开放式实验室网络管理系统设计

2010-04-17朱承

科技传播 2010年6期

朱承

重庆电子工程职业学院，重庆 401331

高等学校的教学目的是通过各种教学形式来实现人才的培养，除了课堂教学的基本理论知识外，实验教学是学生获得知识、提高自身技能水平的重要途径。而我国高校实验室的建设模式是按照满足课程实验要求来建立的，其管理模式更是以分散型的传统人工管理模式为主。但随着我国高等职业教育的迅猛发展，各高校在校生人数迅速增加，这种模式呈现出很多不足和弊端，多表现在实验室规模小，功能单一，有效利用率低。实验室和实验设备数量不足，远不能满足教学要求，严重影响实验教学的正常开展，进而影响学生实验技能，综合能力和创新能力培养。如何解决实验室和实验设备的不足问题，是目前各高校首先面临的现实问题，而开放式实验室网络管理系统的开发和建设则不失为解决这一问题的有效途径。

开放式实验室网络管理系统是合理有效利用实验资源，实现实验室高效管理、实验教学信息化、规范化、自动化的多功能管理平台。该管理系统与传统实验室管理系统比较具有以下特点：1）开放式实验室网络管理实行网上预约、电子签到、身份识别、成绩自动评定、数据库信息管理等，将实验室管理规范化、计划化，并能随时根据要求产生实验数据汇总和统计，有利于实验室长远发展规划；2）采用开放式实验室管理通过远程监控管理，实验室人员可以远程实时监控实验室设备使用情况和实验者的操作情况进行设备控制管理；3）在开放式实验室网络管理下，学生的实验学习是以学生为中心的自我学习。学生通过完成提交发布在网上的实验预习报告获得能进行某种级别实验的权限，通过网上实验预约，并在规定的预约时间内去实验室独立完成相关实验。有利于培养学生的创新思维和实践能力，同时提高了实验室和实验设备的使用率。

1 总体结构

开放式实验室网络管理系统采用B/S模式的多层架构，主要分为：实际操作实验的若干工作台，中间转发和执行网络任务的大型服务器、交换机，以及用户端。用户端与服务器通过Internet连接，服务器与各工作台可由局域网进行连接。

工作台由实验台、数据采集电路板和连接实验台的PC机组成。它主要完成实验数据的采集和传输，与服务器和交换机进行通信连接，接收指令和传输数据，并根据实验数据完成实验报告的自动生成和实验成绩的评定。服务器和交换机负责与工作台的指令和实验数据传输（包括图像、声音、应用程序以及视频），并将所有信息和数据存储到数据库中，完成实验者身份识别、实验设备的开启关闭以及实验数据、实验信息和实验过程的监控和管理。用户端可通过Internet网下载实验学习课件，提交实验预习报告，进行网上实验预约，查询个人预约情况。并根据获得权限查询实验项目、实验成绩等相关信息，进行远程管理操作。

2 实验中心管理系统

实验中心管理系统基于Internet网络运行，管理人员可以不受地域的限制，对实验室进行远程管理。该系统包括信息管理模块、实验计划管理模块、实验预约管理模块、身份识别和实验签到管理模块、实验室视频监控和管理模块。教学管理人员可以通过系统实现对各开放实验室的实验教学组织和教学运行及实验设备使用情况进行远程监控和管理。

2.1 信息管理

信息管理主要负责权限分配、全校学生信息、教师信息、实验室信息、实验课程信息、院系信息、专业信息、系统工作人员信息等数据维护，以及对系统运行参数的设置和调整等。实现对学生档案、教师档案、实验报告、实验成绩、设备档案、供应商档案等信息查询和维护。

2.2 实验计划管理

实验计划管理包括教学计划，课程安排管理。教师可通过自己的身份登录到实验中心网络，进行各自教学计划的编制及其它的相关职务的管理工作，完成实验课程安排和实验内容设置。

2.3 实验预约管理

网上预约管理主体的设计思路是实验室管理人员对实验教学进行宏观调控，合理安排实验时间、实验场地、实验设备及辅导教师。学生根据自己的实际情况，输入学号和个人密码登录系统，进行实验预约、查询个人预约情况以及下载课件等操作。在实验室开放时间内自行选择实验时间和实验项目，实验管理人员能够根据实验预约情况，安排必要的实验准备工作。实验预约包括自动预约、指定预约和预约查询。

2.4 身份识别和实验签到管理

身份识别系统是电子电路实验网络管理系统的一个重要的组成部分，它实现了真正意义上的开放性管理。身份识别系统安装在实验室进出口处，系统包含服务器、门禁器、刷卡机、电源控制器、摄像机及管理软件等。学生做实验首先要刷卡进行身份验证，若为合法用户，系统会自动分配实验台并为用户启动实验设备，记录、时间等相应信息。一旦实现签到后，立即将学生信息数据传送到学生机，并同时实施对学生机与工作台的管理和控制。

2.5 实验室视频监控和管理

实验室视频监控系统采用高性能的数字采集压缩技术和计算机技术，取代了传统的“模拟”方式的监控系统所需的大量监视器、录像机、图像分割器、解码器、视频切换器及矩阵系统等设备。数字监控系统采用先进的数字处理技术，使得图像质量更高，更易于保存，特别是通过各种网络还可以将图像进行远程传输。系统具有自动开机、自动关机、自动复位、自动布防、监控时间表、录像时间表、分通道布防时间表等功能，真正作到无人职守。

3 学生实验管理系统

学生实验管理系统基于Windows98/2000/XP平台，后台采用Microsoft Sql Server 2005数据库。系统包含的功能有：实验数据采集、实验设备动态管理和监控、实验报告自动生成、实验成绩自动评分、网络出现故障/异常时自动脱网运行等。

3.1 实验数据采集系统

图1 数据采集电路板功能框图

网络型开放式实验室在实验本身所需的硬件设备搭建完成后，还需要一个数据采集电路板，该电路板的位置在每一台学生机前端，其作用是将实验台上所有的实验数据采集变换后汇总到相应的计算机中，使得硬件设备能够与计算机相连，并通过学生机连接到教师机、服务器上。数据采集电路板功能框图如图1所示。

实验数据采集电路板的工作过程是：1）实验台输出各种信息对应的电压模拟量；2）单片机对A/D转换器控制，进行模拟量的数字转换，同时读取相应的数字信息；3）在单片机的控制下，把采集到的数字信息按照信息类型的不同分别存储到不同偏移量的存储单元内，以便用户随时查询；4）单片机串口输出经RS232电平转换后，与计算机的串口相连，进行数据交付。

3.2 实验设备管理和监控

系统可通过实验监视实时数据、实验故障及报警、实验时间设定，实现实验的在线实时监控。当学生作实验时，教师和实验管理人员可监控每一个实验台的实时动态数据以及与学生实验相关的信息和操作信息等。

教师可通过系统实现设备分配、设备监控、设备控制。根据实时实验状态判断各实验台是否正常，一旦有非法情况，教师可通告到指定的实验台学生，在学生机的显示器上显示，对于严重的故障也可通过“设备管理”功能切断实验台的电源系统，禁止学生继续实验。在实验过程中，若出现设备损坏，教师机可立即通过查询及时通知实验学生变换到重新分配的机位上，相应的实验数据也应通过教师机重新发送到新分配的机位上去，以保证学生实验顺利完成。

3.3 实验报告管理及考评

实验报告是整个实验过程中比较复杂的环节。在传统的实验过程中经常发生学生在编写实验报告有抄袭的现象，老师无法真实考核。学生做实验记录实验数据也比较繁琐，实验报告存档管理的工作量大，查找一份实验报告需要花费很大的精力，并且更大工作量是教师对实验报告评阅。学生实验管理系统最大特色是实验报告能够与学生的实验数据紧密结合，实验中所有直接测量数据具有自动填入实验报告功能，解决了实验报告的考核问题，避免了实验报告互相抄袭的现象。系统通过对实验仪表实时采集的数据与正确实验数据的对比，能够实现自动在线实时判分，包括对示波器波形也能够自动采集到实验报告中实现自动判分，并将分数反馈给学生，同时将考生的成绩记录到数据库中。整个判分过程都不需要教师的干预完全实现自动的判分，最大程度上减轻了教师的工作量，并且系统把每次学生完成的实验报告保存在数据库中，通过WEB方式可以非常方便的查询。