基于B/S架構的實驗室安全準入系統

收稿日期：2023-04-23

基金項目：2022年大連海事大學實驗教學改革一般項目

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.21.041

摘" 要：針對目前高校實驗室安全準入體系不健全、安全準入考核制度不完善、學生實驗實操安全細節難以直觀體現等問題，設計了基于B/S架構的實驗室安全準入系統。該系統將典型實驗內容進行虛擬仿真，將其涉及的安全操作方法和違規操作現象呈現至虛擬仿真實驗過程中，并將其涉及的安全問題整理生成試題庫。在安全知識學習和虛擬仿真實操練習后，學生進行包括安全知識答題和虛擬仿真實操的安全準入測試，測試結果作為學生是否可以進入實驗室進行實操的依據。系統通過“仿真實驗+知識問答”的方式，有效激發了學生的學習熱情，降低了實驗室安全違規操作的發生率，對高校建設實驗室安全準入系統有著重要的參考價值。

關鍵詞：實驗室安全準入；虛擬仿真；B/S架構

中圖分類號：TP391.9；G642.0" 文獻標識碼：A" " 文章編號：2096-4706（2023）21-0183-05

Laboratory Safety Access System Based on B/S Architecture

WANG Di1， ZHAO Xinwei2， WU Xinbo1， XU Changqing1， JING Yun1

（1.College of Marine Electrical Engineering， Dalian Maritime University， Dalian" 116026， China;

2.Navigation Training and Engineering Practice Center， Dalian Maritime University， Dalian" 116026， China）

Abstract： A laboratory safety access system based on B/S architecture is designed to address the problems of inadequate safety admission system， imperfect safety access assessment system in current university laboratories， and the difficulty in intuitively reflecting the safety details of student experiments. This system simulates typical experimental contents and presents the corresponding safety operation methods and violation phenomena in the virtual simulation experiment process， and generates a question bank of safety issues involved. After learning safety knowledge and practicing virtual simulation exercises， students take a safety admission test， which includes safety knowledge quizzes and virtual simulation exercises， and the test results are used as the basis for determining whether students can enter the laboratory for practical experiments. The system using“simulation experiments and knowledge quizzes”， students' learning enthusiasm is effectively stimulated， and the incidences of laboratory safety violations are reduced， which has important reference value for the construction of laboratory safety access systems in universities.

Keywords： laboratory safety access; virtual simulation; B/S architecture

0" 引" 言

安全是教育事業不斷發展、學生成長成才的基本保障[1]。針對近些年來高校實驗室安全事故的頻繁發生，教育部陸續制定并發布實驗室安全工作的相關文件，來加強高校實驗室的安全工作，保障師生的生命安全。當前高校實驗室安全工作取得了積極成效，但安全事故仍時有發生，暴露出實驗室安全管理仍存在薄弱環節。教育部2021年發布的《關于開展加強高校實驗室安全專項行動的通知》[2]和2023年發布的《高等學校實驗室安全規范》[3]，均明確提出要嚴格落實實驗室安全準入，強調將實驗室安全知識、安全技能和操作規范培訓進行考核，考核合格方可進入實驗室進行實驗操作。

當前高校的安全準入制度的建立存在不足，安全培訓與考核體系并不完善[4，5]。部分高校對學生開展實驗室安全準入考試，考試內容多為高校實驗室安全政策法規和一般性安全知識，考核結果作為實驗室準入的依據。但由于學生來自不同的專業，即使同一專業的學生也會進行不同安全性質的實驗課程，因此一次通用型安全準入考試無法保證師生的安全實驗操作。即使設置多專業的多門課程的安全準入考試題目，文字性的題目也很難將實驗操作過程細節上的安全問題全部體現出來。

本文所研究的基于B/S架構的實驗室安全準入系統，以電氣工藝實驗室為例，將典型的電氣工藝實驗進行虛擬化仿真，針對電氣工藝實驗室涉及的安全問題進行整理并生成試題庫。同學們在進入實驗室前需在系統上完成上述內容的考評，合格后方可進入實驗室。學生在實驗之前既能夠熟悉實驗的操作流程，又能夠掌握安全注意事項。該系統能夠保障學生在實驗過程中的安全操作。

1" 實驗室安全準入系統架構

基于B/S架構的實驗室安全準入系統[6]，以WebGL虛擬仿真教學資源為支撐，通過數據接口進行無縫對接，用戶可以隨時隨地通過瀏覽器進行訪問、實操訓練及測評，實現用戶的自主實驗和交互，提升整體實驗教學效果。該系統依托計算機3D仿真技術、網絡技術、采用面向服務的軟件架構開發，是具有良好自主性交互性和可擴展性的虛擬實驗教學平臺。圖1為以“電氣工藝”實驗為例的系統總體架構。

具體介紹如下：

1）數據層。主要存儲系統相關的數據信息，這里分別設置虛擬實驗的資源數據、實驗結果數據、用戶信息以及其他一些支持數據等來實現對相應數據的存放和管理。

2）服務層。是虛擬仿真實驗教學與開放共享平臺的核心框架，是實驗項目正常開放運行的基礎，負責整個基礎系統的運行、維護和管理。支撐平臺包括以下幾個功能子系統：安全管理、數據管理、用戶與監控等。

3）基礎服務層。開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，提供虛擬實驗教學環境的一些通用支持組件以便用戶能夠快速在虛擬實驗環境完成虛擬仿真實驗。通用服務包括：實驗指導、實驗簡介、實驗仿真等。

4）仿真層。主要針對該項目進行相應的虛擬場景構建、虛擬實驗設備、UI負責輸出交互的信息。

5）應用層。負責對軟件提供接口以使程序能使用網絡服務。

2" 系統數據庫設計

本系統采用MySQL數據庫來實現數據的存儲，系統數據庫部署在Tomcat服務器上，實現統一的數據管理。數據庫表的設計主要包括15個：管理員表（admin）、教師表（teacher）、學生表（student）、實驗描述表（experiment_desc）、實驗表（webgl）、試題表（question）、成績表（score）、預習通過成績表（preview_pass）、選項表（choice）、年級表（grade_class）、動態信息表（information）、實驗室Logo表（Logo）、系統信息表（system_info）、教師班級對應表（teacher_grade_class）、團隊表（team）。主要表介紹如下：

1）管理員表。包含acc_name（賬號）、name（姓名）、pwd（密碼）、add_time（添加時間）、id（唯一標識）、delete_flag（刪除標識）6個字段。

2）教師表。包含acc_name（賬號）、name（姓名）、pwd（密碼）、sex（性別）、phone（電話）、college（學院）、school（學校）、remark（備注）、add_time（添加時間）、update_time（更新時間）、id（唯一標識）、delete_flag（刪除標識）12個字段。

3）學生表。包含name（姓名）、pwd（密碼）、sex（性別）、stu no（學號）、major（專業）、grade（年級）、class（班級）、phone（電話）、email（郵箱）、remark（備注）、add_time（添加時間）、update time（更新時間）、id（唯一標識）、delete_flag（刪除標識）、type flag（類型標識）15個字段。

4）實驗描述表。包含intro（實驗中心簡介）、intro en（實驗中心簡介英文）、system（安全管理制度）、system en（安全管理制度英文）、plan（應急預案）、plan en（應急預案英文）、add time（添加時間）、update time（更新時間）、id（唯一標識）、delete_flag（刪除標識）10個字段。

5）實驗表。包含name（名稱）、name_en（英文名稱）、image_url（圖片地址）、test_score（試題分數）、experiment_score（實驗分數）、type（類型：0為學生端，1為教師端）、add_time（添加時間）、update_time（更新時間）、url（webgl實驗地址）、id（唯一標識）、delete_flag（刪除標識）11個字段。

6）試題表。包含title（題目）、image（試題圖片）、video（試題視頻）、single_flag（類型標識：0為單選，1為多選）、webgl_id（實驗ID）、teacher_id（教師ID）、add_time（添加時間）、update_time（更新時間）、id（唯一標識）、delete_flag（刪除標識）10個字段。

7）準入測試通過表。包含content（內容）、content_en（內容英文）、title（標題）、title_en（英文標題）、add_time（添加時間）、update_time（更新時間）、id（唯一標識）、delete_flag（刪除標識）8個字段。

3" 基于B/S架構的實驗室安全準入系統介紹

基于B/S架構的實驗室安全準入系統包括實驗室安全制度模塊、仿真實驗訓練模塊、安全準入評測模塊、學生登錄模塊和后臺管理模塊等。

3.1" 實驗室安全制度模塊

“實驗室安全制度”內容涵蓋了實驗室安全教育學習內容，主要包括“實驗室安全管理制度”“應急預案”，該模塊以介紹性文字和圖片為主，供學生們學習。

3.2" 仿真實驗訓練模塊

“仿真實驗訓練”頁面涵蓋了對應安全準入實驗課程的虛擬仿真實驗訓練內容。本文以電氣工程專業的大型實踐課“電氣工藝”中的“電氣故障查找與處理”實驗內容為例[7，8]。學生可以手動設置一個或者多個故障進行排查訓練，在訓練過程中涉及違反用電安全操作時系統會進行提示。

3.3" 安全準入評測模塊

安全準入評測包括安全知識測試模塊和虛擬仿真實驗預習測試模塊。學生完成虛擬仿真實驗預習測試后，點擊“實驗成績提交”，界面會彈出本次虛擬仿真預習測試過程中是否通過的安全操作項提示。系統會根據操作安全與實驗結果自動計算出虛擬仿真實驗預習成績，再結合安全知識測試成績，給出總成績。

3.4" 后臺管理模塊

后臺管理模塊包括教師系統和管理員系統。

教師系統包括學生管理、試題管理和成績管理等模塊。其中學生管理模塊中，教師可以錄入對應學生信息，用于對進入系統的學生進行認證；試題管理模塊用于設置安全知識理論測試題目，可以對題目進行更改、增加、刪除等操作；在成績管理模塊中，教師可以看到所有參與測試學生的成績。

管理員系統包括系統管理、教師管理、管理員管理和實驗管理等模塊。管理員可以根據需求對其中的相關信息進行增添、修改或者刪除。其中實驗管理模塊包括實驗列表、實驗描述和預習通過分數3個部分。在“實驗列表”中，管理員可以對虛擬仿真實驗內容進行設置；在“實驗描述”中，管理員可以對實驗室安全制度中的內容進行設置；在“預習通過分數”中，管理員可以對實驗安全準入測試通過分數進行設置。

4" 基于B/S架構的實驗室安全準入系統運行管理機制

系統學習流程包括安全教育學習、虛擬仿真實驗練習、安全準入測試和獲得準入認證4個環節。

4.1" 安全教育學習

安全教育學習環節以自學為主，學生在線學習“實驗室安全管理制度”和“實驗室安全應急預案”等內容。

其中“實驗室安全管理制度”包括學校統一發行的實驗室安全手冊、針對本專業的實驗室管理制度、針對本實驗的安全注意事項等，其內容以文字、圖片、動畫、視頻和虛擬仿真操作等形式展現。在如圖2所示的應急預案中的“人體觸電后心肺復蘇急求措施”內容中，設置了“去虛擬仿真實操學習”的鏈接入口，內容為心肺復蘇的虛擬仿真實操系統，學生可以通過實操練習來加深對該部分知識的理解。

4.2" 虛擬仿真實驗練習

以“電氣工藝”中的“電氣故障查找與處理”實驗為例，學生首先根據電氣控制電路圖手動設置任意一個或多個故障后，系統進入電氣故障查找與處理界面，如圖3（a）所示。該界面左側為電氣控制系統實

物，右側涵蓋了故障查找所需要的儀表與工具、故障所需要的元件，同時還可以通過右上側的工具欄打開學習資料供參考，圖中所示為學生在虛擬仿真實驗練習中的萬用表使用違規操作提示界面。學生完成虛擬仿真實驗后，點擊“完成”，系統會顯示故障排查結果。其中圖3（b）所示為故障未正確排除，且對操作不當導致儀表損壞進行了提示。

學生可以在該環節中設置不同的故障反復訓練，來熟練掌握電氣控制電路工作原理、電氣控制元件的工作特性、儀器儀表使用注意事項、電氣故障排查安全注意事項等內容。

4.3" 安全準入測試

當學生完成了安全教育學習與虛擬仿真實驗練習后，可以進行安全準入測試環節。安全知識測試界面如圖4（a）所示，根據提示進行單選或多選，學生在規定的時間內完成測試后，后臺會自動計算出安全知識測試成績。

虛擬仿真實驗預習測試界面如圖4（b）所示，該環節無手動設置故障界面，而是由后臺根據其電路圖隨機設置一個或兩個電氣故障。學生需要在規定的時間內，根據考試說明和故障現象，進行故障分析、排查與元器件更換處理。

當學生完成測試后，系統后臺會根據操作情況自動給出虛擬仿真實驗預習成績。

4.4" 獲得準入認證

學生完成安全準入測試后，系統界面會提示該學生是否獲得實驗準入認證。若測試成績不低于90分，界面會提示“獲得實驗準入認證”，該學生有資格到實驗室進行實操訓練；若測試成績低于90分，界面會提示“未獲得實驗準入認證”，該學生需要重新進行安全準入測試，直至獲得實驗準入認證。

5" 結" 論

基于B/S架構的實驗室安全準入系統，集實驗安全教育與虛擬仿真實驗預習為一體。學生可以隨時隨地對安全知識進行學習，對虛擬仿真實驗進行反復練習。在真實實驗室條件下不允許出現的安全事故，在虛擬仿真實驗環境中可輕易再現，且能夠直觀呈現安全事故現象。該系統能夠加深學生對實驗安全問題的理解、規范學生實驗安全操作流程，有效提高學生的實驗安全意識。

參考文獻：

[1] 教育部關于加強高校實驗室安全工作的意見 [J].中華人民共和國教育部公報，2019（5）：29-31.

[2] 教育部辦公廳關于開展加強高校實驗室安全專項行動的通知 [J].中華人民共和國教育部公報，2022（4）：30-33.

[3] 教育部辦公廳關于印發《高等學校實驗室安全規范》的通知 [J].中華人民共和國教育部公報，2023（3）：40-51.

[4] 李珊，高亭豪.高校實驗室安全準入標準化制度的建立與應用 [J].大眾標準化，2022（18）：13-15.

[5] 古旭，賀斌，張文娟.新形勢下大學生實驗室安全意識培養研究 [J].實驗室科學，2020，23（1）：191-194+198.

[6] 吳曉珊，曹旭東，王森，等.基于B/S架構的管理系統軟件開發 [J].計算機測量與控制，2019，27（2）：123-128.

[7] 武森，林葉錦，黃朝明.基于網絡拓撲著色的虛擬電路阻抗辨識方法 [J].實驗室研究與探索，2016，35（11）：94-98.

[8] 楊少龍，向先波，李志恒，等.船用電機啟動控制電路故障診斷虛擬仿真實驗 [J].實驗科學與技術，2021，19（5）：48-53.

作者簡介：王迪（1989—），女，漢族，遼寧沈陽人，實驗師，博士，主要研究方向：虛擬仿真技術在實踐教學中的應用。