計算機實驗教學示范中心信息化管理平臺構建

林 榕， 鐘 鏸， 盤煒生， 馮小燕

(肇慶學院 a. 教育技術與計算機中心； b. 計算機學院/軟件學院， 廣東 肇慶 526061)

0 引 言

隨著高校向應用型本科的轉(zhuǎn)型，實驗室建設進一步規(guī)范化、復雜化，高校實驗室管理工作也變得更加繁重和復雜。以手工、紙質(zhì)等方式為主的傳統(tǒng)實驗室管理模式，制約了實驗室管理效率的提高和實踐創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[1]。實驗室信息管理系統(tǒng)(Laboratory Information Management System，LIMS)[2-4]也已經(jīng)從C/S模式發(fā)展為更高效的B/S+移動App模式，實驗教學和實驗室管理的網(wǎng)絡化信息化[5]，逐步被高校廣泛應用。不同高校的實驗室設置、管理模式不盡相同，LIMS也就不能千篇一律，往往需要根據(jù)自身特點和需求進行構建。

1 實驗室管理現(xiàn)狀及存在的問題分析

在高校積極進行升本、擴招、不斷深入進行教學改革的大潮下，實驗室管理逐步從分散式管理模式走向了集中式的管理模式。集中式的管理模式較好地解決了實驗室重復建設、設備利用率低、教學資源配置不合理等弊端，逐漸成為高校實驗室管理的主要模式，計算機實驗教學示范中心應運而生，規(guī)模不斷擴大，設備利用率大幅提高，實驗室由專人管理，服務實驗教學的效果顯著。經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，存在的問題也逐步顯現(xiàn)，迫切需要解決。

(1) 管理職能割裂交叉[6]，形成信息孤島[7]。資產(chǎn)處管設備；教務處管教學；教學單位負責教學計劃制定，實驗項目的設計和實施；實驗中心負責實驗室建設規(guī)劃，實驗室的維護、安全和日常開放管理。各部門都有自己的業(yè)務系統(tǒng)，極大提高了本部門的工作效率，但在眾多管理層級之間缺乏一個有效的協(xié)作平臺，無法形成一個有機的系統(tǒng)，形成多個信息孤島，溝通困難，整體運作效率低下。

(2) 實驗室封閉式管理，開放程度低。實驗室開放是我國高校經(jīng)過不斷探索、改革和實踐總結(jié)出來的重要經(jīng)驗，是實驗教學有效培養(yǎng)創(chuàng)新性、復合型、高素質(zhì)人才方面形成的基本共識的核心載體[8-9]。實驗室開放指的是實驗時間、實驗內(nèi)容和實驗對象的“三開放”，實驗時間的開放是前提，實驗內(nèi)容的開放是核心，實驗對象的開放是手段[10-11]。但長期以來，缺乏一個開放預約和實驗過程自動監(jiān)控系統(tǒng)，實驗室網(wǎng)絡化、虛擬化嚴重不足導致了實驗室開放程度低，學生缺少自主創(chuàng)新的實驗環(huán)節(jié)，嚴重限制了學生知識創(chuàng)造，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

針對上述需求，要切實落實“進一步加強實踐教學體系建設，強化實驗實訓教學在應用型人才培養(yǎng)中的地位”的政策，就必然要增加綜合性、設計性實驗，且隨著以項目實訓、任務驅(qū)動等一系列課程體系改革的推行，計算機實驗教學示范中心除了服務基礎教學任務外，也必須加強實驗室的開放管理，因此，有必要結(jié)合計算機實驗教學示范中心實際，圍繞計算機實驗室建設，設計和構建一個基于數(shù)字化校園的綜合性信息化管理平臺，突破信息孤島現(xiàn)象，為真正提高實驗室工作效率和實現(xiàn)實驗室全面開放提供保障。

2 信息化管理平臺的體系架構

2.1 技術架構

計算機實驗教學示范中心信息化管理平臺面向全校師生開放，依托數(shù)字化校園建設，規(guī)劃為B/S+移動App架構[12-13]，支持多元化的設備通過瀏覽器或客戶端軟件訪問，方便易用，零客戶端維護[14-15]。系統(tǒng)采用Laravel 5.3作為開發(fā)語言，采用模塊化設計，具有良好的開放性和擴展性；采用基于分布式的多個小型數(shù)據(jù)庫存儲信息內(nèi)容，擴充性強，網(wǎng)絡共享能力強且信息交流快捷；數(shù)據(jù)導入、導出方便；采用基于RBAC(基于角色的訪問控制)權限設計，靈活安全。Laravel項目的運行原理見圖1。

圖1 Laravel項目原理結(jié)構

2.2 網(wǎng)絡架構

計算機實驗教學示范中心信息化管理系統(tǒng)拓撲架構見圖2。

圖2 系統(tǒng)拓撲

2.3 系統(tǒng)功能

計算機實驗教學示范中心信息化管理系統(tǒng)包括以下功能模塊：實驗室管理、實驗室隊伍、實驗室建設、實驗教學、資產(chǎn)管理、交流與共享、系統(tǒng)管理等。對于不同用戶，根據(jù)設置的角色和權限不同，呈現(xiàn)界面也不相同。該平臺全面覆蓋中心實驗室管理，包括實驗室建設、人員、資產(chǎn)、教學、檔案等；搭建了實驗室與各主管部門內(nèi)部互訪平臺，提高了信息交流與共享，實現(xiàn)了實驗室建設、教學管理的網(wǎng)上申報、審批等工作流程，便于實現(xiàn)分布式辦公；為師生就實踐教學提供交流平臺，為實驗室逐步全面開放提供平臺支撐。

功能模塊結(jié)構如圖3所示。

3 信息化管理平臺的功能模塊

3.1 實驗室建設

實驗室建設模塊破解了信息孤島現(xiàn)狀，通過本模塊實現(xiàn)了中心與各主管部門、各教學單位之間的內(nèi)部互訪。各教學單位可以根據(jù)教學計劃實時調(diào)整對計算機實驗室的軟硬件需求，中心和教務處通過系統(tǒng)可以很方便生成統(tǒng)計信息，為實驗室建設的計算機硬件配置等規(guī)劃提供參考依據(jù)，解決了使用和管理分離帶來的問題。全校各教學單位和資產(chǎn)處、教務處、中心等共同參與到實驗室建設中，實現(xiàn)實驗室建設項目申請、建設項目論證、建設項目任務書、建設項目進度等實現(xiàn)網(wǎng)上申請、審批和流轉(zhuǎn)。

圖3 體系結(jié)構

同時，中心可以根據(jù)工作安排，依據(jù)相應的評估標準定期對實驗室進行自評，在平臺中向全體人員公布結(jié)果，根據(jù)結(jié)果查漏補缺，督促實驗室人員進行補全資料、整改工作等。為各級評估、評比生成或?qū)С鱿鄳倪m時數(shù)據(jù)。

3.2 實驗教學管理

實驗教學管理模塊是實驗教學運行流程的管理，是實驗室開放預約和實驗過程自動監(jiān)控系統(tǒng)，是平臺核心的部分，包含了實驗教學信息、實驗教務管理和實驗過程管理等幾個子模塊。

實驗教學信息子模塊是完成實驗教學編排的參數(shù)設置等的準備工作，由實驗教學計劃、實驗教學大綱、實驗教材、實驗項目管理、實驗所需軟件的軟件庫等構成。實驗教學計劃主要建立專業(yè)與課程間的對應關系，包括開設的課程、課程開設學期、實驗學分、實驗學時、課程考核方式等信息。實驗項目管理定義各實驗項目的名稱、實驗對象、實驗內(nèi)容等基本信息。

實驗教務管理和實驗過程管理2個子模塊實現(xiàn)了實驗課表自動編排、實驗室開放預約和實驗過程自動監(jiān)控等功能，具體實驗教學運行流程如圖4所示。

系統(tǒng)有“預置排課”和“預約排課”2種排課模式，“預置排課”模式適用于已經(jīng)排到理論課表中的實驗課程，滿足基本的實驗課程教學，是常規(guī)排課模式。實驗教師在系統(tǒng)輔助下提前確定開課時段和學生組別，學生不能選擇時段。預置排課通過本系統(tǒng)可以細化到實驗項目的具體安排?！邦A約排課”模式主要針對本科畢業(yè)設計、有教師指導的或?qū)W生社團組織參加的各類創(chuàng)新型競賽進行試點，并逐步擴大排課范圍?！邦A約排課”模式下，實驗教師提前發(fā)布足夠多的開課時段，學生自主選擇時段，預約排課模式更能發(fā)揮學生的學習自主性、促進實驗室常態(tài)化開放，是創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的實踐教學改革方向。

圖4 實驗教學運行流程圖

為了更好地實現(xiàn)實驗室開放，中心信息化管理平臺與數(shù)字化校園結(jié)合，建立了門禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和條碼系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗全過程自動監(jiān)控，形成了實驗室開放管理模塊，其構成與功能見圖5。系統(tǒng)要求使用實驗室計算機的師生在開機后進行登錄，便于生成使用日志，替代以往手工填寫的使用登記。若在使用中發(fā)現(xiàn)設備故障，可通過智能手機掃描設備上的二維碼，進入相關頁面實時向?qū)嶒炇夜芾砣藛T進行故障報修，報修時需提交手機拍攝的故障現(xiàn)象照片或視頻，作為報告故障的佐證，并為排除設備故障提供便利。

圖5 實驗室開放管理模塊構成與功能

學生在實驗過程中，根據(jù)“實驗目的、實驗要求、操作步驟”，以多種媒體形式記錄每個學生動手的實驗過程、實驗數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果、結(jié)果評價等。學生在實驗的關節(jié)點拍攝照片或短視頻、錄制音頻，在本系統(tǒng)存檔，可作為評分依據(jù)或評講對象。

3.3 其他功能

系統(tǒng)管理模塊負責實驗室信息化管理平臺基礎數(shù)據(jù)的維護，實現(xiàn)對系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)進行添加、修改、查看。包括系統(tǒng)參數(shù)管理、用戶角色及權限分配、系統(tǒng)日志查詢等功能。利用數(shù)據(jù)庫導入工具進行批量操作，或逐條添加數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行修改，學年結(jié)束后可以對學期數(shù)據(jù)進行升級操作。

實驗室管理、實驗室隊伍等模塊分別負責實驗室總體信息和管理人員基本信息等數(shù)據(jù)的維護，主要完成各種數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計和管理崗位日志，根據(jù)用戶組別，分別具有增、刪、改、查和進行相應統(tǒng)計的功能。

4 管理平臺的開發(fā)與實現(xiàn)

計算機實驗教學示范中心信息管理平臺采用基于PHP的開源框架Laravel 5.3版本作為基礎，是一種MVC架構的設計理念的實現(xiàn)。MVC架構開發(fā)模式和集中式的數(shù)據(jù)管理的優(yōu)點在于提高開發(fā)效率，降低運行成本，提高數(shù)據(jù)共享率和工作效率。服務器操作系統(tǒng)采用CentOS7.1，取其穩(wěn)定性和運行效率；數(shù)據(jù)庫采用MySQL5.6，取其高效率低成本以及易擴充性，結(jié)合Redis數(shù)據(jù)緩存服務器提高響應速度；Web服務器采用高效率低資源占用的Nginx；開發(fā)語言為PHP 7.0；前端支持HTML5和CSS、js、Vue；支持Chrome、IE、foxfire等瀏覽器的訪問；目前Android移動端App支持手機等移動終端的訪問使用。

系統(tǒng)邏輯結(jié)構如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運行結(jié)構

5 實驗教學示范中心信息化平臺初見成效

計算機實驗教學示范中心信息化平臺通過一段時間的試運行，已見初步成效。

(1) 基本實現(xiàn)了實驗室管理信息化。信息化平臺兼容了各級管理部門之間的業(yè)務系統(tǒng)，整體運作效率大大提高，使實驗室工作與計劃的實時動態(tài)管理與分析成為可能，解放了實驗室人員的繁瑣的手工統(tǒng)計等，將更多的精力放在實驗室建設、準備、維護上。

(2) 基本實現(xiàn)了實驗室全面開放。結(jié)合數(shù)字化校園建設，信息化平臺實現(xiàn)了實驗室開放預約和實驗過程自動監(jiān)控，在教師的引導和組織下，學生們從各級競賽活動開始，逐步將競賽活動與實驗室開放項目緊密結(jié)合，基本實現(xiàn)了實驗室全面開放。在“廣東省大學生程序設計競賽”“國際大學生程序設計競賽亞洲區(qū)域賽”“中國大學生程序設計競賽”“藍橋杯全國軟件和信息技術專業(yè)人才大賽總決賽”等各項省、國家級競賽中，取得國家級銀獎2項，二等獎、三等獎各1項；省級各獎項10多項的成績。實驗室實現(xiàn)開放后，參加各級競賽集訓的隊伍和實驗室開放項目都在逐年增加，已經(jīng)形成了一個良性循環(huán)。

6 結(jié) 語

計算機實驗教學示范中心信息化平臺的構建是在應用型本科院校轉(zhuǎn)型的大環(huán)境下，為提高實驗教學質(zhì)量、提高實驗室建設和管理水平，根據(jù)中心在實驗室工作方面的具體情況，做出的重要改革措施之一。信息平臺的使用，結(jié)合無盤網(wǎng)絡技術在計算機實驗室的改造，為實驗室的全面開放提供了技術保障；為以項目實訓、任務驅(qū)動等一系列課程體系改革的推行提供了保障。不足之處就是，主動參與實驗室全面開放的師生還不夠普及，還有賴于學校相關政策的支持以及廣大師生的意識提高。

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