智慧實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計

郝倩

摘要：近年來，隨著各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、硬件技術(shù)的進步，傳統(tǒng)的教育教學(xué)方式正在發(fā)生劇烈的改變。高校實驗教學(xué)作為一項培養(yǎng)學(xué)生動手能力，提高理論與實踐相結(jié)合的重要課程，近年來也在高校中引起了廣泛的關(guān)注。想要開展好實驗課程，必須要配套好相應(yīng)的軟件和硬件設(shè)施，該文利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳統(tǒng)的實驗室管理模式與先進的技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出一套智慧實驗室管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設(shè)計，旨在滿足實際的需求，對高校實驗室管理提供一定的實用與參考價值。

關(guān)鍵詞：智慧實驗室;管理系統(tǒng);B/S模式;MySQL

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）02-0050-03

高等院校的實驗課程，是將理論與實踐結(jié)合的最好方式。在實驗室管理的過程中，可以開發(fā)與設(shè)計基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧實驗室管理系統(tǒng)，滿足實驗數(shù)據(jù)的收集、考核內(nèi)容的安排、統(tǒng)計分析對比等繁重的實驗教學(xué)需求。

1 智慧實驗室管理系統(tǒng)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，眾多高校引進先進的信息管理系統(tǒng)，進行學(xué)校內(nèi)部眾多事務(wù)的管理，包括教務(wù)管理、學(xué)生選課、成績管理等，實驗室的信息化管理也成為可能。目前高校實驗室存在著諸多的問題：

1）實驗室設(shè)備無法統(tǒng)籌，資源整合無從下手，僅憑人工記憶、紙質(zhì)記錄、手動分配等管理手段，無法滿足繁重的教學(xué)需求。

2）實驗室在日常的教學(xué)過程中，每次實驗數(shù)據(jù)的收集、考核內(nèi)容的安排、統(tǒng)計分析的對比等，采用人工管理模式進行，不僅需要耗費大量的人力物力，同時管理的效率也偏低。

而出現(xiàn)這些問題的原因，一方面是因為基本硬件配比不到位，導(dǎo)致基本的實驗室器材不能完全符合日常教學(xué)的需要;另一個主要原因，是傳統(tǒng)的實驗室管理模式較為落后，完全依靠實驗室管理老師去對每一項事物進行負責(zé)，整理，包括學(xué)生考試等情況，終歸有存在疏漏的地方。

而智慧實驗室管理就是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)實驗室管理的改進。該系統(tǒng)集系統(tǒng)管理，基礎(chǔ)管理，實驗室管理，設(shè)備管理，考勤管理等功能優(yōu)勢于一體，采用統(tǒng)一的技術(shù)平臺，實現(xiàn)了實驗室內(nèi)的數(shù)據(jù)資料共享。整套實驗室管理系統(tǒng)涉及了管理員，教師，學(xué)生三個角色，實現(xiàn)了整個實驗室管理過程中的全自動化，以及減少了很多管理過程中所需要的人力物力，提高了實驗室管理部門的工作效率，實現(xiàn)了真正的智慧化。極大地增加了用戶體驗的滿意度。

2 智慧實驗室管理系統(tǒng)需求分析

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

1）技術(shù)可行性分析

技術(shù)可行性主要是通過前期系統(tǒng)設(shè)計過程中，對于系統(tǒng)的功能，性能以及其他外部條件而做出的一種綜合性技術(shù)決斷。本次系統(tǒng)采用的是B/S架構(gòu)模式，利用MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的存儲，可靠性強、易操作。因此，采用該系統(tǒng)架構(gòu)能夠較好地完成系統(tǒng)所預(yù)期的任務(wù)和目標(biāo)，總體上來說技術(shù)上是可行的。

2）經(jīng)濟可行性分析

系統(tǒng)在設(shè)計的過程中，從最初的調(diào)研在后面的設(shè)計再到系統(tǒng)的實施，整個過程的消耗成本比較低。系統(tǒng)開發(fā)出來之后，可以用本校的實驗室進行測試。本系統(tǒng)模擬校園實驗室的平臺，能夠符合具體的需求，作為模擬系統(tǒng)在經(jīng)濟上是可行的，它不需要投入太多的資金。

2.2 系統(tǒng)需求分析

1）教師主體的需求分析

教師在本系統(tǒng)中，他的角色是普通用戶，需要對其實驗課程的內(nèi)容進行相應(yīng)安排管理，分別如下：

教務(wù)管理：教務(wù)管理部分包括實驗室安排，實驗分組，課程表管理。

考評與考勤管理：對學(xué)生實驗報告打分和期末成績進行統(tǒng)計與管理，對平時的出勤率進行統(tǒng)計和每個教師的工作情況進行統(tǒng)計。

2）學(xué)生主體的需求分析

學(xué)生模塊的主要功能有包括查看實驗項目，提交實驗報告和查詢成績。

查看實驗項目：學(xué)生用自己的學(xué)號登錄之后，可以查看并下載本次實驗的項目，也可以查看曾做過的項目和成績。

提交實驗報告：在實驗完成后，將實驗的內(nèi)容上傳到系統(tǒng)中，教師登錄系統(tǒng)后可看到學(xué)生提交的實驗報告，并根據(jù)其內(nèi)容進行打分。

3）管理員主體的需求分析

系統(tǒng)管理員的權(quán)限是最高的，可以對系統(tǒng)用戶的進行查詢，修改，增加，刪除等操作，具體包含以下幾個管理子模塊。

用戶管理：可以查看、更改、刪除、添加管理員信息（如ID、編號、用戶名、密碼，角色，學(xué)院等）。

教師管理：可以查看、更改、刪除、添加教師信息（如ID、編號、用戶名、密碼，角色，學(xué)院等）。

學(xué)生管理：可以查看，更改，刪除，添加學(xué)生的信息（如編號，學(xué)號，姓名，密碼，性別，出生日期等）。

班級信息：可以查看、更改、刪除、添加班級及詳細院系的信息（ID、編號班級名稱、開班時間、學(xué)生人數(shù)等）。

其他信息管理：包括實驗室信息管理，查詢實驗室的使用狀態(tài)，課程內(nèi)容管理，安排實驗室的上課內(nèi)容等。

設(shè)備管理，耗材管理：設(shè)備管理包括設(shè)備基本信息、設(shè)備的添加、設(shè)備故障報修和維護、設(shè)備借用與歸還等功能。設(shè)備管理員負責(zé)對設(shè)備的添加，設(shè)備種類的選擇與購買和設(shè)備的維修進行記錄。耗材管理包括耗材基本庫存信息、耗材出庫與入庫等功能。耗材管理員把每學(xué)期的庫存信息進行導(dǎo)出，然后根據(jù)實際情況對下學(xué)期的耗材進行申報，記錄耗材出入庫與購買耗材等信息的添加。

3 智慧實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 管理系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1.1 功能模塊

智慧實驗室管理系統(tǒng)功能模塊圖如圖1所示：

針對上述的功能模塊圖，作簡要功能介紹如下：

1）系統(tǒng)管理：該模塊主要涉及三個部分，實驗室管理員、教師用戶和學(xué)生用戶，這些內(nèi)容都是對實驗室管理員、老師和學(xué)生用戶而設(shè)計的。

2）基礎(chǔ)管理：電子實驗部分，包括實驗管理，對電子實驗的過程進行管理;試驗記錄：對每一次實驗的過程進行記錄。

3）實驗室管理：該模塊是對實驗室信息與數(shù)據(jù)進行管理，包括實驗器材的使用登記，所有器材產(chǎn)品的目錄、庫存的更新，供應(yīng)商的信息，常規(guī)材料與特殊材料的分別管。

4）設(shè)備管理：該模塊對于實驗室的所有器材設(shè)備等資產(chǎn)進行統(tǒng)計管理，確保實驗室資產(chǎn)不丟失。

5）考勤與考評管理：該模塊包括對學(xué)生成績進行分析，學(xué)生的出勤情況的統(tǒng)計，學(xué)生完成實驗的成績評價和自動統(tǒng)計學(xué)生的成績。

3.1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在數(shù)據(jù)庫設(shè)計部分，最主要的追求就是要使得整個數(shù)據(jù)庫的性能足夠高，數(shù)據(jù)在存儲的過程中，不僅僅要保證數(shù)據(jù)存儲的完整性，更要保證數(shù)據(jù)的安全性，此外，對于讀取以及整體的速度，仍然有一定的要求。本次系統(tǒng)所使用數(shù)據(jù)庫軟件是MySQL，MySQL作為一款開源的輕型數(shù)據(jù)庫，能夠較好地滿足上述的需求。

3.1.2.1 主要實體屬性

本次系統(tǒng)中的實體，包括管理員，教師，學(xué)生，以及其他諸如實驗室，實驗器材等多個方面，主要的實體屬性圖如下所示：

智慧實驗室管理系統(tǒng)E-R圖，如圖2所示：

3.1.2.2 主要數(shù)據(jù)表設(shè)計

結(jié)合本管理系統(tǒng)的需求分析與功能設(shè)計，確定該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫表有學(xué)生信息表、實驗記錄表、訂購登記表、項目信息表、使用記錄表。運用表的結(jié)構(gòu)信息是在借鑒成熟的管理平臺，且對實驗室管理工作進行分析后得出的，覆蓋了所有需要在數(shù)據(jù)庫存儲的信息，表與表之間的邏輯關(guān)系合理且驗證通過，不存在沖突和矛盾問題。

1）學(xué)生信息表

主鍵：學(xué)生ID，外鍵：無;字段信息：學(xué)生ID，學(xué)生姓名，班級，入學(xué)時間，班主任，手機號碼。

2）試驗記錄表

主鍵：課程編號;外鍵：學(xué)生ID;字段信息：課程編號;實驗編號;授課班級;學(xué)生數(shù)目;負責(zé)教師;所屬學(xué)院。

3）訂購等級表

主鍵：訂購器材;外鍵：無;字段信息：訂購器材編號;數(shù)目;金額;負責(zé)人;供應(yīng)商;備注。

4）項目管理

主鍵：項目ID;外鍵：無;字段信息：項目ID;項目名稱;項目等級;項目負責(zé)人;項目涉及器材;項目涉及學(xué)生;主要技術(shù)。

3.2 各功能模塊的設(shè)計

1）系統(tǒng)管理模塊設(shè)計

系統(tǒng)管理模塊主要包含以下幾個功能：系統(tǒng)角色選擇、系統(tǒng)用戶管理、系統(tǒng)參數(shù)查看、系統(tǒng)工作流程管理、系統(tǒng)的編號管理等。該系統(tǒng)主要包括三種角色，實驗室系統(tǒng)管理員、任職教師和學(xué)生。系統(tǒng)管理員能夠通過網(wǎng)絡(luò)對所有的用戶的相關(guān)信息進行在線管理，以及通過系統(tǒng)參數(shù)來設(shè)置日志存儲空間和系統(tǒng)備份時間。系統(tǒng)工作流包括：實驗室申請流程、單據(jù)提交流程等業(yè)務(wù)。系統(tǒng)自動編號為每次提交的單據(jù)設(shè)置分類編號，方便后續(xù)的整理和統(tǒng)計。

2）基礎(chǔ)管理模塊設(shè)計

功能：基礎(chǔ)管理模塊要管理整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息，如教師基本信息的增、刪、改、查、學(xué)生信息的增、刪、改、查;系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)學(xué)期的課程情況自動的安排實驗室使用情況，并且自動從學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)讀取學(xué)生教師的信息，導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中，而不需要人工的操作。

實現(xiàn)：需要定義學(xué)生信息的字段包括：學(xué)號、姓名、性別、院校、卡號、院系、專業(yè)、入學(xué)時間?；A(chǔ)管理需要定義教師信息的字段包括：教師編號、姓名、性別、院系、卡號。通過向教務(wù)系統(tǒng)服務(wù)器端發(fā)送請求，服務(wù)器收到請求后將教師與學(xué)生信息返回，系統(tǒng)模塊自動通過SQL語句將信息寫入到數(shù)據(jù)庫中;智慧實驗室能夠通過攝像頭等人體采集信息自動去統(tǒng)計實驗室人員流動情況，能夠完成人員簽到，甚至報警功能。

解決問題：通過該模塊的設(shè)計實現(xiàn)，能夠自動化實現(xiàn)學(xué)生與老師信息的輸入與管理，從而體現(xiàn)出智慧實驗室系統(tǒng)的智慧管理。

3）實驗室管理模塊設(shè)計

功能：實現(xiàn)實驗室、實驗室設(shè)備、工位、負責(zé)人信息的管理，按學(xué)期、院系與實驗室管理數(shù)據(jù)進行管理，實現(xiàn)電源控制、門禁管理。系統(tǒng)能夠自動的檢測時間節(jié)點，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個時間信息沒有任務(wù)時，系統(tǒng)就會自動的斷電等，確保實驗室使用安全;當(dāng)某個時間段有安排，系統(tǒng)也會提前的開燈等準(zhǔn)備實驗器材，確保工作有序進行;智慧實驗室能夠自動的統(tǒng)計實驗室的教學(xué)實驗器材——利用每一項器材的唯一識別碼，當(dāng)器材遠離出實驗室范圍時，就會發(fā)出警告，因此不需要人工的去盤點而通過終端就可以管理;智慧實驗室能夠?qū)⒚恳粋€實驗室設(shè)備加入數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)硬件識別檢測技術(shù)對實驗室器材進行跟蹤。

實現(xiàn)：需要定義的字段包括：學(xué)期代碼、學(xué)期名稱、實驗室代碼、實驗室名稱、工位代碼、工位名稱、濕度、溫度、電源狀態(tài)、負責(zé)人、管理卡卡號。

解決問題：智慧實驗室管理系統(tǒng)的智慧體現(xiàn)在，系統(tǒng)能夠自動對實驗室的狀態(tài)進行管理與控制，而不需要人工去參與到這個過程中來，因此能夠有效地提高工作效率。

4）設(shè)備管理模塊設(shè)計

功能：智慧實驗室系統(tǒng)用射頻技術(shù)，對每一個設(shè)備身份信息的識別碼進行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備超過實驗室的某個安全距離之后，就會自動的發(fā)出警報聲，確保實驗室設(shè)備不會丟失;同時，系統(tǒng)定期進行設(shè)備的統(tǒng)計與檢查，每一項信息都會寫入到數(shù)據(jù)庫中，確保有理有據(jù)。

設(shè)備管理模塊包括：掛失單號、掛失人、設(shè)備代號、設(shè)備名稱、日期、地點。

解決問題：智慧實驗室管理系統(tǒng)，能夠?qū)γ恳粋€實驗室的關(guān)鍵設(shè)備進行跟蹤與檢測，一旦發(fā)現(xiàn)某樣?xùn)|西丟失就會記錄并發(fā)出警報，解決了傳統(tǒng)人工統(tǒng)計歸納的問題。

5）考勤與考評管理模塊設(shè)計

功能：考勤與考評管理部分，主要完成對學(xué)生的成績信息進行統(tǒng)計分析，包括對平時成績的計算，對實驗報告成績打分，對期末測試記錄，考勤也計入平時分。系統(tǒng)利用攝像頭，紅外等人形識別技術(shù)，對出入實驗室的每一個人進行檢測，并且與后臺服務(wù)器進行對比，這樣就能夠有效的保證學(xué)生考勤記錄;同時，系統(tǒng)支持學(xué)生自主提交實驗過程與實驗結(jié)果，并且給出相應(yīng)的打分，然后將分數(shù)記錄到成績單中去，完成學(xué)生成績的考評。智慧實驗室能夠自動的管理統(tǒng)計學(xué)生成績，不需要老師參與。當(dāng)完成某項實驗之后，學(xué)生向系統(tǒng)提交實驗過程與結(jié)果，系統(tǒng)自動的根據(jù)實驗的規(guī)范進行打分并作整體的統(tǒng)計，大大減輕教師的工作壓力。

解決問題：智慧實驗室管理系統(tǒng)，對于學(xué)生的成績以及出勤等情況都能夠自動的管理并且統(tǒng)計，有效地解決了人工參與過程中容易出現(xiàn)的紕漏，并且對于管理也是一種便捷。

4 總結(jié)與展望

本次畢業(yè)設(shè)計，針對目前高校發(fā)展過程中傳統(tǒng)實驗室管理模式的缺陷，利用計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了這樣一整套涉及管理員、教師、學(xué)生三個角色的智慧實驗室管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了整個實驗室管理過程中的全自動化，減少了很多管理過程中所需要的人力物力，提高了實驗室管理部門的工作效率。本文的創(chuàng)新體現(xiàn)在設(shè)計的系統(tǒng)提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通用性，模塊與模塊之間的耦合程度低，使得系統(tǒng)的兼容性良好。在設(shè)計的過程中，考慮到實際的應(yīng)用，對耗材管理、出入庫設(shè)備管理等也做進行了考慮。

然而，系統(tǒng)還是存在著一些不足和問題，系統(tǒng)的架構(gòu)技術(shù)基于已有的經(jīng)驗借鑒，談不上最新和最先進，需要更好的完善該系統(tǒng)，對于動態(tài)變化的實驗主體的應(yīng)用需求，實驗室在某些方面還存在一些滯后性，需要進一步的優(yōu)化和完善。同時，在提高實驗室管理工作效率方面，還需要時間來驗證。

參考文獻：

[1] 喻晗，劉威.實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2017，25（1）：1-5.

[2] 鄭豐.基于微信的高校實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].教育教學(xué)論壇，2016（9）：238-239.

[3] 周晶.基于Web的實驗室管理系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（36）：117-118.

[4] 焦陽，王聘，李守宏.基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)的智能計算機實驗室管理系統(tǒng)[J].電大理工， 2016（3）：25-27.

[5] 文燕.高校智能化實驗室管理系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程， 2016（15）：62-62.