基于視頻的實驗室管理系統研究與實現

李莉

為了提高實驗室管理的效率，本論文研究并實現了基于視頻的實驗室信息化管理系統，使實驗課的各項任務能夠在信息化的網絡平臺上進行。節省了大量的實驗資源，增加了師生兩方面的工作效率，是新型實驗室管理模式的一個有益探索。

【關鍵詞】實驗室管理系統 信息化 視頻

1 引言

高校實驗室管理是學校實驗室教學、科學研究、技術開發、資產管理的重要保障。目前隨著計算機科學技術的進步以及Internet技術的不斷發展，大大促進了實驗室管理技術的變革。本論文主要研究實現實驗室管理的無紙化、網絡化，并基于視頻以及網絡開發實驗室管理系統的網絡平臺；達到實驗室老師可以僅通過網絡實現實驗室的管理，完成學生實驗的各項檢查驗收工作，以及學生的答疑處理、數據保存等學生實驗中各項必不可少的任務。

2 基于視頻的實驗室管理系統總體設計與功能

以申請的北航教改項目“基于視頻的實驗室網絡化管理系統研究和實踐”作為經費支持，項目組成員在調研了相關高校實驗教學信息化管理現狀的基礎上，通過帶領畢設學生開發基于視頻的實驗室信息化管理軟件，在小范圍內進行實踐，為下一步建設我們電工電子中心的全面的信息化管理系統積累了豐富的經驗。

2.1 總體設計

隨著學生實驗課不斷發展的需求以及網絡技術的發展，本實驗室信息化管理系統將實驗老師和學生間的交流、檢查、數據保存等步驟移至網絡平臺，在網頁上進行學士實驗的各種步驟。使得學生檢查是不需等待實驗老師到實驗臺檢查，老師也可在一臺連入Internet的設備中直接進行實驗室的管理，達到了實驗室管理的無紙化以及網絡化。

網站整體設計為服務器端以及客戶端。服務器端為教師端，實驗老師擁有登錄權限。在服務器端實驗老師可對實驗的各項內容進行管理操作，并可對學生實驗用戶及其信息等進行管理。客戶端為學生端，實驗學生有自己實驗課程的登錄權限。在客戶端實驗學生可進行實驗及數據錄入等工作。整個網站在實驗中可隨時登錄，管理員（實驗老師）可實時進行修改以及與實驗學生的交互工作。

本實驗室信息化管理系統根據大學課程《電氣技術實踐》的模擬電路實驗部分進行設計。根據一般實驗要求，實驗室管理系統應包括以下幾個功能：實驗內容管理、實驗學生管理、學生實驗指導、實驗結果檢查、實驗結果判斷以及實驗數據保存。六個功能基本覆蓋所有實驗室管理所需的步驟。實驗室信息化管理系統的總體結構圖如圖1所示。

2.2 實驗學生管理功能

實驗學生管理功能是實驗老師在服務器端（教師端）對參加實驗的每個學生進行管理。對實驗參加者信息的獲取、修改，以及實驗學生的增加、刪除、查詢、更改。根據實驗室的實際要求，每次實驗大概有30名左右學生進行實驗，每節實驗課有不同的實驗學生，實驗學生每次實驗課內容也不同。考慮到實驗課的流動性，實驗學生的添加采用外部文件批量導入的方法。通過這種方法，實驗老師可以在每堂課前將學生信息“一鍵錄入”。

學生的信息根據實驗要求，包括：姓名、學號、權限類別、座位號、IP地址等項目。實驗學生的各項信息將應用于學生實驗中登錄、實驗過程以及數據提交等各項過程中的身份認證以及功能實現等部分中，是實現實驗系統必不可少的信息。

2.3 學生實驗指導功能

學生實驗指導功能是指，在實驗過程中，學生會對實驗內容、實驗步驟、實驗儀器等產生疑問，傳統的實驗室管理方式面對這種情況，實驗老師會到實驗臺前對學生進行指導、答疑。這種傳統的管理方式會造成實驗老師未看到實驗學生時，學生的問題得不到解決。并且會有學生排隊等候實驗老師指導的現象，造成實驗室的混亂。而且每個學生的問題不盡相同也會增加老師針對每一位學生的指導時間。對于上述這些問題，本系統設計實現實驗學生與實驗老師的實時留言互動以及音視頻的通話交流，實驗老師的學生指導任務移至網絡頁面上進行。實驗學生可通過客戶端（學生端）向老師發起提問，實驗老師可通過本實驗室管理系統服務器端（教師端），對學生的疑問、錯誤進行處理、解決，減少了實驗中學生排隊的現象，避免了實驗室的混亂。

2.4 實驗結果檢查功能

實驗結果檢查功能是指本實驗室管理系統根據實驗具體需求，對實驗結果、數據以及現象等的檢查工作。按照目前傳統的實驗室管理方法，實驗老師要到各學生實驗桌前進行實驗結果的檢查，檢查的內容基本包括實驗儀器設置情況、可視化的實驗現象和實驗記錄數據等。與學生實驗指導相同，傳統管理方式下的實驗結果檢查也會造成實驗中學生排隊等待以及排隊混亂的狀況。同時，由于每個實驗學生實驗的進度根據他們自身的能力等因素有一定程度上的不同，每個學生檢查結果的內容也不同，這也增加了實驗老師檢查的復雜性。而且，實驗結果檢查與實驗指導在實驗課的不同時間段都會出現，實驗老師工作壓力很大。為解決以上問題，本實驗室管理系統根據實際檢查需要，在網頁平臺服務器端（教師端）上設定了多種樣式的檢查方法，包括：數據結果檢查、示波器波形檢查、實驗現象視頻檢查等。涵蓋了實驗所遇到的各項檢查項目。

實驗數據檢查是實驗學生將實驗結果直接記錄在網頁中，無需用數據紙記錄。實驗老師可在服務器端（教師端）實時觀看學生實驗的數據結果，并進行檢查。

示波器波形檢查是根據模擬電路實驗的實驗要求，很多實驗現象需在示波器上進行觀察。針對這要求，本實驗室管理系統將示波器顯示畫面傳輸到網絡，并在網頁上進行顯示，實驗老師可在服務器端（教師端）直接觀察實驗學生的示波器界面。

實驗現象視頻檢查針對可視化的實驗效果的檢查。實驗中一些實驗結果為可視化的實驗現象，如儀器儀表示數、電路板亮燈情況等。這些實驗結果需要實驗老師用眼睛去觀察現象，并進行檢查。在網絡上實現，本實驗室管理系統為老師在每個實驗臺配置一個電子眼——攝像頭，實驗學生的實驗現象通過攝像頭傳輸至實驗服務器端（教師端）。學生需要檢查結果時，向老師提出申請，老師打開對應攝像頭建立視頻流連接，在網頁上觀看實驗現象。

2.5 實驗結果判斷功能

實驗結果判斷是指在實驗結果數據中，一些數據之間有一定的數學運算關系，只有滿足某種運算關系的數據組才是正確的結果。本實驗室管理系統在客戶端（學生端）設計數據的初步判斷要求，如果學生提交錯誤數據系統提示數據錯誤，反饋給學生進行二次實驗。

2.6 實驗數據保存功能

實驗數據保存是指在每次實驗結束后，實驗老師需保留學生實驗原始數據，在學生后續上交實驗報告的時候進行數據比對，防止學生造假、抄襲。傳統方法為學生手抄兩份實驗原始數據，一份留作報告備份，另一份上交老師留底保存。本實驗室管理系統設計無紙化保存實驗原始數據，將實驗數據直接生成word文檔進行保存。學生無需在抄寫實驗數據上浪費時間。

3 基于視頻的實驗室信息化管理系統各功能實現

根據本實驗室管理系統的設計與建設，在實驗平臺完成搭建后，具體各功能用C#對網頁進行開發。

根據本實驗系統實際要求，以及實驗課的具體流程。我們將實驗課上的各個步驟、流程移植網絡平臺，基于WEB開發。各功能覆蓋實驗課基本所有流程，達到實驗課的無紙化、網絡化以及高效地進行。

本實驗系統分為教師管理端與學生實驗端。管理端由實驗老師登錄，對學生實驗進行管理工作；實驗端由學生登錄，進行實驗課的相關內容。

在實驗老師登入管理端后，顯示實驗管理界面，管理端具體包括以下幾個功能，如表1所示。

教師管理界面如圖2所示。

學生登入實驗端后，可以點擊相應的實驗進行相應實驗、檢查，還可以向實驗老師留言以提問、請求查詢等。學生端實驗界面如圖3所示。

4 結論

通過基于視頻的實驗室信息化管理系統，實驗課的各項任務能夠完全在網絡平臺上進行。學生只需瀏覽器加視頻錄制軟件就可進行實驗的檢查、提問、數據保存等；老師只需瀏覽器就可實現各種實驗管理的任務。基本實現了實驗的無紙化、網絡化、視頻化，節省了大量的實驗資源，增加了師生兩方面的工作效率，是新型實驗室管理模式的一個合理實現。為后續實驗平臺的搭建提供了思路。

作者單位

北航自動化學院電工電子中心 北京市 100191