高校開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王戰(zhàn)偉，段亞玉

（1.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南黃河河務(wù)局干部學(xué)校，河南 鄭州 450000）

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)工作的一個重要組成部分，它在培養(yǎng)學(xué)生的基本技能和創(chuàng)新能力上有著不可替代的作用。 以前，高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的管理大多是人工管理，教學(xué)管理部門制訂實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃，實(shí)驗(yàn)室管理部門安排實(shí)驗(yàn)，各個實(shí)驗(yàn)室實(shí)施完成。 這種管理方式存在著管理不透明、實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃隨意更改、實(shí)驗(yàn)記錄不清晰、不易檢查、查詢困難等問題。目前，高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的管理已從人工管理向開放管理過渡。 開放實(shí)驗(yàn)室就是讓廣大師生隨時(shí)動態(tài)了解實(shí)驗(yàn)室的情況，如有哪些實(shí)驗(yàn)室，各實(shí)驗(yàn)室的位置、可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)有設(shè)備、設(shè)備現(xiàn)狀及使用情況，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師情況，實(shí)驗(yàn)預(yù)約時(shí)間等等。 這樣，學(xué)生可以結(jié)合自己的情況預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可以遠(yuǎn)程登錄設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 比如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，也可以開放路由器和交換機(jī)，學(xué)生通過用戶名和密碼遠(yuǎn)程登錄，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間開放。 在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，實(shí)驗(yàn)室可準(zhǔn)備更多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在原有必做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開設(shè)大量選作實(shí)驗(yàn)，滿足不同層次學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求。 對于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，比如電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以先設(shè)計(jì)不同電路，同一個實(shí)驗(yàn)可以由學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立采用多個實(shí)驗(yàn)方案完成，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程開放。

開放型實(shí)驗(yàn)室成敗的關(guān)鍵在于管理，一個好的管理體系可以達(dá)到事半功倍的效果，反之，實(shí)驗(yàn)室將無法正常運(yùn)行。 筆者試結(jié)合工作實(shí)踐，分析高校實(shí)驗(yàn)室管理的方法，探索一種高校開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

開放實(shí)驗(yàn)室硬件系統(tǒng)由中心機(jī)房和各個實(shí)驗(yàn)室，以及遠(yuǎn)程登錄的客戶端構(gòu)成。 系統(tǒng)以中心機(jī)房的服務(wù)器為主服務(wù)器。 監(jiān)控和管理的區(qū)域安裝指紋門禁系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Laboratory mangement system hardware structure

在該系統(tǒng)中，學(xué)生可通過連接校園網(wǎng)的任意一臺計(jì)算機(jī)訪問實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)網(wǎng)站，查詢實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間、查看實(shí)驗(yàn)狀態(tài)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、進(jìn)行留言等操作。 實(shí)驗(yàn)室管理員通過實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)審批學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)約，對允許進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生的指紋進(jìn)行管理，調(diào)看實(shí)驗(yàn)室歷史記錄。指導(dǎo)教師通過實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目計(jì)劃的發(fā)布，查看、回復(fù)學(xué)生留言，審閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)時(shí)調(diào)看實(shí)驗(yàn)室視頻圖像等。 系統(tǒng)管理員可以通過中心機(jī)房的系統(tǒng)管理員客戶端對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和維護(hù)，設(shè)置用戶權(quán)限、指紋信息的管理。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

開放實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)分為以下6 個模塊：系統(tǒng)初始化、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)教師管理、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、實(shí)驗(yàn)學(xué)生管理、在線答疑、實(shí)驗(yàn)交流論壇。 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Laboratory mangement system function structure

1.2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化包括信息設(shè)定、用戶密碼管理、教師個人信息錄入、學(xué)生信息錄入、系統(tǒng)維護(hù)等。 系統(tǒng)初始化主要由系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)，管理員登錄系統(tǒng)后，可以修改自己的密碼，以確保自己權(quán)限的安全性。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理

實(shí)驗(yàn)設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室的主要組成部分。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理是針對實(shí)驗(yàn)室的所有設(shè)備及相關(guān)軟、硬件的管理，主要是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的分配、領(lǐng)用、轉(zhuǎn)調(diào)、借用管理，設(shè)備維修、維護(hù)管理以及報(bào)廢、銷賬管理，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的添加、刪除、修改、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能。 通過此模塊，可方便地查詢每一種設(shè)備的名稱、性能參數(shù)、生產(chǎn)廠家、現(xiàn)階段的使用情況、產(chǎn)品說明書等詳細(xì)信息。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)教師管理

實(shí)驗(yàn)教師管理包括用戶密碼修改、發(fā)布實(shí)驗(yàn)信息、教師上課登記、實(shí)驗(yàn)教師查詢、實(shí)驗(yàn)教師情況匯總、修改信息、評閱實(shí)驗(yàn)、學(xué)生考勤管理、學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績管理、回答學(xué)生提問、搜索和統(tǒng)計(jì)等。 其中，“發(fā)布實(shí)驗(yàn)”可以添加一個新的實(shí)驗(yàn)，并把該實(shí)驗(yàn)發(fā)布到某個專業(yè)、年級班級里。 “修改信息”可以增加、刪除和修改年級專業(yè)班級信息或?qū)W生信息。 “評閱實(shí)驗(yàn)”可以評閱該教師發(fā)布的實(shí)驗(yàn)。 “搜索并統(tǒng)計(jì)”可以按多種條件進(jìn)行搜索統(tǒng)計(jì)，如搜索學(xué)生、搜索實(shí)驗(yàn)等，統(tǒng)計(jì)完成某個實(shí)驗(yàn)的人數(shù)、未完成人數(shù)等。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理包括實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的錄入、查詢和報(bào)表，即可以完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的增加、修改、刪除、查詢統(tǒng)計(jì)操作，如可對所有實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)，而且可對所有查詢統(tǒng)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行打印輸出。

1.2.5 實(shí)驗(yàn)學(xué)生管理

學(xué)生管理包括用戶密碼修改、實(shí)驗(yàn)查詢、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、在線實(shí)驗(yàn)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)情況查詢、實(shí)驗(yàn)成績查詢等。

（1）實(shí)驗(yàn)查詢可以查詢實(shí)驗(yàn)安排、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)要求等信息。

（2）實(shí)驗(yàn)預(yù)約分為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)（必做）和課外實(shí)驗(yàn)（選做）兩種形式。 對于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需要預(yù)約時(shí)間。 而對于課外實(shí)驗(yàn)，學(xué)生既可以根據(jù)自己的興趣選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)場地以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的預(yù)約。 實(shí)驗(yàn)預(yù)約后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，學(xué)生可以在網(wǎng)上再修改一次。 這樣，既給學(xué)生充分的選課時(shí)間和機(jī)會，又減少了教師協(xié)助修改課表的麻煩。 當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)名單確定前，學(xué)生也可以隨時(shí)與教師溝通，進(jìn)行時(shí)間調(diào)整。

（3）每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生都可以在網(wǎng)上查到自己的實(shí)驗(yàn)成績，了解自己的得分失分情況，以便在后面的實(shí)驗(yàn)過程中更好地提高自身水平。

1.2.6 在線答疑、實(shí)驗(yàn)交流論壇

在線答疑、實(shí)驗(yàn)交流論壇就是BBS。 它為學(xué)生提供了一個開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，如為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)課程的在線指導(dǎo)和網(wǎng)上答疑、在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、在線批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)成績查詢等。 學(xué)生和老師可以在這里暢所欲言，共同解決問題、互相交流實(shí)驗(yàn)心得。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

高校開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)采用B／S（Browser/Server，瀏覽器／服務(wù)器）架構(gòu)設(shè)計(jì)，即由瀏覽器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成多層次結(jié)構(gòu)。 用戶使用瀏覽器，經(jīng)由Web 服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。 本系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，大部分系統(tǒng)處理功能運(yùn)行在Web服務(wù)器端，完成與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的通信，客戶端接受用戶的請求，傳送信息至Web 服務(wù)器端，并負(fù)責(zé)顯示從Web 服務(wù)器端返回的結(jié)果。

2.1 開發(fā)平臺的選擇

本系統(tǒng)采用常用的B/S 結(jié)構(gòu)，服務(wù)器安裝Windows2003 server 操作系統(tǒng)，選擇Microsoft 的IIS 作為系統(tǒng)的Web 服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL server 2005，開發(fā)工具采用Microsoft Visual Studio 2010。

B/S 模式又稱B/S 結(jié)構(gòu)，它是隨著Internet 技術(shù)的興起，對C/S 模式應(yīng)用的擴(kuò)展。 在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過IE 瀏覽器來實(shí)現(xiàn)的。 B/S 模式最大的好處是運(yùn)行維護(hù)比較簡便，能實(shí)現(xiàn)不同的人員從不同的地點(diǎn)以不同的接入方式訪問和操作共同的數(shù)據(jù)。

Web 服務(wù)器平臺很多，本系統(tǒng)選擇Microsoft 的IIS 作為系統(tǒng)的Web 服務(wù)器。IIS（Internet Information Server，Internet 信息服務(wù)） 與Windows 2003 Server完全集成在一起，能夠利用Windows 2003 Server和NTFS 內(nèi)置的安全特性，建立強(qiáng)大、靈活而安全的Internet 和Intranet 站點(diǎn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是信息系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，它把信息系統(tǒng)中大量的數(shù)據(jù)按一定的模型組織起來，提供存儲、維護(hù)、檢索數(shù)據(jù)的功能，使信息系統(tǒng)可以方便、及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得所需的信息。 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是指對于一個給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求。 它是建立一個應(yīng)用程序很重要的一步，決定著整個系統(tǒng)開發(fā)的優(yōu)劣。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）大多數(shù)是建立在關(guān)系模型上的，因此又稱為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫實(shí)際上是一些相關(guān)的表和其他數(shù)據(jù)庫對象的集合。 在設(shè)計(jì)過程中，一個實(shí)體或?qū)嶓w間的聯(lián)系就是一個表，每個表又包含行（記錄）和列（字段），表與表之間是相互關(guān)聯(lián)的，通過主鍵和外鍵建立關(guān)系。 一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫中不僅有多個表，還有其他對象，如視圖、索引、存儲過程等。

設(shè)計(jì)該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)教師、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)學(xué)生等關(guān)系確定后，就可以確立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)采用Microsoft SQL server 2005 作為后臺數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫名為labs，數(shù)據(jù)庫中各數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)如下。

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備表（device）。包括院系、經(jīng)費(fèi)科目、設(shè)備編號、出廠編號、分類號、設(shè)備名稱、型號、規(guī)格、生產(chǎn)廠家、國別、單價(jià)、現(xiàn)狀、出廠日期、使用方向、來源、購置日期、附件數(shù)量、附件金額、注銷日期、領(lǐng)用日期、領(lǐng)用人、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)、所屬實(shí)驗(yàn)室、簡要說明等。

（2）系統(tǒng)管理員（admin）。 包括管理員編號、用戶名、密碼、權(quán)限、備注等。

（3）教師基本信息表（teacher）。 包括教師編號、教師姓名、性別、職務(wù)、職稱、用戶名、密碼、權(quán)限、開設(shè)課程、備注等。

（4）學(xué)生基本情況（student）。 包括校園卡號、學(xué)號、姓名、性別、年級、專業(yè)、班級、用戶名、密碼、權(quán)限、所選實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)教師、備注等。

（5）實(shí)驗(yàn)室信息表（lab）。包括實(shí)驗(yàn)室編號、實(shí)驗(yàn)室名稱、實(shí)驗(yàn)室簡介、開設(shè)課程、實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、實(shí)驗(yàn)室容量、是否開放、備注等。

（6）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（lab items）。 包括實(shí)驗(yàn)編號、實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)課時(shí)、課程名稱、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)、備注等。

各表之間的關(guān)系圖如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫各表間的聯(lián)系Fig.3 Relations of laboratory database tables

2.3 系統(tǒng)主要功能模塊簡介

（1）門禁系統(tǒng)。 由于學(xué)生可以選擇非工作時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以本系統(tǒng)采用指紋門禁，同時(shí)配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)對學(xué)生出入進(jìn)行管理。 由于人的指紋具有唯一性、不變性以及貼身性的特點(diǎn)，指紋識別技術(shù)要比其他生物識別技術(shù)更安全和方便。 在實(shí)時(shí)模式下，視頻監(jiān)控可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室，方便實(shí)驗(yàn)室管理員或指導(dǎo)教師了解實(shí)驗(yàn)室及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況。

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中心大門上安裝刷卡系統(tǒng)，非正常工作時(shí)間，學(xué)生和教師通過按指紋進(jìn)入實(shí)驗(yàn)中心，各出入口安裝有監(jiān)控設(shè)備，以保證實(shí)驗(yàn)室安全。 在正常工作時(shí)間，各實(shí)驗(yàn)室有人值班，不使用門禁系統(tǒng)。

（2）刷卡系統(tǒng)。 本系統(tǒng)考勤采用刷卡系統(tǒng)，即采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主節(jié)點(diǎn)放在服務(wù)器端，每個實(shí)驗(yàn)室安裝一個節(jié)點(diǎn)，在距離遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)室中間增加相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，組成整個實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)。 具體如圖4 所示。

圖4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)刷卡系統(tǒng)圖Fig.4 Swiping card system based on wireless sensor network structure

教師和學(xué)生使用校園卡刷卡完成考勤，節(jié)約了時(shí)間和成本。 教師通過系統(tǒng)可以查詢考勤，匯總學(xué)生實(shí)驗(yàn)考勤情況。

（3）遠(yuǎn)程預(yù)約。 遠(yuǎn)程預(yù)約就是學(xué)生不必在實(shí)驗(yàn)室預(yù)約實(shí)驗(yàn)，而是可以在其他地方利用網(wǎng)絡(luò)預(yù)約實(shí)驗(yàn)。 對于必做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按照規(guī)定時(shí)間去做，而對于選做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)場地以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程預(yù)約。

（4）實(shí)驗(yàn)論壇。 實(shí)驗(yàn)論壇模塊為師生之間、學(xué)生之間搭建了一個有效的互動平臺。 在這里，老師可以進(jìn)行網(wǎng)上答疑，同學(xué)之間可以針對某一實(shí)驗(yàn)技術(shù)或軟件應(yīng)用進(jìn)行網(wǎng)上交流，有效提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)知識水平。

（5）用戶權(quán)限管理。 系統(tǒng)通過對用戶設(shè)置不同的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的安全訪問控制。 系統(tǒng)提供4 個用戶級別，即：系統(tǒng)管理員、實(shí)驗(yàn)課程管理員、實(shí)驗(yàn)教師、學(xué)生。 系統(tǒng)管理員可以為每門實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置一位實(shí)驗(yàn)課程管理員，課程管理員只能管理此門課程相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，可以為該實(shí)驗(yàn)課程發(fā)布的實(shí)驗(yàn)時(shí)段安排實(shí)驗(yàn)教師，對于其他課程則只能查看、不能修改。 實(shí)驗(yàn)教師只能對為其安排的實(shí)驗(yàn)時(shí)段中學(xué)生成績進(jìn)行登記和統(tǒng)計(jì)，其他信息只能查看。 而學(xué)生用戶則只能進(jìn)行相關(guān)的學(xué)生操作。

3 結(jié)語

高校開放實(shí)驗(yàn)室管理是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理的改革，是培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力的重要手段，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效途徑，也是改進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)室管理的一種嘗試。 開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)結(jié)合指紋門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和刷卡系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大大提高了有限資源的利用效率，把實(shí)驗(yàn)教師從復(fù)雜而繁重的工作中解放出來，增強(qiáng)了學(xué)生的自主性、創(chuàng)造性，也減少了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中管理的難度。

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