基于設計模式的實驗室管理系統設計與實現
2017-09-18 08:42:18徐妍崔良中黃佳維
無線互聯科技 2017年17期
徐妍++崔良中++黃佳維
摘 要：針對目前很多高校對實驗室管理效率低下、實驗室利用率低等問題，文章構建了一套管理信息系統，解決了實驗課件管理、預約管理、資源共享等問題。系統在設計中，充分利用GoF設計模式，有效增強了系統的可維護性和可擴展性。系統的設計與開發，有效提升了高校對實驗室的管理能力。
關鍵詞：實驗室管理；系統設計；GoF設計模式
提高學生的動手能力，是學校的主要工作任務之一，高校實驗室是提高學生動手能力的重要途徑[1]。學校實驗室的構建目的，一是為學生創造良好的實驗環境和條件；二是確保實驗教學任務的順利完成；三是為科研工作提供實驗環境。目前高校實驗室存在的主要問題包括以下幾個方面：（1）缺乏制度化管理，實驗設備與實驗教學內容脫節；（2）實驗室基本資源管理混亂，實驗器材和原料得不到及時補充；（3）實驗室資源沒有得到充分利用，學生無法利用課余時間上機，各高校之間的實驗室也無法共享資源。
本系統根據目前高校實驗室存在的問題，構建了一套實驗室管理系統。該系統能夠為高校學生提供實驗室預約、實驗課程教學等功能；能夠為高校教師提供實驗課程管理、實驗信息獲取、實驗課件提交等功能；能夠為實驗室管理人員提供實驗器材及原料補充管理、實驗室資源共享管理等功能。本系統最大的特點，是充分考慮到了實驗室管理業務流程的擴展，在系統各主要功能的設計中，引入了擬合優度（Goodness of Fit，GoF）設計模式，系統的可擴展性和可維護性得到了大幅提高。
系統投入使用后，解決了實驗室管理過程中的效率低下的問題，教師和學生可以基于系統實現對實驗教學內容的交流；實驗室管理人員能夠及時根據實驗課程安排，調整實驗器具和原料；各高校之間的實驗室資源共享，有效地提高了高校實驗室的利用率。
1 關鍵技術研究
本系統的設計與開發，主要是在面向對象編程原則的指導下，利用GoF設計模式，完成系統的各個功能模塊。
1.1 面向對象編程技術
面向對象編程技術，是針對傳統的面向過程編程技術而言，是目前主流的高級編程語言所采用的編程技術。面向對象編程技術，主要包括5個原則[2]：（1）單一職責原則，類中僅包含必要的屬性和方法，且類中的方法要求相互關聯，避免因類過于龐大而導致的破壞封閉性；（2）開閉原則，簡而言之，就是對擴展開發，對修改封閉，在不改變類結構的前提下，應能夠方便地擴展類的功能，而在不改變類接口的情況下，能夠對類內部的功能進行修改；（3）Liskov替換原則，該原則要求在面向對象設計時，某個類的子類可以完全替換其基類，這一原則是面向對象設計中多態、繼承等應用的基礎[3]；（4）依賴倒置原則，一般的分層架構系統，上層構件的實現依賴于下層的構件，導致系統模塊之間的耦合性增加，而依賴倒置原則要求各層的實現都依賴于接口，只要接口不變，可以對構件功能進行完善和調整；（5）接口隔離原則，系統接口的設計要求簡潔明了，同一接口中的各個方法之間要求相互關聯[4]。
1.2 設計模式技術
設計模式是軟件工程中的重要組成部分，是對軟件功能模塊設計的經驗總結[5]。軟件開發人員在長期的編程工作中發現，利用面向對象的程序開發語言，可以構建一些固定模式的類組織架構，使所開發的功能具有更好的可擴展性和可維護性，這些模式就被稱為設計模式[6]。
設計模式的出現是為了解決在面向對象編程過程中存在的問題，很多功能邏輯的設計實際上是重復的，如果用一個相對固定的，被證明具有良好的可擴展性和可維護性的模式進行固定，則可以有效地提高程序的開發效率，并提高系統的質量[7]。每一個設計模式都相對詳細地描述了一個在程序設計與開發過程中存在的問題，并提出了解決的方案。一個完整的設計模式有4個基本要素[8]，分別是模式的名稱，用于標識和區別不同的模式；問題描述，用于說明當前模式所能夠處理的問題，以及適用的情況；解決方案，描述了設計的組成成分，具體地說就是各個類的設計，以及類之間關系的設計；效果，用于描述使用了該設計模式以后所能夠達到的效果。
2 系統總體功能設計
高校實驗室管理系統的主要設計目標，是提高實驗室的使用和管理效率，能夠為教師和學生提供實驗課程預習、交流等平臺，為管理員提供耗材、設備管理功能等。針對不同的參與者，系統設計了相關的功能模塊，系統的功能架構如圖1所示。
系統從功能的角度可以分為4個模塊：（1）教學管理模塊主要用于處理與實驗課教學相關的業務內容，教師通過該模塊發布教學課件，學生通過該模塊提交實驗報告；（2）實驗室管理模塊主要用于實驗室使用申請，以及相關信息查詢；（3）設備器具管理模塊主要為管理人員提供了實驗室易耗品以及相關設備器具的管理功能；（4）系統管理功能模塊主要是對數據庫、日志等進行管理。
3 實驗室易耗品管理功能的實現
高校實驗室管理系統包括多個功能模塊和功能指標。為了保證系統的可擴展性和可維護性，在每一個功能的設計實現中，均充分考慮到了設計的靈活性。篇幅所限，本節主要對實驗室易耗品的管理功能進行詳細討論。該功能是對實驗過程中使用到的易耗品，以及各類實驗設備等進行管理。
3.1 易耗品管理功能的設計
實驗室中的易耗品與具體實驗之間存在著直接的關聯關系，某一個實驗會包含多個實驗的易耗品，而同一類的易耗品也可以被應用于多個實驗中，兩者之間是多對多的關系。按照傳統的面向對象的軟件設計方案，對于實驗室易耗品類的設計可以采用兩種方式：一種是從實驗種類設計類，可以分為物理實驗的易耗品、化學實驗的易耗品等；另一種是直接對易耗品設計類，抽象屬于同類的易耗品屬性和方法。上述兩類設計方式都存在著較大的問題，當在易耗品的管理過程中出現新的實驗類別時，需要增加一個新類，同時增加該類相關聯的各類易耗品；同時，當增加一個易耗品的操作時，需要對所有的類別進行修改，違反了面向對象設計中的開閉原則。endprint
為了解決上述設計上的問題，利用GoF設計模式中的橋接模式進行類的設計。橋接設計模式的類圖如圖2所示。
橋接設計模式的主要目的是將抽象對象與具體的實現細節進行分離，使兩者之間既存在關系，又可以實現各自的靈活變化。在實驗易耗品管理過程中，各種不同類型的實驗都是抽象的對象，而實驗所用到易耗品則是具體的實現。兩者之間可以不建立聯系，但這樣就無法反映實驗與易耗品之間的關系，給管理工作造成較大的阻礙。按照橋接設計模式的設計要求，本功能的類圖設計如圖3所示。
如圖3所示，設計了抽象的實驗類AbstractLab，該類的屬性中包括實驗的名稱，而List
采用這一設計模式，當需要擴展新的實驗類別時，只需要設計一個新類繼承AbstractLab類，并實現其定義的方法；而新增加一種易耗品類別時，則從Drug類中派生一個新類。
3.2 易耗品管理功能的實現
以上對實驗易耗品管理功能進行了設計，利用橋接模式提高系統功能的靈活性。該功能的實現序列如圖4所示。
AbstractLab類的主要代碼如下：
abstract class AbstractLab
{
protected List
public void ShowLabInfo（）{
foreach（Drug drug in DrugList）
drug.GetAmount（）；
//其他處理操作
}
public void AddDrug（Drug drug）{
DrugList.Add（drug）；
}
Drug類的主要代碼如下：
abstract class Drug
{
public double GetAmount（）{
//從數據庫中獲取易耗品的存量。
}
繼承類的相關代碼在此不再贅述。完成了類的定義后，用戶在客戶端可以方便地完成實驗和易耗品之間的操作。代碼如下：
main（）
{
AbstructLab lab = new ChemistryLab（）；
lab.add（new AlcoholDrug）；
lab.ShowLabInfo（）；
}
通過以上客戶端的操作，可以方便地根據實驗對象，查詢得到該實驗所使用到的易耗品各類，以及各類易耗品目前的存量。
該功能的界面如圖5所示。
4 結語
高校實驗室管理系統的設計與開發，解決了實驗室管理不規范，實驗易耗品和設備補充不及時，資源利用率低等問題，有效地提高了高校對實驗室的管理效率。設計模式在實驗室管理系統中的應用，能夠使系統功能具有更好的靈活性，便于對功能進行擴展或修改。
[參考文獻]
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[6]JAAFAR F，HAMEL S，KHOMH F. Evaluating the impact of design pattern and anti-pattern dependencies on changes and faults[J]. Empirical Software Engineering，2016（3）：31-36.
[7]陳烽，陳蓉，王跟成.設計模式在區域綜合管網中的應用研究[J].計算機技術與發展，2015 （4）：193-196.
[8]崔亮.設計模式在試驗信息系統中的應用研究[J].計算機與數字工程，2015（4）：671-675.
