高校开放实验室信息化管理系统设计＊

宁波大学信息工程与科学学院 王燕琳 戴亚虹 郭志豪 陈瑞 杨俊杰

实践教学对学生解决实际问题能力和创新能力的培养至关重要，是高校培养应用型、创新型人才的重要环节[1,2]。高校开放实验室是学生开展兴趣培养、创新创业、学科竞赛等实践活动的重要场所。传统的实验室管理模式已无法满足当下开放实验室人才培养的需求。在互联网技术和人工智能技术的浪潮冲击下，很多高校都在进行开放实验室管理的探讨和改革实践[3-5]。对开放实验室实现网络化、信息化的综合管理，提高管理效率，实现资源共享与开放，是高校实验室改革和建设的必然趋势，也是教学改革的重要内容[6]。本文以我院机器人开放实验室为例，设计一个实验室信息化管理系统，以探索开放实验室管理的新方法。

1 开放实验室现状

我院机器人开放实验室面向全校学生开放。在实验室，一方面学生可以接受培训，在教师指导下设计、制作机器人，参加学科竞赛；另一方面学生也可根据自己兴趣爱好，利用实验室资源，进行学习研究。

为了营造一个轻松的学习和创新环境，学生可以根据自己的时间安排在任意时段进入实验室（包括节假日、寒暑假），这就给实验室的管理和安全带来了难度和隐患。通过几年的实验室开放运行，发现有以下几点问题：（1）实验室安全问题。实验室备有电烙铁、热风枪等设备用于学生电路板的制作，但离开忘记关电烙铁电源的现象也时有发生，一旦通电的加热设备触碰到易燃物品，将会引起火灾，因此，对实验室环境信息进行实时监测是很有必要的；（2）实验室资源共享问题。目前实验室很多器件或模块都由教师集中保管，学生在需要时向教师询问和领取。这种管理模式常会影响学生项目设计方案和项目进度，因此，利用网络技术让学生方便地了解实验室可用资源，知道众多器件、模块的用途和使用方法，有助于提高学生的设计效率和创新积极性；（3）实验室资产管理问题。由于技术的不断更新，学科竞赛难度的不断加大，指导教师经常会购入新器件，从而导致实验室器材数量、品种常发生变化。因此，如何做到对实验室物料进行便捷的查询、统计，也是实验室管理需要改进的。

2 信息化管理系统设计

2.1 系统结构设计

本管理系统采用B/S（Broswer-Server）模式，即浏览器/服务器模式。这种模式只需客户机上安装一个浏览器就可通过Web 服务器同数据库进行数据交互。采用B/S 模式设计，系统维护方便，维护成本较低，适合中小型系统的开发。如图1 所示为本系统的结构图，其中传感器和摄像头用于监测实验室环境信息。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

2.2 系统功能设计

针对上述实验室存在的问题，设计出管理系统的功能结构，如图2 所示。（1）系统首页模块。该模块包括实验室简介、竞赛项目介绍及竞赛通知，同时还设计了登录、器件管理等超链接菜单，用户可通过点击链接获取相应信息；（2）用户登录模块。用户通过点击首页的登录链接，进入用户登录界面，若输入信息正确，用户便可进行系统功能性操作；（3）器件管理模块。一方面学生可以通过该模块进行器件预约申领，待教师审批后通知学生，另一方面教师通过该模块进行器材上架，填写器材使用说明及数量；（4）实验室环境信息模块（如图3 所示）。通过在实验室相应部位部署传感器检测实验室的温湿度、光亮度及烟雾浓度，由主控板STM32F103RCT6 周期性采样传感器数据，并进行数据处理，再通过无线传输模块上传数据至服务器，使得实验室管理员可以通过终端实时查看；（5）系统管理模块。实验室管理员负责系统管理，包括用户管理、权限设定、数据报表等。

图2 系统功能图Fig.2 System function diagram

图3 实验室环境信息模块Fig.3 Laboratory environment information module

图4 学生与器材之间的E-R 图Fig.4 E-R diagram between student and equipment

2.3 系统数据库设计

本系统数据库采用实体—联系模型（即E—R 图，Entity Relationship Diagram）构建实体、属性以及它们之间的联系[5]。在实验室管理系统中所包含的实体有教师、学生、器材、竞赛通告。（1）教师。教师会发布通知信息、录入器件等，其属性包括：工号、姓名、密码、联系方式；（2）学生。学生登录平台后，主要参与器材、讨论等有关功能模块，其属性包括：姓名、学号、密码、专业和领用的器材；（3）器材。器材管理是系统主要功能之一。教师负责对器材进行上下架，学生经过教师批准，可以领用器材，器材的属性包括：名称、数量、编号、图片、使用说明、领用人；（4）通告。教师可以在平台发布相关通知信息，包括实验室活动、竞赛信息等，通告的属性包括：通告发布时间、通告内容、发布人、发布时间。

数据库的物理结构设计是基于系统功能模块的需求，对模块中需要用到的数据表进行设计。本系统需要设计的数据表包括：教师信息表、学生信息表、器材信息表、器材申领表、角色权限表、通知公告表。

如表1 所示为器材信息表在数据库存储中的物理结构，其他数据表类似。

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

3 信息化管理系统实现

本系统在Windows10 环境下开发，开发语言为Python 3.7，开发工具为VSCode 1.56.2，采用Django 2.2.4 框架，MySQL 5.7 作为后台数据库。根据系统功能设计，我们实现了系统首页、系统登录、器材浏览、借用、审核等模块。

3.1 系统网页实现

用户通过校园网进入系统首页。在首页，用户可浏览实验室简介、竞赛项目介绍和赛事通知，如图5 所示。点击页面右上方的登录，将会出现登录界面，如图6 所示。登录界面有教师和学生选项，选择不同的身份，输入账号密码将进入不同的界面。

图5 系统首页Fig.5 The system's home page

图6 登录页面Fig.6 The system's login

当学生输入学号、密码进入系统后，可以浏览实验室器材，并根据自己需要点击“借用”，提交借用申请；也可点击页面左上角“我的器材”，查看目前已借器材，对于不再需要的器材，可点击“归还”，如图7 所示。当教师输入工号和密码进入系统后，可点击页面左上方的“器材审核”，进入审核界面，如图8 所示。

图7 “我的器材”页面Fig.7 "My Equipment" web page

图8 “器材审核”页面Fig.8 "Equipmentcheck" web page

Django 框架提供了一个功能完善的后台管理模块,利用这个后台管理模块可以很方便地进行后台数据管理。教师和管理员都可以进入后台管理系统，对实验室器材进行查看、添加、删除和编辑等操作，如图9 所示。

图9 后台管理系统Fig.9 The system administration

3.2 系统环境信息模块实现

环境信息模块以MCU stm32f103rct6 作为主控芯片，采用温湿度传感器DHT11、光照度传感器BH1750 和气体传感器MQ2 监测室内环境，并配备OLED 显示模块和有源蜂鸣器，当环境监测数据超出设定阈值时蜂鸣器会报警。主控芯片通过WiFi 模块ESP8266-01S，将监测数据上传至OneNET 云平台，教师即可在实验室通过OLED 直接读取实验室环境数据，也可以通过移动终端实时查看实验室状况，如图10 所示。

图10 实验室环境信息OLED 显示Fig.10 OLED display of laboratory environment information

4 结论

开放实验室为学生提供了很好的科研实践与学术交流场所，培养了学生的实践技能与科研素养。本文针对机器人开放实验室，设计了一个开放实验室信息化管理系统。通过该系统，一方面学生可以方便地了解开放实验室及实验室可用资源，实现器材的线上借用预约；另一方面，教师能清晰了解实验室器材使用情况，并可实时查看实验室环境参数确保实验室安全。该管理系统可有效提高开放实验室管理质量和效率、保障实验室安全。本文的设计思路及实现方法可为高校开放实验室管理提供一定的参考。

引用

[1] 滕召胜,罗安,章兢.面向新工科的实验室开放运行与持续改进——以湖南大学电气信息类专业实验室为例[J].实验技术与管理,2021,38(4):290-293.

[2] 王磊.智能开放实验室管理系统设计与实现[J].吉林化工学院学报,2020,37(9):53-55.

[3] 牛丽.高校智慧实验室综合管理平台建设研究[J].计算机时代,2021(10):122-124+127.

[4] 林鲁春.智慧实验室及其关键技术研究与应用[D].杭州:杭州电子科技大学,2019.

[5] 潘承佳.基于Django的实验室管理平台的设计与实现[D].阜阳:阜阳师范大学,2021.

[6] 谢强,张丹丽.高校实验室信息化管理平台建设[J].数字技术与应用,2022,40(10):222-224.