面向成人高校的實驗室預約系統構建

余久久， 鄭 昊， 張繼山， 陳 蘊， 吳 寧， 梅瑩瑩

（1.安徽三聯學院計算機工程學院，合肥 230601；2.合肥市傳秀科技有限公司，合肥 230088）

0 引 言

高校實驗室是開展實驗教學活動、科學研究的重要基地，隨著高校實驗室工作與職能的不斷拓展，對實驗室管理工作的要求也不斷提升［1］。實驗教學是高等教育的一種最有效形式，是全面培養學生的動手能力、實踐與理論相結合能力、以及創新能力的重要教學環節［2-3］。一方面可有效激發學生課外學習主動性與積極性，提升工程實踐能力與創新意識；另一方面也促進了相關實驗教學設備的共享率及使用率。在當前人工智能時代背景下，國內高校關于實驗室信息化、智能化建設及管理系統的開發得到了廣泛關注。在近3 年已有研究中，文獻［4］中設計出一個基于B/S 架構的物聯網實驗室管理平臺；文獻［5］中提出設計基于ZigBee的實驗室智能化管理綜合系統；文獻［6］中提出設計一套“硬件易實施、軟件智能化、監控可視化、管理過程化”的開放實驗室智能管理平臺；文獻［7］中提出高校實驗室“自助共享”式的智慧管理模式，并開發相應的實驗室管理系統；文獻［8］中提出構建基于軟硬件結合的信息化、智能化實驗室設備管理系統；文獻［9］中設計了一個基于OneNET平臺的實驗室遠程監管系統。此外文獻［10-12］中從職業健康意識出發，著眼智慧校園建設角度提出了智慧實驗室的建設方案，設計與實現基于數據驅動的實驗室智能管理平臺以及多部門聯動構建高校實驗室EHS（環境、安全與健康）管理體系等。但是，上述文獻所提出的有關實驗室智能化綜合管理系統或平臺，其組成結構大都過于復雜，或僅適用于國內發展較好的普通高校［3］。

盡管高等成人教育也是我國高等學歷教育的重要組成部分。但是有別于普通高校，國內很多成人高校尤其是一些偏遠地區的成人高校往往沒有自己獨立的學習校園提供給學生（員）脫產學習，其大都依托本地職工大學、業余大學、干部管理學院、廣播電視大學等函授點以及相關社會培訓機構，實驗室智能化建設基礎薄弱，實驗教學資源匱乏，管理信息化程度較差，人工管理依賴程度高。①一些地方性成人高校由于長期不受當地高等教育主管部門的重視，師資力量不足，更缺乏足夠的資金支持。建設全方位的智能化、物聯化、虛擬化、交互化的開放式智慧實驗室及遠程監控管理平臺存在諸多困難，目前仍采用傳統的人工手段管理實驗室［13］。②與普通高校學生全日制學習形式有所不同，成教學生大都分散在校外居住，日常時間上班工作，僅是利用個人業余時間開展學習或自身學歷進修活動，缺乏固定的校園學習及生活場所，統一集中管理困難。針對一些動手操作或技能實踐方面的實驗類課程，學生仍需事先向所學習的高校申請實驗場所開展有關實驗活動，或到實驗室現場了解情況，申請辦理書面預約手續并等待人工批復，校內外往返很不方便，且效率低下。

基于此，為面向成人高校設計一個使用便捷的實驗室預約系統。該系統基于輕量級Spring Boot 框架設計，采用ZigBee 技術，系統客戶端能夠在電腦、Andriod手機、智能平板等主流移動終端設備上操作，操作方便，實用性強，能夠滿足資金不太雄厚、實驗室智慧化管理程度較差的地方成人高校實現實驗室預約管理活動的初步需求。這對于進一步推動國內偏遠地區的一些成人高校實驗室信息化、智能化建設以及我國高等成人教育管理工作具有積極意義。

1 關鍵技術簡介

1.1 Spring Boot

Spring Boot是由Pivotal團隊提供，能夠快速、高效構建一個基于Spring框架以及Spring生態體系的應用解決方案［14］。Spring Boot是一個輕量級設計框架，其RESTful設計風格能夠實現Web信息系統的前后端分離，開發人員只需關注系統業務應用層的實現。Spring Boot框架采用免XML文件配置模式，是一個使得開發人員能夠快速、易用和使用的基礎性框架［15］。

系統選用Spring MVC 實現Web 應用層的開發。它使用IoC 將控制邏輯和業務對象實現了完全的分開［16］。關于本系統的服務器端設計，需要創建Socket數據流并實例化TCP-Client對象?？紤]到系統今后會部署在較大范圍內，為避免因大量客戶端訪問服務器而造成系統響應時間較慢、數據訪問延遲等情況，將采用負載均衡技術予以實現［17］。

1.2 數據庫接口訪問技術

實驗室預約系統使用JDBC數據接口訪問技術，在一個自定義的命名空間里面的類集合中（如自定義一個幫助類：sqlhelper）封裝數據庫中用的一些常用操作，使用GirdView表格形式顯示數據。在實際中，為了便于提高系統的安全性、通用性、以及后期系統的維護，將數據庫的連接字符串寫在Web.Config文件中［18］。

1.3 自動分頁顯示技術

通過Android 手機客戶端對實驗室預約系統進行實際操作時，手機上會以Web頁面分頁的形式展示數據。為了更好反映數據顯示效果，系統采用了GirdView自動分頁技術，以實現多頁面顯示的層次性。為實現帶緩存的數據分頁顯示，可開啟SqlDataSomw數據源的“允許緩存”屬性，以提高Web應用程序擴展性及程序的運行效率，并降低開發成本［18］。

1.4 ZigBee技術

ZigBee技術是一種應用于短距離和低速率下的無線通信技術。適用于構建智能終端實現各設備、各區域的信息采集，保證數據的正確傳輸［19］。系統采用ZigBee技術，通過網絡將采集到的信息上傳到服務器，用戶通過智能手機終端（或其他智能設備終端）登錄系統進行信息查詢及相關操作。

2 系統設計方案與用戶功能需求

2.1 系統網絡架構

圖1所示為本實驗室預約系統的網絡架構圖。采用了ZigBee技術通過無線通信構建了一個前后端分離且結構簡單、易操作、可拓展的實驗室預約系統。系統管理員將實驗室各類信息存入后臺數據庫。教師用戶通過連接服務器就可以按照需求對實驗室設備、項目、環境等進行管理，學生用戶則可以進行實驗相關信息查詢、實驗室預約等操作［19］。

圖1 系統網絡架構圖

用戶通過Android手機等智能終端設備打開實驗室預約系統，在接收到請求后，網絡基站會立即發送相關命令并通過網關到數據庫服務器。數據庫服務器解析收到的指令，通過SQL 指令在數據庫中進行查找后，發送給用戶［20］。本系統的數據庫查找過程見圖2。

圖2 數據庫查找過程圖

2.2 用戶功能需求

系統用戶主要包含管理員、實驗教師和成教學生三類用戶群體，對計算機實驗室的申請使用進行有效管理。學生對計算機實驗室的使用進行申請，用戶信息查詢，賬戶密碼修改和本賬戶對計算機實驗室申請審批結果的反饋。實驗教師對計算機實驗室的使用申請進行審批，預約記錄、統計查詢等。管理員主要對師生用戶進行增添、修改、刪除和查詢的操作。圖3 所示為系統實驗室預約功能的用例圖。

為提高預約成功率，實驗教師需要及時發布空閑的實驗室預約時間段，學生在預約前也需要了解必要的預約信息，并按規定預約流程進行預約。教師應統籌各類實驗資源，包括實驗時間資源，選擇較好的資源分配策略和預約策略，盡可能滿足預約用戶的預約要求，并將預約結果，包括預約失敗的原因，及時通知預約學生，以保證預約的成功率和實驗設備的利用率［21］。系統的實驗室預約功能流程圖如圖4 所示。

圖3 實驗室預約功能用例圖

圖4 實驗室預約功能流程圖

2.3 數據庫設計

系統選用輕量級的SQLLite 作為數據庫管理系統，處理速度高效，其支持Linux、Windows等主流操作系統，支持ODBC數據庫接口，與Java、PHP、C#等編程語言兼容。例如，表1 與表2 所示分別為本實驗室預約系統的申請預約信息表與實驗室信息表。

表1 申請預約信息表

3 用戶UI界面展示及功能實現

實驗室預約系統能夠在Andriod 手機上順暢運行，系統的用戶UI主界面如圖5 所示。登錄頁面將提示選擇登錄者的身份。這里以Andriod手機菜單形式描述客戶端的主要功能界面及操作。用戶在使用前根據自己的身份（如學生、教師等）填寫相應的信息，完成注冊。圖6 所示為實驗室預約系統的學生用戶及教師用戶的注冊界面。

表2 實驗室信息表

圖5 實驗室預約系統用戶UI主界面

圖6 學生用戶及教師用戶的注冊界面

3.1 學生用戶端操作

學生用戶端頁面功能主要實現對計算機實驗室使用的申請預約，如圖7 所示。學生用戶填寫正確的申請者信息，申請實驗室信息等，即可提交申請預約操作。點擊“我的”頁面按鈕，可以修改學生個人信息及以查看本人已預約實驗室信息的情況。

圖7 學生申請預約實驗室界面

3.2 教師用戶端操作

教師登錄該系統，除了可以修改個人信息之外，點擊“我的”頁面按鈕，可以查看學生已申請有關實驗室的審批列表，可以對校外學生預約實驗室的申請進行批復，如圖8 所示。此外，教師還可以發布近期能夠提供學生課外進行實驗活動的空閑實驗室信息等。

圖8 教師批復實驗室預約界面

4 應用成效

實驗室預約系統順利完成了基于Android 手機客戶端版本（V 1.0）的開發，經充分測試后并正式上線投入運行。系統界面簡潔，用戶操作簡單，處理過程高效，運行穩定［22］。目前，該系統已充分運用于本地一所試點成人高校的學生實驗預約管理活動。在1 年多的系統建設與應用期間，有超過90%的校外成教學生在業余時間使用該實驗室預約系統。截至2021 年初，共有1 000 多人次通過Android 手機客戶端對本地試點成人高校進行實驗室預約活動，從而順利完成實驗課程學習環節，應用結果反饋良好。這對于一些資金有限、人工智能及智慧校園化不是很高的地方性成人高校，實驗室預約系統能夠方便校外成教學生在業余時間預約校內實驗室開展實驗相關活動的需求，具有良好的開放實驗室的信息化管理能力，提升了實驗室的利用率。

5 未來的工作

該系統應用成效明顯。但今后為了更好配合本系統的應用，針對成人高校，須在以下兩個方面進行后續研究工作。

5.1 建立桌面虛擬化管理平臺

桌面虛擬化是利用虛擬化技術將桌面進行虛擬化操作，所有的數據計算和信息存儲全部在系統服務器端進行，用戶可以使用各種設備利用網絡去訪問自己的桌面［13］。

實際中，校外學生申請一個實驗室開展某一項課外實驗活動，往往會存在學生人數過少或只用到實驗室中少數實驗設備（如電腦、打印機等）的窘狀，而同一時間段因該實驗室已被預約而其他學生又無法利用該實驗室開展其他的實驗活動。加之很多學生開展實驗活動都是在教師下班時間（如休息日、晚上等），所以需要面向成人高校實驗教師，建立一個開放式實驗室管理系統的桌面虛擬化管理平臺，方便教師登錄自己的電腦或移動終端桌面進行操作，實時監控實驗室管理信息。教師還可以通過桌面虛擬化管理平臺對學生申請實驗室的學生機數進行設置，對學生機自動開關機的時間進行設定，及時處理學生機的使用狀態等，滿足實驗設備資源利用的最大化［13］。

5.2 建立基于智慧校園的管理決策應用系統

基于本地校園環境，建立一套有效的管理決策應用系統，能夠與實驗室預約系統形成無縫對接，共享與分析用戶實驗相關數據，發揮智慧管理及決策功能。在當前智慧校園建設背景下，該管理決策應用系統要能支持與校內辦公系統、師生統一身份認證、校園“一卡通”、教學管理系統、學生管理系統、以及與財務系統對接等。實現業務流程一體化、智慧化、自動化［7］。

在滿足學生課外預約實驗室的同時，還可以進一步服務校內教師在實驗室開展相應教、科研活動的需求，以促進本地成人高校信息化、智慧化實驗室建設的可持續性發展。

6 結 語

本文所設計的面向成人高校的實驗室預約系統，具有架構簡易、操作簡單、界面友好、實用性強、性能可靠等特點，在所試點的本地成人高校中亦得到充分應用。其很大程度上能在業余時間提高空閑實驗室的利用率，為校外學生在業余時間開展實驗活動提供良好的環境，同時也有效提升實驗室管理效率及智能化管理水平，在國內一些偏遠地區成人高校及各類成人教育機構具有推廣和使用的價值。