基于設(shè)計(jì)模式的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐妍++崔良中++黃佳維

摘 要：針對(duì)目前很多高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理效率低下、實(shí)驗(yàn)室利用率低等問(wèn)題，文章構(gòu)建了一套管理信息系統(tǒng)，解決了實(shí)驗(yàn)課件管理、預(yù)約管理、資源共享等問(wèn)題。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，充分利用GoF設(shè)計(jì)模式，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，有效提升了高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室管理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；GoF設(shè)計(jì)模式

提高學(xué)生的動(dòng)手能力，是學(xué)校的主要工作任務(wù)之一，高校實(shí)驗(yàn)室是提高學(xué)生動(dòng)手能力的重要途徑[1]。學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建目的，一是為學(xué)生創(chuàng)造良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件；二是確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的順利完成；三是為科研工作提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境。目前高校實(shí)驗(yàn)室存在的主要問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面：（1）缺乏制度化管理，實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容脫節(jié)；（2）實(shí)驗(yàn)室基本資源管理混亂，實(shí)驗(yàn)器材和原料得不到及時(shí)補(bǔ)充；（3）實(shí)驗(yàn)室資源沒(méi)有得到充分利用，學(xué)生無(wú)法利用課余時(shí)間上機(jī)，各高校之間的實(shí)驗(yàn)室也無(wú)法共享資源。

本系統(tǒng)根據(jù)目前高校實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題，構(gòu)建了一套實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?yàn)楦咝W(xué)生提供實(shí)驗(yàn)室預(yù)約、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)等功能；能夠?yàn)楦咝＝處熖峁?shí)驗(yàn)課程管理、實(shí)驗(yàn)信息獲取、實(shí)驗(yàn)課件提交等功能；能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)室管理人員提供實(shí)驗(yàn)器材及原料補(bǔ)充管理、實(shí)驗(yàn)室資源共享管理等功能。本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)，是充分考慮到了實(shí)驗(yàn)室管理業(yè)務(wù)流程的擴(kuò)展，在系統(tǒng)各主要功能的設(shè)計(jì)中，引入了擬合優(yōu)度（Goodness of Fit，GoF）設(shè)計(jì)模式，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性得到了大幅提高。

系統(tǒng)投入使用后，解決了實(shí)驗(yàn)室管理過(guò)程中的效率低下的問(wèn)題，教師和學(xué)生可以基于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的交流；實(shí)驗(yàn)室管理人員能夠及時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程安排，調(diào)整實(shí)驗(yàn)器具和原料；各高校之間的實(shí)驗(yàn)室資源共享，有效地提高了高校實(shí)驗(yàn)室的利用率。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，主要是在面向?qū)ο缶幊淘瓌t的指導(dǎo)下，利用GoF設(shè)計(jì)模式，完成系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊。

1.1 面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)

面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，是針對(duì)傳統(tǒng)的面向過(guò)程編程技術(shù)而言，是目前主流的高級(jí)編程語(yǔ)言所采用的編程技術(shù)。面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，主要包括5個(gè)原則[2]：（1）單一職責(zé)原則，類(lèi)中僅包含必要的屬性和方法，且類(lèi)中的方法要求相互關(guān)聯(lián)，避免因類(lèi)過(guò)于龐大而導(dǎo)致的破壞封閉性；（2）開(kāi)閉原則，簡(jiǎn)而言之，就是對(duì)擴(kuò)展開(kāi)發(fā)，對(duì)修改封閉，在不改變類(lèi)結(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)能夠方便地?cái)U(kuò)展類(lèi)的功能，而在不改變類(lèi)接口的情況下，能夠?qū)︻?lèi)內(nèi)部的功能進(jìn)行修改；（3）Liskov替換原則，該原則要求在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)時(shí)，某個(gè)類(lèi)的子類(lèi)可以完全替換其基類(lèi)，這一原則是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中多態(tài)、繼承等應(yīng)用的基礎(chǔ)[3]；（4）依賴倒置原則，一般的分層架構(gòu)系統(tǒng)，上層構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)依賴于下層的構(gòu)件，導(dǎo)致系統(tǒng)模塊之間的耦合性增加，而依賴倒置原則要求各層的實(shí)現(xiàn)都依賴于接口，只要接口不變，可以對(duì)構(gòu)件功能進(jìn)行完善和調(diào)整；（5）接口隔離原則，系統(tǒng)接口的設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)潔明了，同一接口中的各個(gè)方法之間要求相互關(guān)聯(lián)[4]。

1.2 設(shè)計(jì)模式技術(shù)

設(shè)計(jì)模式是軟件工程中的重要組成部分，是對(duì)軟件功能模塊設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[5]。軟件開(kāi)發(fā)人員在長(zhǎng)期的編程工作中發(fā)現(xiàn)，利用面向?qū)ο蟮某绦蜷_(kāi)發(fā)語(yǔ)言，可以構(gòu)建一些固定模式的類(lèi)組織架構(gòu)，使所開(kāi)發(fā)的功能具有更好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，這些模式就被稱為設(shè)計(jì)模式[6]。

設(shè)計(jì)模式的出現(xiàn)是為了解決在面向?qū)ο缶幊踢^(guò)程中存在的問(wèn)題，很多功能邏輯的設(shè)計(jì)實(shí)際上是重復(fù)的，如果用一個(gè)相對(duì)固定的，被證明具有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性的模式進(jìn)行固定，則可以有效地提高程序的開(kāi)發(fā)效率，并提高系統(tǒng)的質(zhì)量[7]。每一個(gè)設(shè)計(jì)模式都相對(duì)詳細(xì)地描述了一個(gè)在程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并提出了解決的方案。一個(gè)完整的設(shè)計(jì)模式有4個(gè)基本要素[8]，分別是模式的名稱，用于標(biāo)識(shí)和區(qū)別不同的模式；問(wèn)題描述，用于說(shuō)明當(dāng)前模式所能夠處理的問(wèn)題，以及適用的情況；解決方案，描述了設(shè)計(jì)的組成成分，具體地說(shuō)就是各個(gè)類(lèi)的設(shè)計(jì)，以及類(lèi)之間關(guān)系的設(shè)計(jì)；效果，用于描述使用了該設(shè)計(jì)模式以后所能夠達(dá)到的效果。

2 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，是提高實(shí)驗(yàn)室的使用和管理效率，能夠?yàn)榻處熀蛯W(xué)生提供實(shí)驗(yàn)課程預(yù)習(xí)、交流等平臺(tái)，為管理員提供耗材、設(shè)備管理功能等。針對(duì)不同的參與者，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)的功能模塊，系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)從功能的角度可以分為4個(gè)模塊：（1）教學(xué)管理模塊主要用于處理與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)相關(guān)的業(yè)務(wù)內(nèi)容，教師通過(guò)該模塊發(fā)布教學(xué)課件，學(xué)生通過(guò)該模塊提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告；（2）實(shí)驗(yàn)室管理模塊主要用于實(shí)驗(yàn)室使用申請(qǐng)，以及相關(guān)信息查詢；（3）設(shè)備器具管理模塊主要為管理人員提供了實(shí)驗(yàn)室易耗品以及相關(guān)設(shè)備器具的管理功能；（4）系統(tǒng)管理功能模塊主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)、日志等進(jìn)行管理。

3 實(shí)驗(yàn)室易耗品管理功能的實(shí)現(xiàn)

高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)包括多個(gè)功能模塊和功能指標(biāo)。為了保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，在每一個(gè)功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，均充分考慮到了設(shè)計(jì)的靈活性。篇幅所限，本節(jié)主要對(duì)實(shí)驗(yàn)室易耗品的管理功能進(jìn)行詳細(xì)討論。該功能是對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用到的易耗品，以及各類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備等進(jìn)行管理。

3.1 易耗品管理功能的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室中的易耗品與具體實(shí)驗(yàn)之間存在著直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，某一個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)包含多個(gè)實(shí)驗(yàn)的易耗品，而同一類(lèi)的易耗品也可以被應(yīng)用于多個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩者之間是多對(duì)多的關(guān)系。按照傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方案，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室易耗品類(lèi)的設(shè)計(jì)可以采用兩種方式：一種是從實(shí)驗(yàn)種類(lèi)設(shè)計(jì)類(lèi)，可以分為物理實(shí)驗(yàn)的易耗品、化學(xué)實(shí)驗(yàn)的易耗品等；另一種是直接對(duì)易耗品設(shè)計(jì)類(lèi)，抽象屬于同類(lèi)的易耗品屬性和方法。上述兩類(lèi)設(shè)計(jì)方式都存在著較大的問(wèn)題，當(dāng)在易耗品的管理過(guò)程中出現(xiàn)新的實(shí)驗(yàn)類(lèi)別時(shí)，需要增加一個(gè)新類(lèi)，同時(shí)增加該類(lèi)相關(guān)聯(lián)的各類(lèi)易耗品；同時(shí)，當(dāng)增加一個(gè)易耗品的操作時(shí)，需要對(duì)所有的類(lèi)別進(jìn)行修改，違反了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中的開(kāi)閉原則。endprint

為了解決上述設(shè)計(jì)上的問(wèn)題，利用GoF設(shè)計(jì)模式中的橋接模式進(jìn)行類(lèi)的設(shè)計(jì)。橋接設(shè)計(jì)模式的類(lèi)圖如圖2所示。

橋接設(shè)計(jì)模式的主要目的是將抽象對(duì)象與具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行分離，使兩者之間既存在關(guān)系，又可以實(shí)現(xiàn)各自的靈活變化。在實(shí)驗(yàn)易耗品管理過(guò)程中，各種不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)都是抽象的對(duì)象，而實(shí)驗(yàn)所用到易耗品則是具體的實(shí)現(xiàn)。兩者之間可以不建立聯(lián)系，但這樣就無(wú)法反映實(shí)驗(yàn)與易耗品之間的關(guān)系，給管理工作造成較大的阻礙。按照橋接設(shè)計(jì)模式的設(shè)計(jì)要求，本功能的類(lèi)圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

如圖3所示，設(shè)計(jì)了抽象的實(shí)驗(yàn)類(lèi)AbstractLab，該類(lèi)的屬性中包括實(shí)驗(yàn)的名稱，而List類(lèi)型的DrugList屬性中，記錄著該實(shí)驗(yàn)所使用到的各種易耗品。設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)類(lèi)ChemistryLab和物理實(shí)驗(yàn)類(lèi)PhysicalLab，繼承于AbstractDrug類(lèi)，并實(shí)現(xiàn)ShowLabInfo方法。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)易耗品類(lèi)Drug，該類(lèi)除了易耗品的名稱屬性外，還定義了GetAmount方法，用于獲取目前當(dāng)前易耗品的存量。

采用這一設(shè)計(jì)模式，當(dāng)需要擴(kuò)展新的實(shí)驗(yàn)類(lèi)別時(shí)，只需要設(shè)計(jì)一個(gè)新類(lèi)繼承AbstractLab類(lèi)，并實(shí)現(xiàn)其定義的方法；而新增加一種易耗品類(lèi)別時(shí)，則從Drug類(lèi)中派生一個(gè)新類(lèi)。

3.2 易耗品管理功能的實(shí)現(xiàn)

以上對(duì)實(shí)驗(yàn)易耗品管理功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用橋接模式提高系統(tǒng)功能的靈活性。該功能的實(shí)現(xiàn)序列如圖4所示。

AbstractLab類(lèi)的主要代碼如下：

abstract class AbstractLab

{

protected List DrugList；

public void ShowLabInfo（）{

foreach（Drug drug in DrugList）

drug.GetAmount（）；

//其他處理操作

}

public void AddDrug（Drug drug）{

DrugList.Add（drug）；

}

Drug類(lèi)的主要代碼如下：

abstract class Drug

{

public double GetAmount（）{

//從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取易耗品的存量。

}

繼承類(lèi)的相關(guān)代碼在此不再贅述。完成了類(lèi)的定義后，用戶在客戶端可以方便地完成實(shí)驗(yàn)和易耗品之間的操作。代碼如下：

main（）

{

AbstructLab lab = new ChemistryLab（）；

lab.add（new AlcoholDrug）；

lab.ShowLabInfo（）；

}

通過(guò)以上客戶端的操作，可以方便地根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，查詢得到該實(shí)驗(yàn)所使用到的易耗品各類(lèi)，以及各類(lèi)易耗品目前的存量。

該功能的界面如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，解決了實(shí)驗(yàn)室管理不規(guī)范，實(shí)驗(yàn)易耗品和設(shè)備補(bǔ)充不及時(shí)，資源利用率低等問(wèn)題，有效地提高了高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理效率。設(shè)計(jì)模式在實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠使系統(tǒng)功能具有更好的靈活性，便于對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展或修改。

[參考文獻(xiàn)]

[1]CHEN L，CENTER ET. Problems and countermeasures of laboratory safety management in colleges and universities in the new era[J]. Research & Exploration in Laboratory，2017（3）：24-29.

[2]IGARASHI，ATSUSHI，NAGIRA，et al. Union types for object-oriented programming[J]. Journal of Object Technology，2016（2）：47-68.

[3]PANCERZ K，SCHUMANN A. Some issues on an object-oriented programming language for physarum machines[J]. Studies in Computational Intelligence，2015（6）：185-199.

[4]KAILA E，KURVINEN E，LOKKILA E. Redesigning an object-oriented programming course[J]. Acm Transactions on Computing Education，2016（4）：18.

[5]LI，DAABOUL J，Tong S. A design pattern for industrial robot[J].Robotics and Computer Integrated Manufacturing，2015（C）：30-39.

[6]JAAFAR F，HAMEL S，KHOMH F. Evaluating the impact of design pattern and anti-pattern dependencies on changes and faults[J]. Empirical Software Engineering，2016（3）：31-36.

[7]陳烽，陳蓉，王跟成.設(shè)計(jì)模式在區(qū)域綜合管網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2015 （4）：193-196.

[8]崔亮.設(shè)計(jì)模式在試驗(yàn)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2015（4）：671-675.