教学资源库中。同时，根据教育部要求［17］，为加强实验教学中心信息化建设，推动实验教学资源共建共享，促进虚拟仿真实验教学资源在线开放和高效利用，中心积极开展了虚拟仿真共享平台的建设，该平台基于自主建设资源数据库的虚拟仿真教学资源开发，具有基础信息、用户权限、学习功能、学习记录等基本功能模块，同时还具备符合大气科学学科专业特点和理念的考核评价功能，以及实现与江苏省高校实验教学与实践教育中心共享平台的对接与集成。

2.7 气象资料的网络化展示

在中心的参观接待中，为了能以简单快捷的方式展示实时的气象信息，设计开发了一套气象信息网络化展示系统，该系统可以将气象资料实时地以可视化的方式转换成位图图像保存下来，这样就将原先C/S架构的信息展示方式变为了B/S架构，用IE等浏览器网络访问即可显示实时气象信息，从而避免了许多安装维护业务系统的烦琐工作。同时，该系统也可以将气象资料实时的对外网进行展示，从而用于中心的科普宣传工作。

3 应用成效

气象实验教学现代化信息系统体系的建立使中心具备了更加优良的教学培训环境和实践教学手段，通过优化人力物力等各方面的资源分配，目前在中心人才培养、业务培训、预报预测、教学案例、资料服务、科研应用、创新平台、宣传窗口这八大工作职能中建设效益显著。

3.1 实现中心运行管理的高效化

中心人才培养方面大气类各专业本科生、研究生的天气分析预报等实践教学工作量约每学年1 500人、10万人时；举办气象、民航预报员业务培训班共16期（566人），WMO外籍、港澳共10期（117人），实验室利用率可达到80%以上，因此，虚拟桌面和开放实验室综合管理系统的建设大幅度减少管理工作量，同时还可进行网络远程管理以及点对点的精细化管理，从而使工作效率有了质的提升。此外，中心每个工作日都有国家气象局早间会商，以及不定期的临时远程视频会议，这是中心预报预测职能的组成部分，而远程视频会商系统的自动化进一步提升了管理效率。

3.2 实现中心数据管理的规范化

中心资料和资源零散孤立的问题在大气资料教学资源库建立以后得以解决，数据不仅结构化存储，而且按照常规天气要素预报、气候预测、自主建设资源、应用气象分成四大类和若干小类，为中心的预报预测和教学案例提供了具有清晰对应关系的数据支撑，以便于建立规范化的预报预测思路和教学资源。

3.3 实现中心资源管理的集约化

气象资料数据分发系统和虚拟仿真共享平台实现了气象资料和教学资源的集约化管理，为中心的资料服务职能提供了一种有效的机制，管理人员和师生都可以通过网络享受一站式信息共享服务，进而助力于中心人才培养、科研应用、创新平台的工作职能。此外，气象信息网络化展示系统改变了信息的展示方式，使得一台普通电脑便可以替代数台专业的服务器实现展示功能，从而大大节约了参观接待和科普宣传上需投入的人力物力。

4 结 语

大气与环境实验教学中心以“紧贴学校发展规划，紧贴气象事业业务需求，紧贴学生核心技能提升”为建设指导思想，多年来与时俱进，不断改革创新，大力推进气象教育事业发展，而气象实验教学现代化信息系统体系便是其中的一个缩影，该体系不仅能满足对接现代气象业务和培养应用型、复合型人才的需求，并达到了集约优化资源、高效规范管理的预期规划，而且切实地服务于中心的各项工作职能，强化了中心的内涵建设。