面向教學過程的實驗室教學管理系統應用研究

鐘健 潘威華

摘要：面向教學過程是實驗室教學管理系統的重要應用研究方向。文章致力于探索新一代信息技術下的面向教學過程的實驗室教學管理系統。通過利用信息技術和架構設計，本系統實現了對實驗室教學管理的全面改進和數字化。系統集成了在線實驗報告提交、實驗指導、實驗室資源預約、智能管理和綜合數據管理等功能，有效解決了傳統實驗室管理中的存檔困難、開放式管理低效、實驗室資源難管理以及數據收集和統計工作繁重等問題。該系統適用于傳統和在線實驗教學環境，提高了管理效率，促進了教育教學的現代化發展。其實施將給教學管理部門、實驗室管理部門以及師生帶來實質性的益處，是教育管理向更高效、智能化方向邁出的重要一步。

關鍵詞：教學過程；實驗室教學管理；實驗報告；實驗指導；實驗室資源

中圖分類號：G424? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）07-0174-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

實驗室教學是應用型本科高校實踐教學的重要環節。隨著高校的快速發展和升級需求，實驗室規模日益擴大，實驗室的日常業務工作也變得繁重，對實驗室各項管理工作提出了更高的要求。然而，調研顯示，大多數高校實驗室教學、管理存在著一些問題，如紙質實驗報告存檔難度大、開放管理困難、實驗記錄和設備利用率等數據收集工作量大、數據統計困難等痛點。在信息大數據整合的背景下，各行各業的發展需要一流的技術資源和管理水平。實驗室作為高校進行教研活動和科研技術操作的重要場所，其管理能力直接影響高校在經濟、技術水平和學術等方面的管理水平。

隨著大數據、云計算、移動互聯網和人工智能等技術的應用推廣，融合新一代信息技術面向教學過程的實驗室管理模式能夠從根本上改變高校實驗室管理的現狀。這一模式可以幫助實驗室管理人員更快捷地展開管理工作，優化實驗室全過程管理機制，提升整個實驗室的運行效率。隨著實驗室管理人員工作內容的增加，為了方便他們的日常操作，提高工作效率，迫切需要對面向教學過程的實驗室教學管理系統應用進行研究[1]。

1 研究意義與現狀

1.1 研究意義

本研究旨在探索和研究基于新一代信息技術的面向教學過程的實驗室教學管理系統應用，通過信息技術的應用，徹底革新傳統實驗教學的管理方式。該系統集成了在線實驗報告提交與管理、數字實驗教育指導、實驗室預約及智能管理和全面的數據統計管理功能，從根本上實現了管理流程的數字化轉型。

系統的核心創新在于顯著簡化了實驗教學的管理過程，有效解決了傳統模式下的多個痛點。例如，紙質實驗報告的存檔和管理難題得到了有效解決，實驗室的開放管理變得更加高效，實驗記錄和設備利用率的數據收集及統計工作量大幅減少。這些改進預期將帶來顯著的管理效益，極大提高實驗教學的管理水平。

此外，該系統對現代線上實驗教學環境的適應性尤為顯著。它不僅支持傳統的實驗室環境，還能適應不依賴于實際實驗硬件的基礎性實驗，如程序設計和項目規劃等。系統支持學生提交和教師批閱實驗報告，有效地形成實驗成績，提升了教學過程的效率和質量。

該實驗室教學管理系統不僅為教學管理部門和實驗室管理部門提供了強大的工具，也為全校師生帶來了實質性的益處。它標志著教學管理向著更高效、智能化的方向邁出了堅實的一步，為未來的教育創新和發展鋪平了道路。

1.2 國內外研究現狀

在國外，教學過程中實驗室管理系統的應用已經取得了顯著進展。多數發達國家的高等教育機構已經開始采用各種高級信息技術工具來優化實驗室教學的管理。例如，在美國和歐洲，許多大學已經實現了實驗室管理的數字化和智能化，采用了包括在線實驗報告提交、電子考勤和實驗室預約系統等。此外，一些機構還集成了虛擬實驗室技術，允許學生在沒有物理實驗室設備的情況下進行實驗學習。

在國內，基于新一代信息技術的實驗室教學管理系統的研究和應用也正在蓬勃發展。隨著數字化轉型的加速，越來越多的高校開始重視實驗教學管理系統的建設。這些系統通常包括在線報告提交、智能門禁和資源預約功能，極大地提高了實驗室利用率和管理效率。

相比國外先進水平，中國的一些高校在系統集成和功能完善性方面還存在差距。例如，智能電源管理和全面的數據統計功能在很多國內高校的實驗室管理系統中尚未普及。此外，對于線上實驗教學環境的適應性也是國內研究的重點之一，特別是在程序設計和項目規劃等非硬件依賴型實驗的應用。

2 總體設計

2.1 設計思路

本研究采用了一體化系統建設的設計思路，旨在實現實驗室教學管理的全面、全程、全員覆蓋。核心目標是通過高度集成化的應用設計，實現實驗室業務管理的系統化和自動化，提升整體工作效率和管理質量。具體設計思路包括以下四點：

1） 系統一體化構架。核心目標是實現系統內部各個組件的無縫對接與協調運作。為此，對門戶網站、實驗室管理系統和調課管理系統進行一體化設計，實現系統內部各個組件的無縫對接和協調運作，共享信息資源，從而確保系統運行的流暢性和工作效能的提升。

2） 信息資源共享與維護。注重功能與信息資源的綜合設計，旨在構建一個既包含信息資源庫又涵蓋相關應用系統的共建共享體系，維持共享信息資源的持續更新和高使用價值，確保信息的實時性和準確性。

3） 系統設計的發展性視角。堅持以發展的視角出發，重視系統的經濟性、實用性、可擴展性和先進性的平衡，確保系統能夠滿足當前需求，也具備應對未來挑戰和需求變化的能力。

4） 整合與教務管理系統的互操作性。考慮與現有教務管理系統的互操作性，通過實現課表數據的共享，確保系統之間的信息同步，進一步提高管理效率和數據的準確性。

2.2 架構設計

系統采用三層模塊化設計，分為表示層、業務邏輯層和數據層。表示層是客戶和系統的接口，前端頁面負責將數據展示給用戶；業務邏輯層是在客戶端與數據庫之間的一個中間層，主要是后端的邏輯業務功能，負責處理業務規則、數據訪問和合法性校驗等工作[2]，數據層是最底層，負責與數據庫的交互，實現查詢、更新數據等功能。通常情況下，客戶端不直接與數據庫進行交互，而是通過與中間層建立連接，再經由中間層與數據庫進行請求交互[3]。如圖1所示，用戶通過客戶端經由三層架構訪問到和數據庫。

2.3 基礎功能設計

面向教學過程的實驗室教學管理系統是學校實現實驗室常規教學安排管理的信息化平臺。系統能夠依據實驗室的資源進行實驗教學排課管理，在教務管理模式下為學生提供實驗教學管理服務，完成教學計劃內的實驗課程，實現以實驗項目為單元進行實驗排課的管理功能。同時，結合教務系統的數據接口，實現與教務系統基礎數據和課表數據的同步，與教務課表聯合進行沖突檢測，確保實驗項目安排的準確性。用戶可以查詢實驗室的基本信息和能夠開展的實驗類型，獲取實驗室的內部配置信息[4]。系統具有的基礎功能模塊如圖2所示。

2.4 移動應用功能模塊設計

高校實驗室作為人才培養和科學研發的重要基地，隨著移動端時代的發展，用戶更習慣在移動端上對系統進行操作。然而，目前常規的高校實驗室教學管理系統只有PC端，并且存在管理混亂、效率低、方式落后等問題。為解決傳統高校實驗室教學管理系統存在的相關問題，該系統應用研究也需要在智能移動終端上進行設計[5]。

移動應用平臺以微信公眾號或App形式實現學校實驗室的“微門戶”，移動端數據與各業務子系統的數據相通，實現基礎功能移動辦公、審核、實驗項目預約、實驗室安全檢查、在線學習與考試等功能。具體包括：

1） 信息發布。系統應用提供學校實驗室相關信息的發布展示功能，包括新聞動態發布、課表或開放實驗發布、選課預約結果發布等信息。管理者、教師、學生及其他用戶均可通過公眾號或App查看學校實驗室的相關介紹、動態信息和新聞等內容。

2） 通知推送。系統提供向全體關注者（包括領導、教師、學生）群發通知的功能。學校或實驗室有重要通知、新聞時，可通過本功能將通知實時推送到全體用戶手中。該功能同時支持分組推送，可選擇特定的用戶組（老師、學生、未認證用戶）單獨推送通知。

3） 身份綁定。系統提供用戶身份認證和用戶微信號綁定功能。未認證用戶使用本功能輸入自己的身份（老師或學生）、用戶名（職工編號或學生證號）和密碼，即可認證自己的身份。系統將自動綁定當前身份號和用戶的關系，成為認證用戶。認證用戶可以通過該功能取消綁定或重新綁定新的身份。

4） 課表查詢。用戶可以通過該功能了解自己本周的實驗課程安排情況，也可以查看指定時間的實驗課程安排情況。

5） 上課提醒。根據管理人員設置的提醒時間，通過消息推送的形式，向負責實驗課的老師和參加實驗的學生提前發送實驗提醒通知。通知的內容包括實驗的時間、地點等。本功能對教師和學生起到良好的提醒作用，有效減少學生因遺忘或記錯實驗室等原因造成的缺課、遲到現象。

6） 實驗預約。用戶可以通過客戶端對自己感興趣的開放實驗課程進行預約、取消預約、變更預約等操作，也可以查詢各實驗室開放的實驗房間，在線預約和取消已預約的開放實驗室。

7） 實驗安全。高校實驗室是大學生實踐創新、開闊眼界的場所，傳統的實驗室存在不能及時反映實驗設備利用和損壞等情況的問題[6]。用戶可以通過二維碼掃描方式對實驗室基礎信息進行識別，對實驗室實時狀況進行拍照上傳到服務器，對設備利用、損壞等情況進行上報，實現實驗室安全巡查。同時還可以進行在線學習和實驗室安全知識考試。

3 系統安全設計

3.1 身份認證體系

本系統的安全設計采用了強化的身份認證機制，以確保用戶身份的安全性和數據的保密性。用戶在登錄時需輸入系統分配的唯一用戶名和密碼。為了防范非授權訪問，系統設置了連續輸入錯誤密碼的閾值。當嘗試登錄次數超過此閾值時，系統將自動鎖定相關用戶賬戶，僅可通過系統管理員的授權進行解鎖和密碼重置。這一機制不僅可以防止用戶名和密碼被盜用的風險，還可以有效監控用戶的操作行為，以防止信息泄露和非授權訪問。

3.2 基于RBAC技術的授權管理

系統的授權管理基于角色訪問控制（RBAC，Role-Based Access Control） 技術。這種方法允許系統將用戶分配至其在組織結構中對應的角色，從而將用戶的功能權限限定在特定的數據范圍內。RBAC的實施顯著降低了授權管理的復雜性和管理成本，并為管理員提供了一種有效實施復雜安全策略的手段。

3.3 數據存儲安全

在“面向教學過程的實驗室教學管理系統”中，確保數據存儲的安全性是一個關鍵考慮因素。本文的數據存儲安全策略涵蓋了數據庫加密、文件加密以及數據備份，以保障敏感信息的完整性和隱私。

1） 數據庫加密策略。對于存儲在數據庫中的數據，本研究采用了部分加密策略。基于性能與安全性的權衡，選擇對關鍵數據（如用戶信息、實驗成績等）進行加密。利用先進的加密算法如AES（高級加密標準）或RSA（非對稱加密算法），對敏感信息進行加密處理，從而確保數據在存儲和傳輸過程中的安全性。

2） 文件級加密機制。面向教學過程的實驗室教學管理系統中有大量的數據以物理文件形式保存在文件服務器指定的文件夾中。對于存儲在文件服務器上的物理文件，考慮到數據的隱私和重要性，本系統設計了一種可自定義配置的文件加密機制。該機制允許管理員根據需要對特定類型的文件進行加密處理，例如實驗報告、課程資料等。這一設計在默認狀態下不啟用加密，以避免對系統性能產生不利影響，但可以根據安全需求靈活開啟。

3） 數據備份與恢復策略。數據備份是保障數據安全的重要手段，數據異地備份更是必不可少。為了進一步增強數據安全性，本系統應用研究的數據安全需要使用全面的數據備份與恢復策略。此策略采用了基于MySQL Server的自動備份機制，該機制利用msSQL的維護計劃服務，將關鍵數據每日自動備份至異地服務器。這種異地備份策略不僅增加了數據的冗余性，還確保了在面臨服務器或系統故障時，關鍵數據能夠被迅速且完整地恢復。

4 總結

本研究基于面向教學過程的實驗室教學管理系統應用，該系統利用最新信息技術，針對面向教學過程中的實驗室教學管理系統進行優化。研究重點包括系統設計、功能實現和安全策略的探討。系統融合多元功能，包括在線實驗報告處理、實驗指導、實驗室資源預約等功能，旨在提升教學和管理的效率。系統設計采用了先進的身份認證機制、基于角色的訪問控制（RBAC） 技術、多種數據存儲安全策略，確保了系統隱私保護和數據安全，更進一步提高了實驗室的安全性和能效。此外，系統的靈活性使其能夠適應不同的教學環境，包括傳統實驗室和在線遠程教學。該系統不僅優化了實驗室的日常管理，還為面向教學過程的實驗教學管理系統的現代化提供了新的解決方案。

參考文獻：

[1] 喬楨，羅曦，閆景瑞.基于數據交互查詢方式的實驗室教學及資源管理平臺的設計與構建[J].數字技術與應用，2022，40（5）：193-195.

[2] 李明，林湛，宋澤，等.基于二維碼技術的鐵路科研企業固定資產動態管理系統設計與實現[J].鐵路計算機應用，2014，23（10）：32-37，46.

[3] 楊少華，李娟，于艷，等.花生測產遠程管理系統的研發[J].青島農業大學學報（自然科學版），2014，31（1）：73-78.

[4] 郝海妍.數據挖掘在計算機實驗室管理系統中的應用[J].電子技術與軟件工程，2020（11）：210-212.

[5] 徐維遠.基于智能移動終端開發的高校實驗室管理系統設計[J].電腦知識與技術，2019，15（25）：231-232，236.

[6] 晁妍，陳文龍，王浩.大數據技術在高校實驗室管理系統中的應用[J].電腦知識與技術，2020，16（18）：31-33.

【通聯編輯：唐一東】