智慧实验室管理系统的设计
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作者:郝倩
摘要：近年来，随着各种网络技术、硬件技术的进步，传统的教育教学方式正在发生剧烈的改变。高校实验教学作为一项培养学生动手能力，提高理论与实践相结合的重要课程，近年来也在高校中引起了广泛的关注。想要开展好实验课程，必须要配套好相应的软件和硬件设施，该文利用网络技术，将传统的实验室管理模式与先进的技术相结合，设计出一套智慧实验室管理系统。本系统的设计，旨在满足实际的需求，对高校实验室管理提供一定的实用与参考价值。
关键词：智慧实验室;管理系统;B/S模式;MySQL
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）02-0050-03
高等院校的实验课程，是将理论与实践结合的最好方式。在实验室管理的过程中，可以开发与设计基于网络技术的智慧实验室管理系统，满足实验数据的收集、考核内容的安排、统计分析对比等繁重的实验教学需求。
1 智慧实验室管理系统
随着网络技术的飞速发展，众多高校引进先进的信息管理系统，进行学校内部众多事务的管理，包括教务管理、学生选课、成绩管理等，实验室的信息化管理也成为可能。目前高校实验室存在着诸多的问题：
1）实验室设备无法统筹，资源整合无从下手，仅凭人工记忆、纸质记录、手动分配等管理手段，無法满足繁重的教学需求。
2）实验室在日常的教学过程中，每次实验数据的收集、考核内容的安排、统计分析的对比等，采用人工管理模式进行，不仅需要耗费大量的人力物力，同时管理的效率也偏低。
而出现这些问题的原因，一方面是因为基本硬件配比不到位，导致基本的实验室器材不能完全符合日常教学的需要;另一个主要原因，是传统的实验室管理模式较为落后，完全依靠实验室管理老师去对每一项事物进行负责，整理，包括学生考试等情况，终归有存在疏漏的地方。
而智慧实验室管理就是基于网络技术对传统实验室管理的改进。该系统集系统管理，基础管理，实验室管理，设备管理，考勤管理等功能优势于一体，采用统一的技术平台，实现了实验室内的数据资料共享。整套实验室管理系统涉及了管理员，教师，学生三个角色，实现了整个实验室管理过程中的全自动化，以及减少了很多管理过程中所需要的人力物力，提高了实验室管理部门的工作效率，实现了真正的智慧化。极大地增加了用户体验的满意度。
2 智慧实验室管理系统需求分析
2.1 系统目标
1）技术可行性分析
技术可行性主要是通过前期系统设计过程中，对于系统的功能，性能以及其他外部条件而做出的一种综合性技术决断。本次系统采用的是B/S架构模式，利用MySQL数据库系统进行数据的存储，可靠性强、易操作。因此，采用该系统架构能够较好地完成系统所预期的任务和目标，总体上来说技术上是可行的。
2）经济可行性分析
系统在设计的过程中，从最初的调研在后面的设计再到系统的实施，整个过程的消耗成本比较低。系统开发出来之后，可以用本校的实验室进行测试。本系统模拟校园实验室的平台，能够符合具体的需求，作为模拟系统在经济上是可行的，它不需要投入太多的资金。
2.2 系统需求分析
1）教师主体的需求分析
教师在本系统中，他的角色是普通用户，需要对其实验课程的内容进行相应安排管理，分别如下：
教务管理：教务管理部分包括实验室安排，实验分组，课程表管理。
考评与考勤管理：对学生实验报告打分和期末成绩进行统计与管理，对平时的出勤率进行统计和每个教师的工作情况进行统计。
2）学生主体的需求分析
学生模块的主要功能有包括查看实验项目，提交实验报告和查询成绩。
查看实验项目：学生用自己的学号登录之后，可以查看并下载本次实验的项目，也可以查看曾做过的项目和成绩。
提交实验报告：在实验完成后，将实验的内容上传到系统中，教师登录系统后可看到学生提交的实验报告，并根据其内容进行打分。
3）管理员主体的需求分析
系统管理员的权限是最高的，可以对系统用户的进行查询，修改，增加，删除等操作，具体包含以下几个管理子模块。
用户管理：可以查看、更改、删除、添加管理员信息（如ID、编号、用户名、密码，角色，学院等）。
教师管理：可以查看、更改、删除、添加教师信息（如ID、编号、用户名、密码，角色，学院等）。
学生管理：可以查看，更改，删除，添加学生的信息（如编号，学号，姓名，密码，性别，出生日期等）。
班级信息：可以查看、更改、删除、添加班级及详细院系的信息（ID、编号班级名称、开班时间、学生人数等）。
其他信息管理：包括实验室信息管理，查询实验室的使用状态，课程内容管理，安排实验室的上课内容等。
设备管理，耗材管理：设备管理包括设备基本信息、设备的添加、设备故障报修和维护、设备借用与归还等功能。设备管理员负责对设备的添加，设备种类的选择与购买和设备的维修进行记录。耗材管理包括耗材基本库存信息、耗材出库与入库等功能。耗材管理员把每学期的库存信息进行导出，然后根据实际情况对下学期的耗材进行申报，记录耗材出入库与购买耗材等信息的添加。
3 智慧实验室管理系统设计
3.1 管理系统总体设计
3.1.1 功能模块
智慧实验室管理系统功能模块图如图1所示：
针对上述的功能模块图，作简要功能介绍如下：
1）系统管理：该模块主要涉及三个部分，实验室管理员、教师用户和学生用户，这些内容都是对实验室管理员、老师和学生用户而设计的。 2）基础管理：电子实验部分，包括实验管理，对电子实验的过程进行管理;试验记录：对每一次实验的过程进行记录。
3）实验室管理：该模块是对实验室信息与数据进行管理，包括实验器材的使用登记，所有器材产品的目录、库存的更新，供应商的信息，常规材料与特殊材料的分别管。
4）设备管理：该模块对于实验室的所有器材设备等资产进行统计管理，确保实验室资产不丢失。
5）考勤与考评管理：该模块包括对学生成绩进行分析，学生的出勤情况的统计，学生完成实验的成绩评价和自动统计学生的成绩。
3.1.2 数据库设计
在数据库设计部分，最主要的追求就是要使得整个数据库的性能足够高，数据在存储的过程中，不仅仅要保证数据存储的完整性，更要保证数据的安全性，此外，对于读取以及整体的速度，仍然有一定的要求。本次系统所使用数据库软件是MySQL，MySQL作为一款开源的轻型数据库，能够较好地满足上述的需求。
3.1.2.1 主要实体属性
本次系统中的实体，包括管理员，教师，学生，以及其他诸如实验室，实验器材等多个方面，主要的实体属性图如下所示：
智慧实验室管理系统E-R图，如图2所示：
3.1.2.2 主要数据表设计
结合本管理系统的需求分析与功能设计，确定该系统的数据库表有学生信息表、实验记录表、订购登记表、项目信息表、使用记录表。运用表的结构信息是在借鉴成熟的管理平台，且对实验室管理工作进行分析后得出的，覆盖了所有需要在数据库存储的信息，表与表之间的逻辑关系合理且验证通过，不存在冲突和矛盾问题。
1）学生信息表
主键：学生ID，外键：无;字段信息：学生ID，学生姓名，班级，入学时间，班主任，手机号码。
2）试验记录表
主键：课程编号;外键：学生ID;字段信息：课程编号;实验编号;授课班级;学生数目;负责教师;所属学院。
3）订购等级表
主键：订购器材;外键：无;字段信息：订购器材编号;数目;金额;负责人;供应商;备注。
4）项目管理
主键：项目ID;外键：无;字段信息：项目ID;项目名称;项目等级;项目负责人;项目涉及器材;项目涉及学生;主要技术。
3.2 各功能模块的设计
1）系统管理模块设计
系统管理模块主要包含以下几个功能：系统角色选择、系统用户管理、系统参数查看、系统工作流程管理、系统的编号管理等。该系统主要包括三种角色，实验室系统管理员、任职教师和学生。系统管理员能够通过网络对所有的用户的相关信息进行在线管理，以及通过系统参数来设置日志存储空间和系统备份时间。系统工作流包括：实验室申请流程、单据提交流程等业务。系统自动编号为每次提交的单据设置分类编号，方便后续的整理和统计。
2）基础管理模块设计
功能：基础管理模块要管理整个系统的基础信息，如教师基本信息的增、删、改、查、学生信息的增、删、改、查;系统能够根据当学期的课程情况自动的安排实验室使用情况，并且自动从学校教务系统读取学生教师的信息，导入到数据库中，而不需要人工的操作。
实现：需要定义学生信息的字段包括：学号、姓名、性别、院校、卡号、院系、专业、入学时间。基础管理需要定义教师信息的字段包括：教师编号、姓名、性别、院系、卡号。通过向教务系统服务器端发送请求，服务器收到请求后将教师与学生信息返回，系统模块自动通过SQL语句将信息写入到数据库中;智慧实验室能够通过摄像头等人体采集信息自动去统计实验室人员流动情况，能够完成人员签到，甚至报警功能。
解决问题：通过该模块的设计实现，能够自动化实现学生与老师信息的输入与管理，从而体现出智慧实验室系统的智慧管理。
3）实验室管理模块设计
功能：实现实验室、实验室设备、工位、负责人信息的管理，按学期、院系与实验室管理数据进行管理，实现电源控制、门禁管理。系统能够自动的检测时间节点，当发现某个时间信息没有任务时，系统就会自动的断电等，确保实验室使用安全;当某个时间段有安排，系统也会提前的开灯等准备实验器材，确保工作有序进行;智慧实验室能够自动的统计实验室的教学实验器材——利用每一项器材的唯一识别码，当器材远离出实验室范围时，就会发出警告，因此不需要人工的去盘点而通过终端就可以管理;智慧实验室能够将每一个实验室设备加入数据库中，根据硬件识别检测技术对实验室器材进行跟踪。
实现：需要定义的字段包括：学期代码、学期名称、实验室代码、实验室名称、工位代码、工位名称、湿度、温度、电源状态、负责人、管理卡卡号。
解决问题：智慧实验室管理系统的智慧体现在，系统能够自动对实验室的状态进行管理与控制，而不需要人工去参与到这个过程中来，因此能够有效地提高工作效率。
4）設备管理模块设计
功能：智慧实验室系统用射频技术，对每一个设备身份信息的识别码进行检测，当发现设备超过实验室的某个安全距离之后，就会自动的发出警报声，确保实验室设备不会丢失;同时，系统定期进行设备的统计与检查，每一项信息都会写入到数据库中，确保有理有据。
设备管理模块包括：挂失单号、挂失人、设备代号、设备名称、日期、地点。
解决问题：智慧实验室管理系统，能够对每一个实验室的关键设备进行跟踪与检测，一旦发现某样东西丢失就会记录并发出警报，解决了传统人工统计归纳的问题。
5）考勤与考评管理模块设计
功能：考勤与考评管理部分，主要完成对学生的成绩信息进行统计分析，包括对平时成绩的计算，对实验报告成绩打分，对期末测试记录，考勤也计入平时分。系统利用摄像头，红外等人形识别技术，对出入实验室的每一个人进行检测，并且与后台服务器进行对比，这样就能够有效的保证学生考勤记录;同时，系统支持学生自主提交实验过程与实验结果，并且给出相应的打分，然后将分数记录到成绩单中去，完成学生成绩的考评。智慧实验室能够自动的管理统计学生成绩，不需要老师参与。当完成某项实验之后，学生向系统提交实验过程与结果，系统自动的根据实验的规范进行打分并作整体的统计，大大减轻教师的工作压力。
解决问题：智慧实验室管理系统，对于学生的成绩以及出勤等情况都能够自动的管理并且统计，有效地解决了人工参与过程中容易出现的纰漏，并且对于管理也是一种便捷。
4 总结与展望
本次毕业设计，针对目前高校发展过程中传统实验室管理模式的缺陷，利用计算机与网络技术，设计开发了这样一整套涉及管理员、教师、学生三个角色的智慧实验室管理系统，实现了整个实验室管理过程中的全自动化，减少了很多管理过程中所需要的人力物力，提高了实验室管理部门的工作效率。本文的创新体现在设计的系统提高了系统数据的通用性，模块与模块之间的耦合程度低，使得系统的兼容性良好。在设计的过程中，考虑到实际的应用，对耗材管理、出入库设备管理等也做进行了考虑。
然而，系统还是存在着一些不足和问题，系统的架构技术基于已有的经验借鉴，谈不上最新和最先进，需要更好的完善该系统，对于动态变化的实验主体的应用需求，实验室在某些方面还存在一些滞后性，需要进一步的优化和完善。同时，在提高实验室管理工作效率方面，还需要时间来验证。
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