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新工科背景下计算机类综合实验室建设与管理

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王永生孔冬冬张丽霞斯琴

摘要：新工科背景下计算机类综合实验室管理体制和模式的改革是提升高校教学质量的必经之路。目前，高校计算机类综合实验室存在重复建设、资源共享水平低于管理运行困难等问题。本文提出了新型实验室的创新模式及管理体系设计，阐述了建成后体现出的价值及成效，为新工科背景下计算机类综合实验室建设管理研究提供借鉴。

关键词：新工科;计算机实验室;建设与管理;云计算

中图分类号：TP393? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）26-0094-03

随着云计算、大数据、人工智能等智能技术（以下统称大数据时代技术）的快速发展和广泛应用，高校计算机类专业面临新工科建设和改革大潮的洗礼，与之相配套的实验教学模式改革、实验平台建设等都将发生重大变革。

新工科建设背景下的高校计算机实验室是教学和学生实践的重要基地。它的建设应以人才培养与学科研究、建设互动为原则，与学科发展、创新人才培养、师资技术培训、服务社会紧密结合起来。所以合理规划实验室的建设及提升实验室的管理水平对提高教学质量、促进科学研究、培养高质量的人才有着极其重要的意义。具体表现如下：一是满足不同专业和课程的实验教学要求;二是计算资源应集中存储、统一调度和管理，实现资源的整合和共享;三是具备多媒体教室、智能研讨、开放自习、课程录播、标准化考试等多种功能;四是实验室应具备数据的自动采集、集中存储和智能分析功能，并能在此基础上为未来的教学策略提供决策依据。

1 现状分析

1.1实验室建设背景

各高校积极响应新工科建设趋势，深化工程教育改革的需要，结合国家关于大数据、人工智能的战略发展定位，都把计算机实验室建设放在首要位置，实现实验室“规划高起点，建设高质量，运行高效率”，能够以“最少资金、最小场地、最简维护”来建设和运行。

1.2 实验室体系结构

通过对大數据时代背景下新工科建设的详细调研分析，确定计算机类专业具有“五位一体”的实验实践教学体系，即包括公共虚拟基础实验室、本科专业实验室、重点专项实验室、学科重点孵化实验室、自治区级科研平台，力求创新拓展工程实践教育的质量（如图1）。

其中计算机综合实验室为学院所有计算机类课程提供边讲边练的教学环境和通用的实验实训环境，同时为其他五类实验室提供统一的计算资源、存储资源、和数据收集分析服务;自治区级科研平台为高校从自治区申请的各类专项平台，为整体科研实力的体现;本科专业实验室为本专业本科教学、实验使用的专业实验室，各专业至少设置一个专业实验室;重点专项实验室为重点发展学科的配套实验室;学科孵化实验室为学院研究生教育和各科研团队提供科研实验、实训服务。这几类实验室中具有同质化的功能需求，通用的计算资源需求和软件环境需求，可由计算机综合实验室统一规划和集成整合，实现资源共享提高效率的目标，网络安全、大数据处理等非通用环境需求在专业实验中实现，因此计算机综合实验室成为学院实验室体系规划设计的第一个关键环节。

1.3 传统计算机实验室存在的问题

实验室的建设和管理工作涉及管理体制、设施设备、实验队伍、软硬件环境与生产安全等几个方面，而传统实验室在建设、运行和管理上均存在产出效益较低、仪器设备利用率不高、分散建设各自管理等弊端，不能适应大数据背景下新工科实验实践的教学需求。

（1）实验室资源问题。如图1所示提到的各层次实验室存在一定程度的“交叉”和职责不清，管理上未能有效融合，导致对资源安排缺少科学的顶层规划、集中统筹和共享机制，从而使设备利用率低、共享性低、用户体验差。另外，教学实验室按专业建设的思维导向还未根本改变，实验室跟着新专业建设的通病表现明显，导致实验室资源分散，低水平重复建设的现象比较普遍，大面积更新硬件设备，没有合理配置软件教学资源，缺少数据收集和分析的手段，导致严重的资源浪费和实验室利用率下降。所以急需建设跨专业应用的综合实验教学平台。

（2）实验队伍建设问题。各层级实验室的分散建设和管理导致实验管理人员严重不足，由其他岗位兼任，人员变动大且缺乏相应的专业素养，在实验室建设、运行和管理上没有连续性，导致实验室服务水平低下影响正常的实验教学活动。

（3）实验教学环境管理问题。由于学科的专业建设及定位不同，实验室教学环境在不同课程和不同教师间存在较大差异，为了满足实验教学需求，传统实验室在同一终端下安装所有不同的教学及实验环境，导致系统复杂性提高，而实验室的软件环境又经常需要更新，使实验室可用性降低且需要专人进行“保姆式”的管理维护，这种管理模式使的实验室管理水平低下，无法实现预约实验和开放实验的目标。

（4）实验室运行管理问题。学生在使用计算机的时候，随意拉拔配件，极易导致设备损坏。另外学生缺乏网络安全意识，学生的上网行为不够规范，没有正确下载并安装正当来源的计算机软件，导致计算机被病毒感染或被植入一些恶意程序，出现安全问题。

（5）实验室运行超负荷的问题。目前计算机综合实验室不单承担着全院计算机基础课程的教学、实验教学环节，而且还安排了许多科目专业课程的教学实践，课余时间还被用来承接对外培训及相关专业机试任务。实验室每天平均使用时间至少在12小时以上，超负荷运行和资源配置不足明显加大了管理维护的工作量。另外大多数高校实验室都采用集中授课的方式，具有规定的授课时间，要求学生在上课时完成实验任务。然而，有些计算机类实验过程比较复杂，需要花费较长的周期，一次课无法完成全部的实验工作，下课时学生只能中断实验，严重影响实验效果。

1.4实验室建设需求分析

结合大数据时代背景和新工科建设要求，实验室建设将从根源上着手开展计算机类专业实验教学改革。具体思路如下：

（1）从理论和实践、教学和科研究方面探索多类型、多层次的实验教学模式，设计出“计算机基础学科实验教学体系”;

（2）整合单位的所有资源，加快实验教学平台的规范化、智能化和多元化建设;

（3）积极培养和引进高技术专业人才，建设一支老中青相结合的师资队伍。

2 实验室建设方案及管理体系设计

2.1 实验室建设的总体框架

实验室建设的总体应用架构的搭建及系统平台的构建遵循面向服务架构（SOA）原则，具备安全性、集中性、高效性、开放性、可扩展性。总体框架（如图2）由软件平台和硬件设备整合而成，主要包含了：（1）终端接入层——教学科研实验的管理;（2）资源及运维管理层——云服务及实验室的运维管理;（3）硬件设施层——网络存储及硬件系统等物理设备。

方案的总体框架如图2所示：图2中“资源及运维管理层”主要负责以下的工作：（1）计算资源虚拟化：主要包括虚拟化服务器业务网连接规划、虚拟化服务器心跳和管理网连接规划、虚拟化交换机的设计与规划、虚拟化服务器主机名称网口信息规划、虚拟化服务器本地硬盘规划、虚拟化服务器VMware Vsphere安装、虚拟化服务器配置管理网络、虚拟化服务器识别磁盘阵列及虚拟化服务器的集群配置等;（2）网络资源虚拟化：主要包括核心交换机安装规划、心跳和管理交换机安装规划、远程监控维护交换机详细规划、防火墙安装规划及网络数据流隔离规划等;（3）存储资源虚拟化：主要包括存储设备整体配置、设备管理口地址分配、阵列硬盘摆放规划、阵列FAST CACHE配置、STORAGE POOL和LUN规划方案、INITIATOR、HOST、STORAGE GROUP规划、整体拓扑结构规划、光纤交换机zone规划方案、光纤交换机管理端口规划、阵列多路径聚合及备份系统规划等。

2.2 核心数据中心建设

核心数据中心包括实验室通用服务器、教学资源服务器、实训服务器和学生创新创业服务器，由几台高性能服务器构成。使用服务器虚拟化技术组成虚拟资源池，供动态分配使用。该中心为其他所有实验室提供网络、存储、供电及虚拟服务器等资源，同时为其他实验室提供服务器托管服务，集成空调、UPS、视频监控等动力环境管理等。

虚拟基础实验室采用虚拟化技术使实验室软件环境相互隔离，从而实现实验室用途多样化，可在需要时将几个实验室统一管理，整合为标准化考场、录播教室等，实现集中考试、精品课程录制等。

核心数据中心建设架构如图3所示，底层为物理服务器，提供计算和存储资源，使用服务器虚拟技术建立虛拟资源池，供各类应用使用。

2.3 私有桌面云建设

2.3.1建设可共用的实验环境

应用桌面云技术，根据各专业和各级实验室需求建立虚拟实验环境，集中部署在核心数据中心虚拟桌面云服务器上，按需向用户下发虚拟桌面环境。提供实验教学一体化管理功能，为教师和学生提供可操作的虚拟实验环境，使学生在桌面上可以选择自己的实验系统完成实验。

2.3.2建设人性化的桌面云服务平台

桌面云服务平台可以根据教师提出的要求，方便地构建实验环境并可随时更新，便于实验室管理。也可以根据教师和学生提出的创新需求，为学生提供开放服务。建设桌面云服务平台还能减少实验设备的维护强度，解决实验人员不足的问题。不仅方便实验室教学环境的管理，也促进了实验教学的改革和创新。

2.4 建设教学资源库和实践能力分析平台

建设公共教学资源，包括云计算、大数据处理、机器学习精品MOOC课程、案例库、知识库等，实现跨专业、多实验室间教学资源共享和数据同步。实践能力分析平台，收集各种教学环节的作业、实验、课程设计等教学要素的元数据，为今后进行学生全周期的实践能力分析提供素材，为学院的实践教学提供决策依据。

3 实验室建设的成效

大数据背景下实验室建设应结合大数据发展战略，应用先进信息技术，支持混合式教学等新型教育教学模式，重视实验教学和工程实践能力的培养，贯彻“共享、重用、开放”的建设理念，以区内一流实验室（一流管理、一流服务、一流教师、一流实验设备）为建设目标，将实验室打造成自治区示范实验教学基地和示范工程实践教育中心。

（1）解决实验室资源分散的问题。规划综合实验室时综合考虑各层级实验可共享的底层资源，建设核心数据中心，为所有实验室统一提供服务器计算资源、存储资源和网络资源，实现各层级实验室间共享底层资源，提高设备利用率，降低其他实验室建设的工程量和难度。

（2）解决实验室功能单一的问题。虚拟实验室可以为师生提供可操作的虚拟实验环境，使实验室可以随时通过改变软件环境而改变实验室用途，实现实验室资源共享和重复利用，使计算机综合实验室可完成公共教学、各专业实验室中大多数通用实验的应用，实现实验室功能多样化，成为计算类课程边讲边练的授课场所，集体实践实训的场所，学生和科研人员自行实验的场所，开展精品课录制、MOOC课程制作及教学检查的场所，混合式教学改革试点场所及标准化考场等。

（3）解决实验室空间封闭的问题。实现了实验室物理上开放，不再是按规定的时间上课下课，师生可通过智能门禁随时授权进入实验室开展学习科研活动，使实验管理人员从“保姆式”服务中解放出来，专心从事实验实践教学研究，同时也为师生提供体验更好的自助式服务。

（4）解决实验室时间上固定的问题。实现实验室教学资源线上共享，学生在宿舍电脑、手机上可查看课件，也可继续未完成的实验。

（5）解决实验环境维护困难的问题。使用服务器虚拟化技术和桌面虚拟化技术，实现各实验环境相互隔离，保存在虚拟服务器上，需要时及时下发至实验室终端，并可在终端上随时更新任何实验环境，实现实验室高效运行。

（6）解决实验室数据采集和分析缺失的问题。对教学过程中产生的学生学习行为数据、教师教学能力数据进行收集和存储，并对学生的实践能力进行全程跟踪和分析，实现了数据保存的完整性和实用性。

4结束语

新工科背景下计算机类综合实验室建设与管理是一项既艰巨又复杂的任务，我们应顺应时代潮流，创新思维、创新模式、创新办法。构造一套科学、系统、智能化的实验室管理与运行机制，在培养高精尖人才、科学研究和社会服务等方面发挥应有的功效。

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【通联编辑：光文玲】

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