開放式實驗室網絡管理系統設計

朱 承

重慶電子工程職業學院，重慶 401331

高等學校的教學目的是通過各種教學形式來實現人才的培養，除了課堂教學的基本理論知識外，實驗教學是學生獲得知識、提高自身技能水平的重要途徑。而我國高校實驗室的建設模式是按照滿足課程實驗要求來建立的，其管理模式更是以分散型的傳統人工管理模式為主。但隨著我國高等職業教育的迅猛發展，各高校在校生人數迅速增加，這種模式呈現出很多不足和弊端，多表現在實驗室規模小，功能單一，有效利用率低。實驗室和實驗設備數量不足，遠不能滿足教學要求，嚴重影響實驗教學的正常開展，進而影響學生實驗技能，綜合能力和創新能力培養。如何解決實驗室和實驗設備的不足問題，是目前各高校首先面臨的現實問題，而開放式實驗室網絡管理系統的開發和建設則不失為解決這一問題的有效途徑。

開放式實驗室網絡管理系統是合理有效利用實驗資源，實現實驗室高效管理、實驗教學信息化、規范化、自動化的多功能管理平臺。該管理系統與傳統實驗室管理系統比較具有以下特點：1）開放式實驗室網絡管理實行網上預約、電子簽到、身份識別、成績自動評定、數據庫信息管理等，將實驗室管理規范化、計劃化，并能隨時根據要求產生實驗數據匯總和統計，有利于實驗室長遠發展規劃；2）采用開放式實驗室管理通過遠程監控管理，實驗室人員可以遠程實時監控實驗室設備使用情況和實驗者的操作情況進行設備控制管理；3）在開放式實驗室網絡管理下，學生的實驗學習是以學生為中心的自我學習。學生通過完成提交發布在網上的實驗預習報告獲得能進行某種級別實驗的權限，通過網上實驗預約，并在規定的預約時間內去實驗室獨立完成相關實驗。有利于培養學生的創新思維和實踐能力，同時提高了實驗室和實驗設備的使用率。

1 總體結構

開放式實驗室網絡管理系統采用B/S模式的多層架構，主要分為：實際操作實驗的若干工作臺，中間轉發和執行網絡任務的大型服務器、交換機，以及用戶端。用戶端與服務器通過Internet連接，服務器與各工作臺可由局域網進行連接。

工作臺由實驗臺、數據采集電路板和連接實驗臺的PC機組成。它主要完成實驗數據的采集和傳輸，與服務器和交換機進行通信連接，接收指令和傳輸數據，并根據實驗數據完成實驗報告的自動生成和實驗成績的評定。服務器和交換機負責與工作臺的指令和實驗數據傳輸（包括圖像、聲音、應用程序以及視頻），并將所有信息和數據存儲到數據庫中，完成實驗者身份識別、實驗設備的開啟關閉以及實驗數據、實驗信息和實驗過程的監控和管理。用戶端可通過Internet網下載實驗學習課件，提交實驗預習報告，進行網上實驗預約，查詢個人預約情況。并根據獲得權限查詢實驗項目、實驗成績等相關信息，進行遠程管理操作。

2 實驗中心管理系統

實驗中心管理系統基于Internet網絡運行，管理人員可以不受地域的限制，對實驗室進行遠程管理。該系統包括信息管理模塊、實驗計劃管理模塊、實驗預約管理模塊、身份識別和實驗簽到管理模塊、實驗室視頻監控和管理模塊。教學管理人員可以通過系統實現對各開放實驗室的實驗教學組織和教學運行及實驗設備使用情況進行遠程監控和管理。

2.1 信息管理

信息管理主要負責權限分配、全校學生信息、教師信息、實驗室信息、實驗課程信息、院系信息、專業信息、系統工作人員信息等數據維護，以及對系統運行參數的設置和調整等。實現對學生檔案、教師檔案、實驗報告、實驗成績、設備檔案、供應商檔案等信息查詢和維護。

2.2 實驗計劃管理

實驗計劃管理包括教學計劃，課程安排管理。教師可通過自己的身份登錄到實驗中心網絡，進行各自教學計劃的編制及其它的相關職務的管理工作，完成實驗課程安排和實驗內容設置。

2.3 實驗預約管理

網上預約管理主體的設計思路是實驗室管理人員對實驗教學進行宏觀調控，合理安排實驗時間、實驗場地、實驗設備及輔導教師。學生根據自己的實際情況，輸入學號和個人密碼登錄系統，進行實驗預約、查詢個人預約情況以及下載課件等操作。在實驗室開放時間內自行選擇實驗時間和實驗項目，實驗管理人員能夠根據實驗預約情況，安排必要的實驗準備工作。實驗預約包括自動預約、指定預約和預約查詢。

2.4 身份識別和實驗簽到管理

身份識別系統是電子電路實驗網絡管理系統的一個重要的組成部分，它實現了真正意義上的開放性管理。身份識別系統安裝在實驗室進出口處，系統包含服務器、門禁器、刷卡機、電源控制器、攝像機及管理軟件等。學生做實驗首先要刷卡進行身份驗證，若為合法用戶，系統會自動分配實驗臺并為用戶啟動實驗設備，記錄、時間等相應信息。一旦實現簽到后，立即將學生信息數據傳送到學生機，并同時實施對學生機與工作臺的管理和控制。

2.5 實驗室視頻監控和管理

實驗室視頻監控系統采用高性能的數字采集壓縮技術和計算機技術，取代了傳統的“模擬”方式的監控系統所需的大量監視器、錄像機、圖像分割器、解碼器、視頻切換器及矩陣系統等設備。數字監控系統采用先進的數字處理技術，使得圖像質量更高，更易于保存，特別是通過各種網絡還可以將圖像進行遠程傳輸。系統具有自動開機、自動關機、自動復位、自動布防、監控時間表、錄像時間表、分通道布防時間表等功能，真正作到無人職守。

3 學生實驗管理系統

學生實驗管理系統基于Windows98/2000/XP平臺，后臺采用Microsoft Sql Server 2005數據庫。系統包含的功能有：實驗數據采集、實驗設備動態管理和監控、實驗報告自動生成、實驗成績自動評分、網絡出現故障/異常時自動脫網運行等。

3.1 實驗數據采集系統

圖1 數據采集電路板功能框圖

網絡型開放式實驗室在實驗本身所需的硬件設備搭建完成后，還需要一個數據采集電路板，該電路板的位置在每一臺學生機前端，其作用是將實驗臺上所有的實驗數據采集變換后匯總到相應的計算機中，使得硬件設備能夠與計算機相連，并通過學生機連接到教師機、服務器上。數據采集電路板功能框圖如圖1所示。

實驗數據采集電路板的工作過程是：1）實驗臺輸出各種信息對應的電壓模擬量；2）單片機對A/D轉換器控制，進行模擬量的數字轉換，同時讀取相應的數字信息；3）在單片機的控制下，把采集到的數字信息按照信息類型的不同分別存儲到不同偏移量的存儲單元內，以便用戶隨時查詢；4）單片機串口輸出經RS232電平轉換后，與計算機的串口相連，進行數據交付。

3.2 實驗設備管理和監控

系統可通過實驗監視實時數據、實驗故障及報警、實驗時間設定，實現實驗的在線實時監控。當學生作實驗時，教師和實驗管理人員可監控每一個實驗臺的實時動態數據以及與學生實驗相關的信息和操作信息等。

教師可通過系統實現設備分配、設備監控、設備控制。根據實時實驗狀態判斷各實驗臺是否正常，一旦有非法情況，教師可通告到指定的實驗臺學生，在學生機的顯示器上顯示，對于嚴重的故障也可通過“設備管理”功能切斷實驗臺的電源系統，禁止學生繼續實驗。在實驗過程中，若出現設備損壞，教師機可立即通過查詢及時通知實驗學生變換到重新分配的機位上，相應的實驗數據也應通過教師機重新發送到新分配的機位上去，以保證學生實驗順利完成。

3.3 實驗報告管理及考評

實驗報告是整個實驗過程中比較復雜的環節。在傳統的實驗過程中經常發生學生在編寫實驗報告有抄襲的現象，老師無法真實考核。學生做實驗記錄實驗數據也比較繁瑣，實驗報告存檔管理的工作量大，查找一份實驗報告需要花費很大的精力，并且更大工作量是教師對實驗報告評閱。學生實驗管理系統最大特色是實驗報告能夠與學生的實驗數據緊密結合，實驗中所有直接測量數據具有自動填入實驗報告功能，解決了實驗報告的考核問題，避免了實驗報告互相抄襲的現象。系統通過對實驗儀表實時采集的數據與正確實驗數據的對比，能夠實現自動在線實時判分，包括對示波器波形也能夠自動采集到實驗報告中實現自動判分，并將分數反饋給學生，同時將考生的成績記錄到數據庫中。整個判分過程都不需要教師的干預完全實現自動的判分，最大程度上減輕了教師的工作量，并且系統把每次學生完成的實驗報告保存在數據庫中，通過WEB方式可以非常方便的查詢。

4 結論

隨著計算機網絡技術、單片機控制技術和A/D轉換技術的飛速發展，實驗室網絡管理系統的研究和開發為解決實驗室和實驗設備不足及實驗室管理等問題提供了重要途徑。實驗室網絡管理系統自身擁有極大的技術優勢，對未來的教育和科研工作的方式有著極大的影響，對實驗室的建設將有極大的促進作用。

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