殷守军　邱中梅

摘 要： 针对高校计算机基础实验室在管理上存在的工作烦琐、 效率低下等问题， 经过研究对比， 基于无人值守化管理和全开放的思路， 使用VB.NET语言设计基于四层系统结构的开放式计算机实验室管理系统。 此系统以校园卡为基本媒介， 通过计算机客户端实时与服务器端的信息交互， 实现对计算机基础实验室内所有计算机的开放式、 无人值守化管理， 解放了人力， 方便了学生， 提高了教学质量和管理水平。

关键词： 计算机基础实验室， 开放管理系统， 四层系统结构， 实时监控

随着计算机技术的快速发展， 计算机的应用范围越来越广泛， 各学科、 各专业都开始将计算机作为学习和工作必不可少的工具， 计算机基本技能的掌握程度也成为衡量现代人才能力水平的重要标志。 帮助学生掌握计算机知识、 培养学生的计算机应用能力是高校非常重要的任务之一。 计算机基础实验室是学校计算机及相关课程实验教学、 实训教学、 课程设计及学生自学计算机科学知识、 提高计算机操作技能和应用能力的主要场所。 为了适应正常的教学需要， 提高教学效果与教学质量， 计算机基础实验室的建设和管理要与时俱进， 适应新的时代要求， 更好地为教学、 为学生服务。

为了提高计算机设备的利用效率，对计算机基础实验室实行开放式［1］的集中管理，设计和探索开放式的实验室管理系统， 是一个更有效的管理方式。 开放式的管理方式是在纯人工的调度管理方式和基于门禁系统的基础上发展而来的， 是基于网络的实时与客户端计算机交互的一种管理方式。 它在对客户端设备进行快速有效管理、 提高实验室工作人员的工作效率和降低劳动强度、 实现资源共享、 提高学生自我约束能力等方面具有突出的优势。 在结合监控摄像头、 数字硬盘录像机和开放式实验室管理系统之后， 实验室完全可以实现开放的、 规范的、 自动化的、 科学的管理。

1 计算机基础实验室开放存在的问题

随着现在高校教学改革的深入， 学生对计算机技术需求的不断增加， 以及学校招生规模的不断扩大， 高校的计算机基础实验室呈现出了以下问题。

1.1 学生上机形式呈现多样化， 比如课堂上机、 实训上机、 自由上机， 以及各种形式的考试、 培训、 比赛等。

1.2 服务对象多样化， 专科、 本科、 研究生、 自考生， 还有各类培训班等。

1.3 机房规模越来越大， 像以前一两个机房几十台计算机已满足不了现在的需求， 目前的计算机基础实验室建设规模已达到近千台。

1.4 实验室管理人员要对近千台电脑的使用情况做到及时的了解， 必须每次在学生上完机后， 检查机器的情况， 这样往往很难发现电脑的故障， 并且工作量很大。

计算机基础实验室的开放管理系统， 应用现代IC卡技术、 数据库技术、 计算机及网络技术， 真正实现从IC卡发放监管， 到学生实验室上机， 实验室监控， 直至上机信息的汇总、 统计、 分析等各项管理功能， 完成开放机房对学生课程内与自由上机的科学管理的需求。

2 系统需求分析

本计算机基础实验室使用面积1600m2，分两个区域，共有800台机器，共16间实验室， 负责全校所有非计算机专业学生的大学计算机基础、 Visual Basic程序设计、Visual C＋＋程序设计、多媒体技术、数据库技术、网页设计以及部分计算机专业基础课的实验教学任务。 为了能够充分地、 有效地利用现有计算机设备， 提高教学质量及实验室管理水平， 需要建立以计算机基础实验室实际情况为基础、 适合本单位的一个科学高效的管理控制系统。 要求在正常教学运行时间的基础上能够完全性开放， 学生可以自由在实验室上下机； 改变需要管理教师控制实验室的工作方式； 可以进行课程运行管理， 杜绝非法使用计算机； 能够实现上机人员的核查、 上机人数的统计、 上机时数的检测等工作。

3 软件设计思想

取消管理教师控制实验室的工作方式， 学生可以自由出入计算机基础实验室。 以校园卡为媒介［4］，通过校园卡的注册管理，实现学生与校园卡信息的对应。学生上机时， 可以在计算机基础实验室的各个房间任意选择计算机设备， 但同一时刻只能在一台计算机上登录。 在计算机基础实验室的局域网范围内， 任意一台计算机上都可以登入开放管理系统， 通过开放管理系统可以了解每一位上机者的基本信息及上机的状态等基本状况， 如姓名、 性别、 学院、 专业、 班级、 上／下机情况等。 可以看到计算机的自然状况， 如当前状态 （好／坏、 忙／闲）、 上机状态 （合法／非法、 上课／考试／课外上机、 正常／强开／强关／异常等）。 能做到对整个计算机基础实验室的计算机设备， 全面地监控和管理，即使出现意外，也能做到事前预警、事中中断、事后发现。［5］

4 系统实现环境

4.1 硬件环境

计算机基础实验室内部局域网络采用总线和星型的混合类型拓扑结构， 在充分考虑实用性、 开放性、 安全性、 先进性和扩展性原则的基础上， 划分以每间计算机基础实验室为单位的虚拟局域网 （VLAN）， 对不同计算机基础实验室进行隔离。 能有效地解决和阻止网络风暴的形成， 便于未来网络系统的扩充， 便于在需要时与外部网络中断或连接。

设置了访问控制列表 （ACL）， 实现各个VLAN之间访问控制。 ACL的设计原则：所有VLAN之间不允许互相访问。 如果需要， 也可以通过接入交换机的端口隔离功能，实现VLAN内的机器禁止互访。 同时在接入交换机中设置防病毒的规则， 并可根据需要设置一些机器不允许访问QQ等服务器， 在特定的时间不允许访问某些视频网站等。

服务器： 戴尔PowerEdge M610刀片服务器8台 （双千兆网卡）， 戴尔MD3600F光纤存储阵列1台 （配置300GSAS硬盘12块）， 服务器作为双机互备， 其中一台作为管理服务器， 一台作为数据库服务器， 为保证系统的可靠运行， 另外有一台作为应急备份。 为配合管理系统的使用， 还有5台服务器分别作为考试系统服务器、 邮件服务器、DHCP服务器、 日志管理服务器、 流量监控等。 为了提高安全性和可靠性， 还对所有服务器的数据每天都进行备份， 特别是管理服务器的数据每5分钟进行异机备份。

客户机：800台（CPU Intel酷睿I5主频3.2G，内存4.0G，硬盘500G，独立显示卡）。

4.2 软件环境

服务器端为Windows Server2003系统。 其中， Web和Web Service服务器一台， 安装.NET Framework 3.0和IIS 6.0； 还有一台数据库服务器， 安装SQL Server 2005。 客户端为Windows xp系统，安装PACK3系统补丁，安装.NET Framework 3.0运行库。［6］

5 系统设计

5.1 客户端设计

由于计算机基础实验室的管理采用开放的模式， 且客户端具有独立的主板、 硬盘、CPU、 内存、 输入输出设备等， 具有独立处理信息的能力。 为防止对客户端的非法使用及通过客户端对网络的非法登录， 需要先对客户端的登录进行控制。

客户端采用客户机／服务器模式 （C／S模式）， 利用界面程序控制方式事先编写好一个客户端的主程序（驻留），［7］通过这个主程序主动与服务器进行互动，流程图如图1所示。

图1 客户端主程序的控制流程图

服务器在收到客户端的相关信息并经过验证后， 对客户端的请求进行响应。 驻留程序在客户端开机后就开始运行， 是客户端的一个主要程序。 当客户端在开机后， 首先进入锁屏界面， 等待用户输入相关的信息 （如账号、 密码等）， 同时进行相关的检测（如服务器端是否强制关／开机或维持当前锁屏界面等待用户登录等的指令）。 用户输入账号和密码登录后 （账号和密码是在对客户端进行注册管理。 一个人可以办理一张卡，在同一时间只能在一台计算机上使用）， 服务器自动进行验证， 如果发现错误， 则提示相关错误信息， 继续等待输入； 如果验证正确， 服务器需要对登录的账号类型进行判断， 账号类型有上课用的公用账号、 自由上机的个人账号和强行解除客户端锁屏的维修账号等。 用户合法登录客户端后， 客户端自动定时进行功能检测。

客户端的检测功能。 这个模块的作用是在用户合法登录客户端后， 在客户端开始运行的， 由Timer控件实现。 客户端每经过一定的时间间隔， 自动访问服务器的数据库进行检测， 客户端的检测模块的检测内容包括通知检测、 时间检测、 强关检测、 重启检测等。 服务器数据库中的信息标志是由管理系统控制的， 可以实现对客户端计算机的实时控制， 杜绝非法上机， 如图2所示。

图2 检测程序流程图

5.2 Web服务设计(www.daowen.com)

计算机基础实验室的开放管理系统总体上采用浏览器／服务器模式 （B／S模式），由于B／S模式是一种以Web技术为基础的新型的MIS系统平台模式。 把传统C／S模式中的服务器部分分解为一个数据服务器与一个或多个应用服务器 （Web服务器）， 从而构成一个三层结构的客户服务器体系。 出于系统安全性的考虑， 三层结构在对数据库的访问方面更直接， 而四层结构中数据库则可以 “隐藏” 起来， 这将极大的保证数据的安全； 由于客户端的应用是采用C／S模式来实现的， 采用四层结构能获得更好的安全性和队列服务， 可以避免高峰时期对数据库的访问冲突。 所以系统结构采用了四层结构，［8］即用户对数据的访问需经过客户端、 Web服务器、 Web Service、 数据库这四层。 因为采用四层结构， 可以使用多种语言开发Web服务端的程序， 这里使用VB.NET工具开发， 在Windows Server 2003和IIS 6.0及以上平台实现。

5.3 系统数据库的实现

系统数据库由两部分组成： 物理数据存储和模式。 物理数据存储包含了应用程序系统生成并使用的数据。 模式包含物理数据存储的附加信息。

通过对系统总体结构与功能模块分析， 结合ASP.NET技术的特点， 在SQL Server 2005中建立数据库， 管理系统中的登录功能模块采用ASP.NET 2.0中的登录控件技术实现。 采用的是四层系统结构， 如图3所示。

图3 四层系统结构示意图

6 系统功能

开放式实验室管理系统功能主要分为常用操作模块、 上课管理模块、 数据统计模块、 后台管理模块四个方面， 其中常用操作模块、 上课管理模块、 数据统计模块等组成前台管理模块； 不同的用户享有不同的使用权限， 管理员能够使用所有模块的功能，如图4所示。

图4 实验室开放管理系统功能图

常用操作： 常用操作模块主要包括常用的一些管理功能， 如办卡、 挂失、 修改密码、 信息修改、 机器信息、 上机记录、 学生查询、 数据汇总等。 这一模块可以进行一些常规的基本操作。 例如设置学生上／下机； 在指定区域、 指定时间内强开／关指定的客户端计算机； 强行对客户端用户进行下机操作； 在实验室关闭时利用结束操作， 对所有数据进行初始化操作等， 如图5所示。

图5 常用操作

上课管理： 此模块包括课程信息管理、 课程设置、 班级设置、 添加学生、 信息修改、 下机时间设置、 学生信息浏览、 上课记录等， 上课管理模块是对正常上课的学生进行管理与规范的模块。 在每学期上课前， 实验室管理人员需要将本学期上课学生的名单按照任课教师和班级导入到服务器系统的数据库中， 并利用课程设置模块设置每天每节课各班级的上机区域 （在区域内留有一定的冗余）。 正常上课前只要在课程设置模块中选择相应的时间和节次， 即可完成课程设置。 学生上课时， 在指定区域内的机器上输入正确的账号和密码后才能使用计算机， 而其他非该时段上课的学生则无法使用计算机。 任课教师可以通过本模块对学生进行点名、 人数统计、 历史查询等；实验室管理人员还可以进行添加上课学生和修改上课学生的基本信息的操作， 如图6所示。

图6 上课管理

数据统计： 此模块负责对所有的数据进行统计， 分为上机统计和操作统计两个子模块， 具体可以分为日期查询、 月份查询、 年份查询、 对时间段的查询、 值班教师选择五个方面， 对此模块的使用是有使用权限的， 对于整个管理系统来说， 具有不同使用权限的管理人员可以执行操作的范围不同， 如图7所示。

图7 数据统计

后台管理： 此管理模块分为操作记录、 开机画面、 修改通知、 管理操作、 开机密码、 考试设置、 院系班级、 历史记录、 数据备份。 可以查看任何人的使用及操作记录，修改客户端锁屏界面的画面和画面上显示的内容信息， 对其他管理员的账号进行建立、更改和删除。 设置从客户端强行登录的账号和进行核对数据、 清除数据及备份整个数据库等， 如图8所示。

图8 后台操作

7 结论

计算机基础实验室的开放管理系统目前正在开发设计过程中。 本系统可以为用户提供一个高效、 快捷的使用环境， 可以解决计算机基础实验室管理的若干问题， 从实验室任务的需求出发， 能够实现对上课、 开放、 考试和维护方面的管理。 是从实验室工作的实际需要而出发的， 具有针对性的一套开放式实验室管理系统， 在实际使用中将表现出很高的可用性和可操作性； 可具有突出的稳定性、 可靠性和方便性及扩展性，同时在辅助实验室的安全管理等方面也能发挥巨大的作用。 在集成的层次上， 此系统不仅可以实现其他实验室管理系统在信息层上的集成， 做到从实验上机的排课、 查询、定位的集成， 优化实验室的工作流与信息流， 使高校实验室管理系统的理论与应用更上一层。

参考文献

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［5］ 曲成义. 构建安全的网络环境 ［EB／OL］. http： ／／www.ciw.com.cn／people／Comment／20070419094419.shtml.

［6］ 贾百奎. 基于四层结构的开放实验室管理系统的研究实现 ［D］. 大连海事大学，2009.

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［8］ 盛蕾， 方华. 基于ASP.NET的四层WEB应用模型设计与实现 ［J］. 计算机与数字工程，2006 （7）：147-150.

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［12］ 李晓黎，张魏.ASP＋SQLServer网络应用系统开发与实例 ［M］. 北京： 人民邮电出版社，2004.

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