高校實驗室信息管理系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計*

李浩源

（山東理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255049）

實驗課程是高校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的重要課程，但目前很多實驗室管理依舊依賴于實驗室管理員的紙筆，這就導(dǎo)致在紙張上操作實驗課程預(yù)約和課程臨時添加十分的冗雜混亂、不易修改、工作量大；實驗設(shè)備使用情況數(shù)據(jù)和實驗室使用情況數(shù)據(jù)（包括人時數(shù)，實驗室利用率）很難做成直觀展示的圖表，實驗室相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計費時費力，不便于考核與推進(jìn)實驗設(shè)備的共享；如果是科研類實驗室，實驗室安全記錄查詢工作量大，人員任務(wù)分配不容易記錄，同時存在實驗室工作任務(wù)進(jìn)度追蹤困難等一系列傳統(tǒng)實驗室管理模式下依舊很難解決的問題。開發(fā)符合實驗室管理模式的實驗室信息管理系統(tǒng)來簡化實驗室管理工作十分必要。

1 高校實驗室信息管理系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)

我們運用B/S 架構(gòu)的Python 開源框架Django，Bootstrap 前端框架，騰訊云短信，騰訊云對象存貯和Highchart、Markdown 插件等技術(shù)，其中，數(shù)據(jù)存儲采用了輕量級數(shù)據(jù)庫SQLite，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)服務(wù)器Redis，進(jìn)行了實驗室信息管理系統(tǒng)的開發(fā)。為了迎合實驗室管理需求，實驗室信息管理系統(tǒng)共六大模塊：（1）針對實驗室人員管理的用戶管理模塊；（2）針對科研功能實驗室人員任務(wù)分配，追蹤實驗室任務(wù)完成進(jìn)度的實驗室任務(wù)模塊；（3）針對實驗室使用情況統(tǒng)計，查看實驗室使用率，人時數(shù)統(tǒng)計的實驗室數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊；（4）針對教學(xué)類實驗室，實驗室公共課程安排，實驗室設(shè)備使用情況的實驗室課程設(shè)備模塊；（5）針對實驗室成員撰寫實驗報告或課程備案的在線Wiki文檔模塊；（6）針對實驗室需要儲存大量電子文件的實驗室文件管理模塊。

在開發(fā)過程中，我們系統(tǒng)分析了國內(nèi)外的實驗室管理系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)、功能與優(yōu)缺點。國外實驗室管理系統(tǒng)的最大特點在于更注重于實驗本身，把焦點放在實驗室需要進(jìn)行實驗的過程上，注重于統(tǒng)計實驗過程中的材料損耗，實驗過程記錄，實驗數(shù)據(jù)采集和實驗結(jié)果總結(jié)等方面。實驗的過程記錄完整度較高，使用實驗過程中數(shù)據(jù)的不同對比實驗結(jié)果的改變，更容易得出建設(shè)性實驗思路，甚至更容易發(fā)現(xiàn)實驗成果。

國內(nèi)實驗室管理軟件研究關(guān)注點主要有兩個。第一種實驗室管理系統(tǒng)類似作用于企業(yè)管理的Saas 平臺，將實驗室管理的重點放在實驗室人員的考勤，成果統(tǒng)計，實驗室使用情況（其中包括實驗室高頻使用時段，實驗預(yù)約，實驗室實時監(jiān)控等方面）。這種實驗室管理軟件將重點放在實驗室成員的管理，通過收集和分析實驗室人員表現(xiàn)的數(shù)據(jù)，管理者更容易得出優(yōu)化實驗室管理的辦法和方針。第二種實驗室管理軟件類似于使用在學(xué)校的課程系統(tǒng)，將實驗室管理的重點放在實驗課程排課，實驗設(shè)備使用以及實驗過程中的安全防范等。這類軟件面向的對象主要是學(xué)生和老師，此時實驗室管理員即為系統(tǒng)維護(hù)人員和在校任職教師，實驗室管理的重點是實驗安排的合理性和參與實驗人員的人身安全。

基于對上述幾類特點的實驗室管理軟件在幫助實驗室管理方面取得的效果分析，我們認(rèn)為，對于一個既承擔(dān)科研任務(wù)又承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的高校，無論引進(jìn)哪一種實驗室管理軟件都需要面臨此長彼短的情況。很多實驗室在實驗室管理方面依舊存在很多傳統(tǒng)實驗室管理模式無法克服的問題。我們研究開發(fā)的實驗室管理系統(tǒng)力圖吸納國內(nèi)外實驗室管理系統(tǒng)的優(yōu)點克服其不足之處，將實驗室管理系統(tǒng)劃分為如圖1 所示7 個模塊。

圖1 實驗室系統(tǒng)劃分圖

依據(jù)對于國內(nèi)外研究情況的分析，本系統(tǒng)的設(shè)計基于將三者進(jìn)行融合，即統(tǒng)籌對實驗室人員的管理、對實驗室課程的管理、對實驗過程的管理。系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)模塊可以追蹤實驗任務(wù)的進(jìn)度，實驗室人員管理模塊可對實驗室人員進(jìn)行分配和管理，實驗室課程模塊可以滿足實驗室課程預(yù)約等需求。而且本系統(tǒng)使用的技術(shù)包括HTML5，Bootstrap，Django 等均是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開發(fā)常用的技術(shù)，甚至是主流技術(shù)。而B/S 架構(gòu)是目前系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的方向，迎合時代潮流。MVC 框架主要采用封裝的思想，來降低耦合度，從而使系統(tǒng)更靈活，擴展性更好。

2 高校實驗室信息管理系統(tǒng)功能架構(gòu)的設(shè)計

本實驗室管理系統(tǒng)中包括用戶管理，實驗室概覽，實驗室數(shù)據(jù)統(tǒng)計，實驗室任務(wù)管理，實驗室設(shè)備管理，實驗室課表管理，實驗室文件管理和Wiki 文檔管理。

在實驗室用戶管理中包括了賬戶注冊，手機號驗證，用戶名密碼加圖片驗證碼登錄，手機號驗證碼登錄，實驗室邀請成員等功能，其使用了騰訊云的發(fā)短信功能。實驗室用戶管理主要以管理實驗室管理系統(tǒng)用戶為主要功能，其擁有嚴(yán)格的實驗室用戶的權(quán)限分配和權(quán)限驗證功能，沒有權(quán)限的用戶無法進(jìn)行包括瀏覽在內(nèi)的任何操作。

實驗室概覽是進(jìn)入具體某間實驗室管理的第一個頁面。其主要展示了實驗室近期新增任務(wù)折線趨勢圖，實驗室創(chuàng)建者（管理員）和實驗室成員（參與者）用戶名列表，實驗室任務(wù)統(tǒng)計情況，實驗室任務(wù)動態(tài)，實驗室信息詳細(xì)等。實驗室概覽主要以展現(xiàn)實驗室大概情況為主要功能，幫助用戶快速了解實驗室近況。

實驗室數(shù)據(jù)統(tǒng)計是對實驗室重要數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化的模塊。其主要對實驗室任務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計柱狀圖，實驗室任務(wù)優(yōu)先級餅圖和實驗室一周課程人時數(shù)柱狀圖。實驗室數(shù)據(jù)統(tǒng)計以實驗室關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化為主要功能，幫助用戶直觀感受實驗室數(shù)據(jù)總量、占比和變化。

實驗室任務(wù)管理是對實驗室任務(wù)進(jìn)行管理的模塊。其主要功能是對實驗室任務(wù)進(jìn)行添加，修改，查詢和追蹤進(jìn)度。實驗室任務(wù)管理是實驗室管理系統(tǒng)的核心功能之一。其重點放在對于實驗室任務(wù)的追蹤和統(tǒng)計。每一個任務(wù)都會有專門的討論區(qū)和任務(wù)狀態(tài)更新的動態(tài)提示。同時還設(shè)有關(guān)鍵詞篩選功能，可以快速找到用戶需要進(jìn)行操作的任務(wù)。

實驗室設(shè)備管理是對實驗室的設(shè)備進(jìn)行管理的模塊。其主要功能是設(shè)備列表，每種設(shè)備都設(shè)有使用記錄，幫助用戶關(guān)注設(shè)備狀態(tài)，更好地維護(hù)實驗室設(shè)備安全。

實驗室課表管理是對實驗室的課程進(jìn)行管理。其主要的功能是顯示當(dāng)周的課程和預(yù)約實驗，統(tǒng)計人時數(shù)并將數(shù)據(jù)傳給實驗室數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊。幫助實驗室管理者記錄預(yù)約課程，幫助實驗室任課教師預(yù)約實驗課程。

實驗室文件管理是對實驗室需要共享的文件進(jìn)行管理。實驗室文件管理使用了騰訊云的COS 對象存儲功能。每個實驗室會專門創(chuàng)建一個“桶”用來存儲該實驗室上傳的文件。用戶可以將需要共享或保存的文件上傳到對應(yīng)實驗室專屬云存儲空間里。文件上傳功能還支持創(chuàng)建，刪除和重命名文件夾。用戶可以將文件分門別類，更加條理地管理實驗室的文件。

實驗室Wiki 文檔庫是有權(quán)限進(jìn)入該實驗室的任意用戶均可使用的。用戶可以在Wiki 文檔庫自由地創(chuàng)建，修改，刪除，查閱在線文檔，方便快捷。幫助用戶及時記錄和修改實驗室信息，同時方便其將信息共享給實驗室其他成員。

實驗室系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

3 高校實驗室信息管理系統(tǒng)設(shè)計的特點

本實驗室信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)工作是基于對國內(nèi)外實驗室信息管理系統(tǒng)有了較為充分了解的基礎(chǔ)上展開的。在展開工作之前，我們分析了市場上主流實驗室管理平臺的特點，探測實驗室管理軟件的市場是否已經(jīng)出現(xiàn)飽和或即將飽和的情況。在確定了仍然有很多實驗室在使用傳統(tǒng)實驗室管理模式，在了解了有很多實驗室甚至實驗樓仍然迫切地需要一個實驗室信息管理系統(tǒng)的情況下，即了解了實驗室管理軟件在國內(nèi)依舊有較大的發(fā)展空間之后，決定開發(fā)本實驗室信息管理系統(tǒng)。

我們首先從行業(yè)需求，功能需求和非功能需求三個角度對國內(nèi)實驗室管理的普遍需求進(jìn)行需求分析。在進(jìn)行系統(tǒng)比較分析的基礎(chǔ)上得出本系統(tǒng)應(yīng)該具備什么樣的功能才能滿足當(dāng)前市場對于實驗室管理的功能需求后，拿出了一個發(fā)展前景良好且切實可行的設(shè)計方案。依據(jù)這個方案，確立了7 大功能模塊的設(shè)計框架。

本系統(tǒng)地實現(xiàn)，使用了Django 框架，Bootstrap 框架，Markdown 編輯器插件，Redis 數(shù)據(jù)庫和騰訊云COS 對象存儲等技術(shù)。代碼中封裝了basic.html 和manage.html 文件做前端模板，自行編寫auth.py 中間件，用來驗證每次操作最重要的部分——用戶權(quán)限。

本實驗室管理系統(tǒng)的開發(fā)確實能夠在一定程度上緩解管理人員在一些冗雜問題上管理實驗室的壓力。同時，能夠在一定程度上幫助管理人員更加輕松地完成之前同樣工作量的工作。使用軟件輔助管理是可以在一定程度上為管理人員節(jié)省精力和時間成本，為用戶節(jié)省人力物力財力。