王战伟，段亚玉

（1.郑州大学 信息工程学院，河南 郑州 450001；2.河南黄河河务局干部学校，河南 郑州 450000）

0 引言

实验教学是高校教学工作的一个重要组成部分，它在培养学生的基本技能和创新能力上有着不可替代的作用。 以前，高等学校实验室的管理大多是人工管理，教学管理部门制订实验教学计划，实验室管理部门安排实验，各个实验室实施完成。 这种管理方式存在着管理不透明、实验教学计划随意更改、实验记录不清晰、不易检查、查询困难等问题。目前，高等学校实验室的管理已从人工管理向开放管理过渡。 开放实验室就是让广大师生随时动态了解实验室的情况，如有哪些实验室，各实验室的位置、可以开设的实验、现有设备、设备现状及使用情况，实验指导教师情况，实验预约时间等等。 这样，学生可以结合自己的情况预约实验时间，可以远程登录设备进行实验。 比如计算机网络实验，也可以开放路由器和交换机，学生通过用户名和密码远程登录，实现实验时间开放。 在实验内容方面，实验室可准备更多实验项目，在原有必做实验的基础上，开设大量选作实验，满足不同层次学生的实验要求。 对于设计性实验，由学生自己设计实验方案，比如电路设计实验，学生可以先设计不同电路，同一个实验可以由学生在实验室独立采用多个实验方案完成，以实现实验过程开放。

开放型实验室成败的关键在于管理，一个好的管理体系可以达到事半功倍的效果，反之，实验室将无法正常运行。 笔者试结合工作实践，分析高校实验室管理的方法，探索一种高校开放实验室管理系统。

1 实验室管理系统软、硬件设计

1.1 系统硬件设计

开放实验室硬件系统由中心机房和各个实验室，以及远程登录的客户端构成。 系统以中心机房的服务器为主服务器。 监控和管理的区域安装指纹门禁系统和视频监控系统。 系统硬件结构如图1 所示。

图1 实验室管理系统硬件结构图Fig.1 Laboratory mangement system hardware structure

在该系统中，学生可通过连接校园网的任意一台计算机访问实验室管理信息系统网站，查询实验项目、预约实验时间、查看实验状态、提交实验报告、进行留言等操作。 实验室管理员通过实验室信息管理系统审批学生的实验预约，对允许进入实验室的学生的指纹进行管理，调看实验室历史记录。指导教师通过实验室信息管理系统进行实验项目计划的发布，查看、回复学生留言，审阅学生实验报告，实时调看实验室视频图像等。 系统管理员可以通过中心机房的系统管理员客户端对系统进行设置和维护，设置用户权限、指纹信息的管理。

1.2 系统软件设计

开放实验管理系统分为以下6 个模块：系统初始化、实验设备管理、实验教师管理、实验项目管理、实验学生管理、在线答疑、实验交流论坛。 系统功能结构如图1 所示。

图2 实验室管理系统功能结构图Fig.2 Laboratory mangement system function structure

1.2.1 系统初始化

系统初始化包括信息设定、用户密码管理、教师个人信息录入、学生信息录入、系统维护等。 系统初始化主要由系统管理员负责，管理员登录系统后，可以修改自己的密码，以确保自己权限的安全性。

1.2.2 实验设备管理

实验设备是实验室的主要组成部分。 实验设备管理是针对实验室的所有设备及相关软、硬件的管理，主要是实现设备的分配、领用、转调、借用管理，设备维修、维护管理以及报废、销账管理，实验设备的添加、删除、修改、查询、统计等功能。 通过此模块，可方便地查询每一种设备的名称、性能参数、生产厂家、现阶段的使用情况、产品说明书等详细信息。

1.2.3 实验教师管理

实验教师管理包括用户密码修改、发布实验信息、教师上课登记、实验教师查询、实验教师情况汇总、修改信息、评阅实验、学生考勤管理、学生实验成绩管理、回答学生提问、搜索和统计等。 其中，“发布实验”可以添加一个新的实验，并把该实验发布到某个专业、年级班级里。 “修改信息”可以增加、删除和修改年级专业班级信息或学生信息。 “评阅实验”可以评阅该教师发布的实验。 “搜索并统计”可以按多种条件进行搜索统计，如搜索学生、搜索实验等，统计完成某个实验的人数、未完成人数等。

1.2.4 实验项目管理

实验项目管理包括实验名称、实验目的、实验内容、实验步骤和实验注意事项，实验项目的录入、查询和报表，即可以完成实验项目的增加、修改、删除、查询统计操作，如可对所有实验室的实验项目按实验模块、实验课程、实验项目类型进行查询统计，而且可对所有查询统计的结果进行打印输出。

1.2.5 实验学生管理

学生管理包括用户密码修改、实验查询、实验预约、在线实验、提交实验报告、实验情况查询、实验成绩查询等。

（1）实验查询可以查询实验安排、实验时间、实验要求等信息。

（2）实验预约分为课内实验（必做）和课外实验（选做）两种形式。 对于课内实验，学生只需要预约时间。 而对于课外实验，学生既可以根据自己的兴趣选择不同的实验项目，也可以自己设计实验内容，实现实验时间、实验内容、实验场地以及实验设备的预约。 实验预约后，在规定时间内，学生可以在网上再修改一次。 这样，既给学生充分的选课时间和机会，又减少了教师协助修改课表的麻烦。 当然，在实验名单确定前，学生也可以随时与教师沟通，进行时间调整。

（3）每次实验结束后，学生都可以在网上查到自己的实验成绩，了解自己的得分失分情况，以便在后面的实验过程中更好地提高自身水平。

1.2.6 在线答疑、实验交流论坛

在线答疑、实验交流论坛就是BBS。 它为学生提供了一个开放的学习环境，如为学生提供实验课程的在线指导和网上答疑、在线提交实验报告、在线批改实验报告、实验成绩查询等。 学生和老师可以在这里畅所欲言，共同解决问题、互相交流实验心得。

2 系统实现

高校开放实验室管理系统采用B／S（Browser/Server，浏览器／服务器）架构设计，即由浏览器、Web服务器、数据库服务器组成多层次结构。 用户使用浏览器，经由Web 服务器对数据库进行访问。 本系统采用三层结构，大部分系统处理功能运行在Web服务器端，完成与数据库服务器的通信，客户端接受用户的请求，传送信息至Web 服务器端，并负责显示从Web 服务器端返回的结果。

2.1 开发平台的选择

本系统采用常用的B/S 结构，服务器安装Windows2003 server 操作系统，选择Microsoft 的IIS 作为系统的Web 服务器，数据库采用Microsoft SQL server 2005，开发工具采用Microsoft Visual Studio 2010。

B/S 模式又称B/S 结构，它是随着Internet 技术的兴起，对C/S 模式应用的扩展。 在这种结构下，用户工作界面是通过IE 浏览器来实现的。 B/S 模式最大的好处是运行维护比较简便，能实现不同的人员从不同的地点以不同的接入方式访问和操作共同的数据。

Web 服务器平台很多，本系统选择Microsoft 的IIS 作为系统的Web 服务器。IIS（Internet Information Server，Internet 信息服务） 与Windows 2003 Server完全集成在一起，能够利用Windows 2003 Server和NTFS 内置的安全特性，建立强大、灵活而安全的Internet 和Intranet 站点。

2.2 实验室管理系统数据库的设计

数据库是信息系统的核心和基础，它把信息系统中大量的数据按一定的模型组织起来，提供存储、维护、检索数据的功能，使信息系统可以方便、及时、准确地获得所需的信息。 数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的应用需求。 它是建立一个应用程序很重要的一步，决定着整个系统开发的优劣。

数据库管理系统（DBMS）大多数是建立在关系模型上的，因此又称为关系型数据库管理系统。 关系型数据库实际上是一些相关的表和其他数据库对象的集合。 在设计过程中，一个实体或实体间的联系就是一个表，每个表又包含行（记录）和列（字段），表与表之间是相互关联的，通过主键和外键建立关系。 一个关系数据库中不仅有多个表，还有其他对象，如视图、索引、存储过程等。

设计该系统数据库时，实验设备、实验教师、实验项目和实验学生等关系确定后，就可以确立系统的数据库结构。 系统采用Microsoft SQL server 2005 作为后台数据库，数据库名为labs，数据库中各数据表的设计如下。

（1）实验设备表（device）。包括院系、经费科目、设备编号、出厂编号、分类号、设备名称、型号、规格、生产厂家、国别、单价、现状、出厂日期、使用方向、来源、购置日期、附件数量、附件金额、注销日期、领用日期、领用人、实验地点、所属实验室、简要说明等。

（2）系统管理员（admin）。 包括管理员编号、用户名、密码、权限、备注等。

（3）教师基本信息表（teacher）。 包括教师编号、教师姓名、性别、职务、职称、用户名、密码、权限、开设课程、备注等。

（4）学生基本情况（student）。 包括校园卡号、学号、姓名、性别、年级、专业、班级、用户名、密码、权限、所选实验、实验教师、备注等。

（5）实验室信息表（lab）。包括实验室编号、实验室名称、实验室简介、开设课程、实验室负责人、实验室容量、是否开放、备注等。

（6）实验项目（lab items）。 包括实验编号、实验名称、实验内容、实验要求、实验课时、课程名称、实验地点、备注等。

各表之间的关系图如图3 所示。

图3 实验室数据库各表间的联系Fig.3 Relations of laboratory database tables

2.3 系统主要功能模块简介

（1）门禁系统。 由于学生可以选择非工作时间进行实验，所以本系统采用指纹门禁，同时配合视频监控系统对学生出入进行管理。 由于人的指纹具有唯一性、不变性以及贴身性的特点，指纹识别技术要比其他生物识别技术更安全和方便。 在实时模式下，视频监控可以在线实时监控实验室，方便实验室管理员或指导教师了解实验室及学生的实验情况。

本系统在实验中心大门上安装刷卡系统，非正常工作时间，学生和教师通过按指纹进入实验中心，各出入口安装有监控设备，以保证实验室安全。 在正常工作时间，各实验室有人值班，不使用门禁系统。

（2）刷卡系统。 本系统考勤采用刷卡系统，即采用网状结构的无线传感器网络，主节点放在服务器端，每个实验室安装一个节点，在距离远的实验室中间增加相应节点，组成整个实验室网络。 具体如图4 所示。

图4 无线传感网络刷卡系统图Fig.4 Swiping card system based on wireless sensor network structure

教师和学生使用校园卡刷卡完成考勤，节约了时间和成本。 教师通过系统可以查询考勤，汇总学生实验考勤情况。

（3）远程预约。 远程预约就是学生不必在实验室预约实验，而是可以在其他地方利用网络预约实验。 对于必做实验，学生按照规定时间去做，而对于选做实验，学生可以根据自己的兴趣选择不同的实验项目，也可以自己设计实验内容，实现实验时间、实验内容、实验场地以及实验设备的远程预约。

（4）实验论坛。 实验论坛模块为师生之间、学生之间搭建了一个有效的互动平台。 在这里，老师可以进行网上答疑，同学之间可以针对某一实验技术或软件应用进行网上交流，有效提升了学生实验知识水平。

（5）用户权限管理。 系统通过对用户设置不同的权限，实现对系统的安全访问控制。 系统提供4 个用户级别，即：系统管理员、实验课程管理员、实验教师、学生。 系统管理员可以为每门实验课程设置一位实验课程管理员，课程管理员只能管理此门课程相关的数据信息，可以为该实验课程发布的实验时段安排实验教师，对于其他课程则只能查看、不能修改。 实验教师只能对为其安排的实验时段中学生成绩进行登记和统计，其他信息只能查看。 而学生用户则只能进行相关的学生操作。

3 结语

高校开放实验室管理是对传统实验室管理的改革，是培养大学生实践能力、自主学习能力、创新能力的重要手段，是培养创新人才的有效途径，也是改进高校实验室管理的一种尝试。 开放式实验教学管理系统结合指纹门禁系统、视频监控系统和刷卡系统，利用网络技术和物联网技术，大大提高了有限资源的利用效率，把实验教师从复杂而繁重的工作中解放出来，增强了学生的自主性、创造性，也减少了学生实验过程中管理的难度。

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