高校開放實驗室信息化管理系統(tǒng)設(shè)計＊

寧波大學信息工程與科學學院 王燕琳 戴亞虹 郭志豪 陳瑞 楊俊杰

實踐教學對學生解決實際問題能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，是高校培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)[1,2]。高校開放實驗室是學生開展興趣培養(yǎng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、學科競賽等實踐活動的重要場所。傳統(tǒng)的實驗室管理模式已無法滿足當下開放實驗室人才培養(yǎng)的需求。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的浪潮沖擊下，很多高校都在進行開放實驗室管理的探討和改革實踐[3-5]。對開放實驗室實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、信息化的綜合管理，提高管理效率，實現(xiàn)資源共享與開放，是高校實驗室改革和建設(shè)的必然趨勢，也是教學改革的重要內(nèi)容[6]。本文以我院機器人開放實驗室為例，設(shè)計一個實驗室信息化管理系統(tǒng)，以探索開放實驗室管理的新方法。

1 開放實驗室現(xiàn)狀

我院機器人開放實驗室面向全校學生開放。在實驗室，一方面學生可以接受培訓(xùn)，在教師指導(dǎo)下設(shè)計、制作機器人，參加學科競賽；另一方面學生也可根據(jù)自己興趣愛好，利用實驗室資源，進行學習研究。

為了營造一個輕松的學習和創(chuàng)新環(huán)境，學生可以根據(jù)自己的時間安排在任意時段進入實驗室（包括節(jié)假日、寒暑假），這就給實驗室的管理和安全帶來了難度和隱患。通過幾年的實驗室開放運行，發(fā)現(xiàn)有以下幾點問題：（1）實驗室安全問題。實驗室備有電烙鐵、熱風槍等設(shè)備用于學生電路板的制作，但離開忘記關(guān)電烙鐵電源的現(xiàn)象也時有發(fā)生，一旦通電的加熱設(shè)備觸碰到易燃物品，將會引起火災(zāi)，因此，對實驗室環(huán)境信息進行實時監(jiān)測是很有必要的；（2）實驗室資源共享問題。目前實驗室很多器件或模塊都由教師集中保管，學生在需要時向教師詢問和領(lǐng)取。這種管理模式常會影響學生項目設(shè)計方案和項目進度，因此，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)讓學生方便地了解實驗室可用資源，知道眾多器件、模塊的用途和使用方法，有助于提高學生的設(shè)計效率和創(chuàng)新積極性；（3）實驗室資產(chǎn)管理問題。由于技術(shù)的不斷更新，學科競賽難度的不斷加大，指導(dǎo)教師經(jīng)常會購入新器件，從而導(dǎo)致實驗室器材數(shù)量、品種常發(fā)生變化。因此，如何做到對實驗室物料進行便捷的查詢、統(tǒng)計，也是實驗室管理需要改進的。

2 信息化管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本管理系統(tǒng)采用B/S（Broswer-Server）模式，即瀏覽器/服務(wù)器模式。這種模式只需客戶機上安裝一個瀏覽器就可通過Web 服務(wù)器同數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。采用B/S 模式設(shè)計，系統(tǒng)維護方便，維護成本較低，適合中小型系統(tǒng)的開發(fā)。如圖1 所示為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，其中傳感器和攝像頭用于監(jiān)測實驗室環(huán)境信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

針對上述實驗室存在的問題，設(shè)計出管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。（1）系統(tǒng)首頁模塊。該模塊包括實驗室簡介、競賽項目介紹及競賽通知，同時還設(shè)計了登錄、器件管理等超鏈接菜單，用戶可通過點擊鏈接獲取相應(yīng)信息；（2）用戶登錄模塊。用戶通過點擊首頁的登錄鏈接，進入用戶登錄界面，若輸入信息正確，用戶便可進行系統(tǒng)功能性操作；（3）器件管理模塊。一方面學生可以通過該模塊進行器件預(yù)約申領(lǐng)，待教師審批后通知學生，另一方面教師通過該模塊進行器材上架，填寫器材使用說明及數(shù)量；（4）實驗室環(huán)境信息模塊（如圖3 所示）。通過在實驗室相應(yīng)部位部署傳感器檢測實驗室的溫濕度、光亮度及煙霧濃度，由主控板STM32F103RCT6 周期性采樣傳感器數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理，再通過無線傳輸模塊上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器，使得實驗室管理員可以通過終端實時查看；（5）系統(tǒng)管理模塊。實驗室管理員負責系統(tǒng)管理，包括用戶管理、權(quán)限設(shè)定、數(shù)據(jù)報表等。

圖2 系統(tǒng)功能圖Fig.2 System function diagram

圖3 實驗室環(huán)境信息模塊Fig.3 Laboratory environment information module

圖4 學生與器材之間的E-R 圖Fig.4 E-R diagram between student and equipment

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用實體—聯(lián)系模型（即E—R 圖，Entity Relationship Diagram）構(gòu)建實體、屬性以及它們之間的聯(lián)系[5]。在實驗室管理系統(tǒng)中所包含的實體有教師、學生、器材、競賽通告。（1）教師。教師會發(fā)布通知信息、錄入器件等，其屬性包括：工號、姓名、密碼、聯(lián)系方式；（2）學生。學生登錄平臺后，主要參與器材、討論等有關(guān)功能模塊，其屬性包括：姓名、學號、密碼、專業(yè)和領(lǐng)用的器材；（3）器材。器材管理是系統(tǒng)主要功能之一。教師負責對器材進行上下架，學生經(jīng)過教師批準，可以領(lǐng)用器材，器材的屬性包括：名稱、數(shù)量、編號、圖片、使用說明、領(lǐng)用人；（4）通告。教師可以在平臺發(fā)布相關(guān)通知信息，包括實驗室活動、競賽信息等，通告的屬性包括：通告發(fā)布時間、通告內(nèi)容、發(fā)布人、發(fā)布時間。

數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于系統(tǒng)功能模塊的需求，對模塊中需要用到的數(shù)據(jù)表進行設(shè)計。本系統(tǒng)需要設(shè)計的數(shù)據(jù)表包括：教師信息表、學生信息表、器材信息表、器材申領(lǐng)表、角色權(quán)限表、通知公告表。

如表1 所示為器材信息表在數(shù)據(jù)庫存儲中的物理結(jié)構(gòu)，其他數(shù)據(jù)表類似。

表1 器材信息表Tab.1 Equipment information table

3 信息化管理系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)在Windows10 環(huán)境下開發(fā)，開發(fā)語言為Python 3.7，開發(fā)工具為VSCode 1.56.2，采用Django 2.2.4 框架，MySQL 5.7 作為后臺數(shù)據(jù)庫。根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計，我們實現(xiàn)了系統(tǒng)首頁、系統(tǒng)登錄、器材瀏覽、借用、審核等模塊。

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)頁實現(xiàn)

用戶通過校園網(wǎng)進入系統(tǒng)首頁。在首頁，用戶可瀏覽實驗室簡介、競賽項目介紹和賽事通知，如圖5 所示。點擊頁面右上方的登錄，將會出現(xiàn)登錄界面，如圖6 所示。登錄界面有教師和學生選項，選擇不同的身份，輸入賬號密碼將進入不同的界面。

圖5 系統(tǒng)首頁Fig.5 The system's home page

圖6 登錄頁面Fig.6 The system's login

當學生輸入學號、密碼進入系統(tǒng)后，可以瀏覽實驗室器材，并根據(jù)自己需要點擊“借用”，提交借用申請；也可點擊頁面左上角“我的器材”，查看目前已借器材，對于不再需要的器材，可點擊“歸還”，如圖7 所示。當教師輸入工號和密碼進入系統(tǒng)后，可點擊頁面左上方的“器材審核”，進入審核界面，如圖8 所示。

圖7 “我的器材”頁面Fig.7 "My Equipment" web page

圖8 “器材審核”頁面Fig.8 "Equipmentcheck" web page

Django 框架提供了一個功能完善的后臺管理模塊,利用這個后臺管理模塊可以很方便地進行后臺數(shù)據(jù)管理。教師和管理員都可以進入后臺管理系統(tǒng)，對實驗室器材進行查看、添加、刪除和編輯等操作，如圖9 所示。

圖9 后臺管理系統(tǒng)Fig.9 The system administration

3.2 系統(tǒng)環(huán)境信息模塊實現(xiàn)

環(huán)境信息模塊以MCU stm32f103rct6 作為主控芯片，采用溫濕度傳感器DHT11、光照度傳感器BH1750 和氣體傳感器MQ2 監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境，并配備OLED 顯示模塊和有源蜂鳴器，當環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值時蜂鳴器會報警。主控芯片通過WiFi 模塊ESP8266-01S，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至OneNET 云平臺，教師即可在實驗室通過OLED 直接讀取實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)，也可以通過移動終端實時查看實驗室狀況，如圖10 所示。

圖10 實驗室環(huán)境信息OLED 顯示Fig.10 OLED display of laboratory environment information

4 結(jié)論

開放實驗室為學生提供了很好的科研實踐與學術(shù)交流場所，培養(yǎng)了學生的實踐技能與科研素養(yǎng)。本文針對機器人開放實驗室，設(shè)計了一個開放實驗室信息化管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，一方面學生可以方便地了解開放實驗室及實驗室可用資源，實現(xiàn)器材的線上借用預(yù)約；另一方面，教師能清晰了解實驗室器材使用情況，并可實時查看實驗室環(huán)境參數(shù)確保實驗室安全。該管理系統(tǒng)可有效提高開放實驗室管理質(zhì)量和效率、保障實驗室安全。本文的設(shè)計思路及實現(xiàn)方法可為高校開放實驗室管理提供一定的參考。

引用

[1] 滕召勝,羅安,章兢.面向新工科的實驗室開放運行與持續(xù)改進——以湖南大學電氣信息類專業(yè)實驗室為例[J].實驗技術(shù)與管理,2021,38(4):290-293.

[2] 王磊.智能開放實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].吉林化工學院學報,2020,37(9):53-55.

[3] 牛麗.高校智慧實驗室綜合管理平臺建設(shè)研究[J].計算機時代,2021(10):122-124+127.

[4] 林魯春.智慧實驗室及其關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].杭州:杭州電子科技大學,2019.

[5] 潘承佳.基于Django的實驗室管理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].阜陽:阜陽師范大學,2021.

[6] 謝強,張丹麗.高校實驗室信息化管理平臺建設(shè)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2022,40(10):222-224.