高效實驗管理平臺構建與分析

孫金煜， 陳 瀅， 魏 猛， 元以中， 田曉慧

(1. 華東理工大學 材料科學與工程學院，上海市先進聚合物材料重點實驗室， 上海 200237；2. 上海中覓通信技術有限公司 軟件工程部， 上海 201100；3. 華東理工大學 材料科學與工程學院， 國家級材料實驗教學中心，上海 200237)

高效實驗管理平臺構建與分析

孫金煜1,3， 陳 瀅2， 魏 猛1， 元以中1， 田曉慧1

(1. 華東理工大學 材料科學與工程學院，上海市先進聚合物材料重點實驗室， 上海 200237；2. 上海中覓通信技術有限公司 軟件工程部， 上海 201100；3. 華東理工大學 材料科學與工程學院， 國家級材料實驗教學中心，上海 200237)

為解決實驗資源不足和效率低的問題，構建了面向學生用戶、管理多項實驗的實驗管理平臺系統，從數據庫表關系、后臺服務端邏輯和MVC架構實現等3方面對系統的設計進行了分析。該實驗管理平臺由教師管理模塊、預習報告模塊、實驗操作模塊組成，采用B/S架構、MySQL后臺數據庫支持，可有效提高實驗室管理水平和儀器設備的利用率，解決實驗教師、實驗教學資源不足的問題，進而提高實驗教學水平。

實驗管理系統； 實驗教學； MVC架構； 數據庫應用

為提高實驗教師的工作效率、減輕學生負擔、提高實驗平臺資源利用率[1]、培養學生的實驗技能，筆者運用PHP開發語言和MySQL構建后臺數據庫，以B/S架構開發了一套高效的實驗管理平臺[2]。通過平臺實現對學生預習情況的檢查[3]、學生自主預約實驗[4]、自動分析學生實驗報告、給出實驗結果評分等功能。該平臺由教師管理模塊、預習報告模塊、實驗操作模塊等組成，充分利用當今便捷的網絡資源，高效管理本科無危險基礎教學實驗[5]，做到一個教師可以同時帶多個實驗、甚至同時管理多個實驗室，解決了因教師不足或實驗教學資源不足[6-8]而導致的學生實驗技能鍛煉不足的問題[9-12]。

1 實驗管理平臺的結構和開發方案

實驗管理平臺采用流行的B/S的架構，學生可以利用互聯網完成預習審查、提交報告、實驗預約，從而節省大量的書寫工作量。該平臺不僅能夠完成實驗管理的工作，還可以方便地根據新的實驗設備的更新增加或改變實驗內容，從而使該管理平臺與實驗室的發展同步。

利用B/S架構的客戶端無需部署、系統便于管理等優點，使學生在互聯網覆蓋的地方都可以完成工作提交和實驗預約。為提高系統的開發效率，管理系統采用可二次開發的設計模式。系統采用PHP和MySQL數據庫技術的同時，還采用了Ajax等技術，使得系統具有良好的交互性和人性化的操作界面。

系統的客戶端使用標準的Web瀏覽器，便于用戶的操作和瀏覽?？蛻舳擞脩艨梢詫崿F對實驗內容和過程的瀏覽、預習報告的提交、實驗的預約以及最終實驗結果的提交。服務器端使用Aparch+MySql的搭配，用以后臺的邏輯實現、數據庫操作以及用戶管理界面的實現。

目前有很多免費或商用開源管理系統，有完整的框架和開發模版，具有良好的穩定性和可擴展性，方便進行二次開發，節省開發工作量和提高系統的穩定性。MVC開發模式是目前PHPWeb設計的常用模式，通過把顯示、控制和業務邏輯(模塊)分開，從而使得設計和分工更加清晰，簡化管理系統的設計和實現。

實驗管理平臺的基本邏輯框架如圖1所示。學生可以通過客戶端進行瀏覽、預約實驗和上傳實驗報告等，教師可以通過登錄瀏覽器利用數據庫對文件進行管理、分析和處理。

圖1 PHP+MySQL的技術開發邏輯框架

2 角色的職能分析及功能概述

系統的主要角色是教師和學生。教師的主要職能是按計劃發布本學期的實驗內容、實驗安排等信息；對學生的預習報告進行評審，確認學生進行實驗操作的時間；在實驗完成后，對學生的實驗報告進行檢查和評價。學生的職能是：在預習實驗階段，充分預習實驗，在規定時間內在線完成預習題目，并在通過測試后，根據自己的課程安排和實驗室資源情況預約實驗；在實驗操作階段，按照預約的時間在實驗室完成實驗，根據實驗情況，在線填寫實驗報告、分析實驗數據、給出實驗結果并完成實驗課后分析題。提交實驗報告后，系統自動對該次實驗進行評判，未通過評判的學生需要重新完成實驗或者再預約下一次實驗。

根據上述角色職能分析，并基于功能聚合性原理，可以將系統劃分為用戶登錄、預習檢查、實驗預約、實驗操作和教師管理等5個模塊。

(1) 用戶登錄模塊。當學生或者教師對系統進行操作時，首先需要登錄系統。本模塊根據登錄用戶的權限判斷登錄者的身份，并根據用戶的權限確定該用戶能夠操作的模塊。

(2) 預習檢查模塊。系統會根據教師提供的后臺的預約題內容，隨機選取部分內容生成預約答題內容，要求學生在規定時間在線完成。預習合格的學生有權限進行實驗預約，并要在指定時間內完成實驗預約；預習不合格的學生需要重新進行預習和檢查。

(3) 實驗預約模塊。學生可以根據完成的預習實驗內容和實驗室資源使用情況進行實驗預約，選擇實驗資源和實驗時間。

(4) 實驗操作模塊。學生根據實際預約審批結果進行實驗操作。操作完畢后，提交實驗數據和實驗分析結果，模塊對實驗數據和實驗結果進行自動的評判。如果實驗未能通過，學生可以在規定時間內繼續完成實驗或者重新預約實驗。

(5) 教師管理模塊。教師的職能在這個模塊內完成，主要是信息發布和進行相應的檢查和管理。

3 實驗管理系統的設計

3.1 數據庫表分析

數據庫是業務邏輯的基礎，而數據庫表是數據庫設計的基本單元。數據庫中各表的功能邏輯見表1。

表1 數據庫表說明

表1(續)

3.2 數據庫表關系分析

圖2中給出了主要數據庫表的關聯圖。以實驗信息表與其他表的關系為例：(1)與實驗數據表為一對多的關系，即1個實驗對應n個學生的實驗數據和分析結果；(2)與標準結果表為一對一的關系，即1個實驗對應1個實驗數據的標準結果信息，提供系統進行實驗操作自動評判；(3)與實驗平臺表為一對多的關系，1個實驗對應1個或者n個實驗平臺；(4)與預習題庫表為一對多的關系，每個實驗對應多于20道預習題；(5)與學生預習表也為一對多的關系，每個學生在一個實驗中對應完成多道預習題。

圖2 數據庫表關聯圖

3.3 服務端邏輯實現分析

3.3.1 數據庫操作表分析

通過對實驗操作模塊進行詳細分析，完成服務器端的邏輯實現。

(1) 學生在實驗室登錄系統，通過Web客戶端提交用戶名和密碼，服務器端進行身份驗證，同時在學生信息表記錄用戶的IP地址和登錄時間等信息。

(2) 學生選擇進入實驗操作模塊，系統會根據學生ID查詢實驗預約信息表內容，判斷當前學生是否已預約實驗，判斷通過后學生才能進行后續實驗操作。

(3) 學生進行實驗，得到實驗數據，并對實驗結果進行分析。

(4) 學生實驗完成后，通過Web提交數據和結果、填寫實驗信息，如學生ID，平臺編號等。

(5) 服務器端把相關信息保存到實驗結果表中，并根據實驗ID將提交的實驗結果與實驗標準結果表進行比對，然后給出評判結果，如果比對結果在誤差允許范圍，則給出實驗完成的評判結果，否則學生需要選擇重新實驗或者重新預約實驗。

(6) 實驗完成后，自動清除該實驗的預約記錄。

根據上述實驗操作的具體流程，以數據庫表作為對象資源，給出了對象資源序列圖(見圖3)，圖中給出在實驗操作流程中各個對象的生命期和相關的消息調用情況。

圖3 對象資源序列圖

3.3.2 基于MVC架構設計實現和學生操作邏輯

基于MVC架構的實驗操作模塊如圖4所示。在服務器端基于MVC架構實現的組件，分別是：(1)界面顯示組件，包含顯示相關內容的PHP文件；(2)控

制組件，包含多個PHP文件實現，用于學生輸入行為的邏輯控制，進行數據庫處理并選擇顯示相應的PHP頁面；(3)數據庫組件，它是是基礎部分，是所有模塊都會訪問的功能部分，完成對數據庫的各個表的讀寫以及查詢操作。

當學生輸入網址http://www.domain.com/exper/index.php后，后臺PHP的MVC會完成地址解析，系統會調用experModule的index函數，這個函數簡單處理后，會在頁面上顯示index.php頁面的內容，提供用戶進行登錄。學生填寫相關信息后并確認提交，根據空間頁面跳轉地址設置http://www.domain.com/exper/login.php的值，系統會調用experModule模塊的login函數。這個函數內會對用戶進行認證，并查詢用戶的預約信息，根據查詢結果顯示后續的頁面。如果查詢到的對應結果與當天實驗信息一致，就直接顯示sumit.php頁面；如果認證未通過或者預約信息不匹配，則顯示error.php頁面。

完成實驗后，學生在submit.php頁面填寫相關實驗數據和實驗結果并提交，頁面依然調用experModule類的submit函數，這個函數會把相關的信息填入對應的數據表中，然后調用標準結果表進行數據的比對，并調用result.php頁面進行顯示。

圖4 實驗操作模塊的MVC調用圖

4 結束語

實驗管理自動化信息系統實現了實驗流程的電子化，提高了實驗平臺的利用率，實驗結果能夠及時提交并得到評估，降低了學生和教師的案牘工作量，提高了工作效率，為實驗文檔的管理提供了更有效的方法。建立實驗管理自動化信息系統，是實驗教學和實驗室管理向信息化發展的必然要求，是科學、高效管理的必然要求。實驗數據的電子化存檔，也提高了對實驗結果進一步分析的可能，有效地促進了實驗教學與理論教學更好地結合。

References)

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Construction and analysis of a platform with an efficientexperimental management system

Sun Jinyu1,3, Chen Ying2, Wei Meng1, Yuan Yizhong1, Tian Xiaohui1

(1. Key Laboratory for Specially Functional Polymers and Related Technology of Ministry of Education, School ofMaterials Science and Engineering, East China University of Science and Technology，Shanghai 200237, China;2. The Department of Software Engineering，Shanghai Zhongmi Communication Technology Co.,Ltd, Shanghai201100，China；3.Materials Teaching and Research Center，School of Materials Science and Engineering,East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

The efficient experimental management platform has been structured with PHP, MySQL database and B/S framework,to improve the experiment efficiency of teachers, reduce the burden of the students ,and improve the utilization ratio of the experimental platform resources.This system supports the features as the preview reports inspection ,the experiment appointment, the experimental report analysis,and the laboratory results assessment. The management platform also consists of serval modules as teacher management, preview report and experimental operation. By making full use of the convenient network resources, the efficient management platform of undergraduates’ basic no dangerous experiments can be achieved. At the same time, one teacher can manage multiple experiments and laboratories by use of this management system,which solves the problems of the insufficient students’ experimental skills training and the experimental teaching resources shortage.

experimental management system; experimental teaching; MVC architecture; database application

2014- 10- 24

國家高技術研究發展計劃項目(2009AA035002)；上海市重點學科(B502)和重點實驗室項目(08DZ2230500)資助

孫金煜(1980—)，女，山東牟平，博士，講師，從事材料物理專業的本科教學、實驗教學、光電材料性能及生物功能材料的科研.

E-mail：sunjinyu@ecust.edu.cn

G420

A

1002-4956(2015)5- 0145- 04