智慧實驗室管理系統的設計

郝倩

摘要：近年來，隨著各種網絡技術、硬件技術的進步，傳統的教育教學方式正在發生劇烈的改變。高校實驗教學作為一項培養學生動手能力，提高理論與實踐相結合的重要課程，近年來也在高校中引起了廣泛的關注。想要開展好實驗課程，必須要配套好相應的軟件和硬件設施，該文利用網絡技術，將傳統的實驗室管理模式與先進的技術相結合，設計出一套智慧實驗室管理系統。本系統的設計，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。

關鍵詞：智慧實驗室;管理系統;B/S模式;MySQL

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

高等院校的實驗課程，是將理論與實踐結合的最好方式。在實驗室管理的過程中，可以開發與設計基于網絡技術的智慧實驗室管理系統，滿足實驗數據的收集、考核內容的安排、統計分析對比等繁重的實驗教學需求。

1 智慧實驗室管理系統

隨著網絡技術的飛速發展，眾多高校引進先進的信息管理系統，進行學校內部眾多事務的管理，包括教務管理、學生選課、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）實驗室設備無法統籌，資源整合無從下手，僅憑人工記憶、紙質記錄、手動分配等管理手段，無法滿足繁重的教學需求。

2）實驗室在日常的教學過程中，每次實驗數據的收集、考核內容的安排、統計分析的對比等，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。

而出現這些問題的原因，一方面是因為基本硬件配比不到位，導致基本的實驗室器材不能完全符合日常教學的需要;另一個主要原因，是傳統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，整理，包括學生考試等情況，終歸有存在疏漏的地方。

而智慧實驗室管理就是基于網絡技術對傳統實驗室管理的改進。該系統集系統管理，基礎管理，實驗室管理，設備管理，考勤管理等功能優勢于一體，采用統一的技術平臺，實現了實驗室內的數據資料共享。整套實驗室管理系統涉及了管理員，教師，學生三個角色，實現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需求分析

2.1 系統目標

1）技術可行性分析

技術可行性主要是通過前期系統設計過程中，對于系統的功能，性能以及其他外部條件而做出的一種綜合性技術決斷。本次系統采用的是B/S架構模式，利用MySQL數據庫系統進行數據的存儲，可靠性強、易操作。因此，采用該系統架構能夠較好地完成系統所預期的任務和目標，總體上來說技術上是可行的。

2）經濟可行性分析

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

2.2 系統需求分析

1）教師主體的需求分析

教師在本系統中，他的角色是普通用戶，需要對其實驗課程的內容進行相應安排管理，分別如下：

教務管理：教務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：對學生實驗報告打分和期末成績進行統計與管理，對平時的出勤率進行統計和每個教師的工作情況進行統計。

2）學生主體的需求分析

學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：學生用自己的學號登錄之后，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，將實驗的內容上傳到系統中，教師登錄系統后可看到學生提交的實驗報告，并根據其內容進行打分。

3）管理員主體的需求分析

系統管理員的權限是最高的，可以對系統用戶的進行查詢，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，學院等）。

學生管理：可以查看，更改，刪除，添加學生的信息（如編號，學號，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、學生人數等）。

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，課程內容管理，安排實驗室的上課內容等。

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

3.1 管理系統總體設計

3.1.1 功能模塊

智慧實驗室管理系統功能模塊圖如圖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、教師用戶和學生用戶，這些內容都是對實驗室管理員、老師和學生用戶而設計的。

2）基礎管理：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據進行管理，包括實驗器材的使用登記，所有器材產品的目錄、庫存的更新，供應商的信息，常規材料與特殊材料的分別管。

4）設備管理：該模塊對于實驗室的所有器材設備等資產進行統計管理，確保實驗室資產不丟失。

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

3.1.2 數據庫設計

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

3.1.2.1 主要實體屬性

本次系統中的實體，包括管理員，教師，學生，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E-R圖，如圖2所示：

3.1.2.2 主要數據表設計

結合本管理系統的需求分析與功能設計，確定該系統的數據庫表有學生信息表、實驗記錄表、訂購登記表、項目信息表、使用記錄表。運用表的結構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據庫存儲的信息，表與表之間的邏輯關系合理且驗證通過，不存在沖突和矛盾問題。

1）學生信息表

主鍵：學生ID，外鍵：無;字段信息：學生ID，學生姓名，班級，入學時間，班主任，手機號碼。

2）試驗記錄表

主鍵：課程編號;外鍵：學生ID;字段信息：課程編號;實驗編號;授課班級;學生數目;負責教師;所屬學院。

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;數目;金額;負責人;供應商;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;項目負責人;項目涉及器材;項目涉及學生;主要技術。

3.2 各功能模塊的設計

1）系統管理模塊設計

系統管理模塊主要包含以下幾個功能：系統角色選擇、系統用戶管理、系統參數查看、系統工作流程管理、系統的編號管理等。該系統主要包括三種角色，實驗室系統管理員、任職教師和學生。系統管理員能夠通過網絡對所有的用戶的相關信息進行在線管理，以及通過系統參數來設置日志存儲空間和系統備份時間。系統工作流包括：實驗室申請流程、單據提交流程等業務。系統自動編號為每次提交的單據設置分類編號，方便后續的整理和統計。

2）基礎管理模塊設計

功能：基礎管理模塊要管理整個系統的基礎信息，如教師基本信息的增、刪、改、查、學生信息的增、刪、改、查;系統能夠根據當學期的課程情況自動的安排實驗室使用情況，并且自動從學校教務系統讀取學生教師的信息，導入到數據庫中，而不需要人工的操作。

實現：需要定義學生信息的字段包括：學號、姓名、性別、院校、卡號、院系、專業、入學時間。基礎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。通過向教務系統服務器端發送請求，服務器收到請求后將教師與學生信息返回，系統模塊自動通過SQL語句將信息寫入到數據庫中;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：通過該模塊的設計實現，能夠自動化實現學生與老師信息的輸入與管理，從而體現出智慧實驗室系統的智慧管理。

3）實驗室管理模塊設計

功能：實現實驗室、實驗室設備、工位、負責人信息的管理，按學期、院系與實驗室管理數據進行管理，實現電源控制、門禁管理。系統能夠自動的檢測時間節點，當發現某個時間信息沒有任務時，系統就會自動的斷電等，確保實驗室使用安全;當某個時間段有安排，系統也會提前的開燈等準備實驗器材，確保工作有序進行;智慧實驗室能夠自動的統計實驗室的教學實驗器材——利用每一項器材的唯一識別碼，當器材遠離出實驗室范圍時，就會發出警告，因此不需要人工的去盤點而通過終端就可以管理;智慧實驗室能夠將每一個實驗室設備加入數據庫中，根據硬件識別檢測技術對實驗室器材進行跟蹤。

實現：需要定義的字段包括：學期代碼、學期名稱、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、負責人、管理卡卡號。

解決問題：智慧實驗室管理系統的智慧體現在，系統能夠自動對實驗室的狀態進行管理與控制，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）設備管理模塊設計

功能：智慧實驗室系統用射頻技術，對每一個設備身份信息的識別碼進行檢測，當發現設備超過實驗室的某個安全距離之后，就會自動的發出警報聲，確保實驗室設備不會丟失;同時，系統定期進行設備的統計與檢查，每一項信息都會寫入到數據庫中，確保有理有據。

設備管理模塊包括：掛失單號、掛失人、設備代號、設備名稱、日期、地點。

解決問題：智慧實驗室管理系統，能夠對每一個實驗室的關鍵設備進行跟蹤與檢測，一旦發現某樣東西丟失就會記錄并發出警報，解決了傳統人工統計歸納的問題。

5）考勤與考評管理模塊設計

功能：考勤與考評管理部分，主要完成對學生的成績信息進行統計分析，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。系統利用攝像頭，紅外等人形識別技術，對出入實驗室的每一個人進行檢測，并且與后臺服務器進行對比，這樣就能夠有效的保證學生考勤記錄;同時，系統支持學生自主提交實驗過程與實驗結果，并且給出相應的打分，然后將分數記錄到成績單中去，完成學生成績的考評。智慧實驗室能夠自動的管理統計學生成績，不需要老師參與。當完成某項實驗之后，學生向系統提交實驗過程與結果，系統自動的根據實驗的規范進行打分并作整體的統計，大大減輕教師的工作壓力。

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

4 總結與展望

本次畢業設計，針對目前高校發展過程中傳統實驗室管理模式的缺陷，利用計算機與網絡技術，設計開發了這樣一整套涉及管理員、教師、學生三個角色的智慧實驗室管理系統，實現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。本文的創新體現在設計的系統提高了系統數據的通用性，模塊與模塊之間的耦合程度低，使得系統的兼容性良好。在設計的過程中，考慮到實際的應用，對耗材管理、出入庫設備管理等也做進行了考慮。

然而，系統還是存在著一些不足和問題，系統的架構技術基于已有的經驗借鑒，談不上最新和最先進，需要更好的完善該系統，對于動態變化的實驗主體的應用需求，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。

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