面向教學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)應(yīng)用研究

鐘健 潘威華

摘要：面向教學(xué)過程是實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)的重要應(yīng)用研究方向。文章致力于探索新一代信息技術(shù)下的面向教學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)。通過利用信息技術(shù)和架構(gòu)設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理的全面改進(jìn)和數(shù)字化。系統(tǒng)集成了在線實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)室資源預(yù)約、智能管理和綜合數(shù)據(jù)管理等功能，有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理中的存檔困難、開放式管理低效、實(shí)驗(yàn)室資源難管理以及數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)工作繁重等問題。該系統(tǒng)適用于傳統(tǒng)和在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提高了管理效率，促進(jìn)了教育教學(xué)的現(xiàn)代化發(fā)展。其實(shí)施將給教學(xué)管理部門、實(shí)驗(yàn)室管理部門以及師生帶來實(shí)質(zhì)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(guān)鍵詞：教學(xué)過程；實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理；實(shí)驗(yàn)報(bào)告；實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)室資源

中圖分類號：G424? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）07-0174-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

實(shí)驗(yàn)室教學(xué)是應(yīng)用型本科高校實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。隨著高校的快速發(fā)展和升級需求，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模日益擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)室的日常業(yè)務(wù)工作也變得繁重，對實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)管理工作提出了更高的要求。然而，調(diào)研顯示，大多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)、管理存在著一些問題，如紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告存檔難度大、開放管理困難、實(shí)驗(yàn)記錄和設(shè)備利用率等數(shù)據(jù)收集工作量大、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)困難等痛點(diǎn)。在信息大數(shù)據(jù)整合的背景下，各行各業(yè)的發(fā)展需要一流的技術(shù)資源和管理水平。實(shí)驗(yàn)室作為高校進(jìn)行教研活動和科研技術(shù)操作的重要場所，其管理能力直接影響高校在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平和學(xué)術(shù)等方面的管理水平。

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)的應(yīng)用推廣，融合新一代信息技術(shù)面向教學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)室管理模式能夠從根本上改變高校實(shí)驗(yàn)室管理的現(xiàn)狀。這一模式可以幫助實(shí)驗(yàn)室管理人員更快捷地展開管理工作，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室全過程管理機(jī)制，提升整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行效率。隨著實(shí)驗(yàn)室管理人員工作內(nèi)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(xué)過程的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行研究[1]。

1 研究意義與現(xiàn)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(shù)的面向教學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)應(yīng)用，通過信息技術(shù)的應(yīng)用，徹底革新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理方式。該系統(tǒng)集成了在線實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交與管理、數(shù)字實(shí)驗(yàn)教育指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)室預(yù)約及智能管理和全面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理功能，從根本上實(shí)現(xiàn)了管理流程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

系統(tǒng)的核心創(chuàng)新在于顯著簡化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理過程，有效解決了傳統(tǒng)模式下的多個(gè)痛點(diǎn)。例如，紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的存檔和管理難題得到了有效解決，實(shí)驗(yàn)室的開放管理變得更加高效，實(shí)驗(yàn)記錄和設(shè)備利用率的數(shù)據(jù)收集及統(tǒng)計(jì)工作量大幅減少。這些改進(jìn)預(yù)期將帶來顯著的管理效益，極大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理水平。

此外，該系統(tǒng)對現(xiàn)代線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性尤為顯著。它不僅支持傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，還能適應(yīng)不依賴于實(shí)際實(shí)驗(yàn)硬件的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，如程序設(shè)計(jì)和項(xiàng)目規(guī)劃等。系統(tǒng)支持學(xué)生提交和教師批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，有效地形成實(shí)驗(yàn)成績，提升了教學(xué)過程的效率和質(zhì)量。

該實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)不僅為教學(xué)管理部門和實(shí)驗(yàn)室管理部門提供了強(qiáng)大的工具，也為全校師生帶來了實(shí)質(zhì)性的益處。它標(biāo)志著教學(xué)管理向著更高效、智能化的方向邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，為未來的教育創(chuàng)新和發(fā)展鋪平了道路。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國外，教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。多數(shù)發(fā)達(dá)國家的高等教育機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始采用各種高級信息技術(shù)工具來優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的管理。例如，在美國和歐洲，許多大學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室管理的數(shù)字化和智能化，采用了包括在線實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交、電子考勤和實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)等。此外，一些機(jī)構(gòu)還集成了虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，允許學(xué)生在沒有物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

在國內(nèi)，基于新一代信息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用也正在蓬勃發(fā)展。隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，越來越多的高校開始重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的建設(shè)。這些系統(tǒng)通常包括在線報(bào)告提交、智能門禁和資源預(yù)約功能，極大地提高了實(shí)驗(yàn)室利用率和管理效率。

相比國外先進(jìn)水平，中國的一些高校在系統(tǒng)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(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能在很多國內(nèi)高校的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中尚未普及。此外，對于線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性也是國內(nèi)研究的重點(diǎn)之一，特別是在程序設(shè)計(jì)和項(xiàng)目規(guī)劃等非硬件依賴型實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

本研究采用了一體化系統(tǒng)建設(shè)的設(shè)計(jì)思路，旨在實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理的全面、全程、全員覆蓋。核心目標(biāo)是通過高度集成化的應(yīng)用設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)管理的系統(tǒng)化和自動化，提升整體工作效率和管理質(zhì)量。具體設(shè)計(jì)思路包括以下四點(diǎn)：

1） 系統(tǒng)一體化構(gòu)架。核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組件的無縫對接與協(xié)調(diào)運(yùn)作。為此，對門戶網(wǎng)站、實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)和調(diào)課管理系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組件的無縫對接和協(xié)調(diào)運(yùn)作，共享信息資源，從而確保系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性和工作效能的提升。

2） 信息資源共享與維護(hù)。注重功能與信息資源的綜合設(shè)計(jì)，旨在構(gòu)建一個(gè)既包含信息資源庫又涵蓋相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的共建共享體系，維持共享信息資源的持續(xù)更新和高使用價(jià)值，確保信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

3） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展性視角。堅(jiān)持以發(fā)展的視角出發(fā)，重視系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、可擴(kuò)展性和先進(jìn)性的平衡，確保系統(tǒng)能夠滿足當(dāng)前需求，也具備應(yīng)對未來挑戰(zhàn)和需求變化的能力。

4） 整合與教務(wù)管理系統(tǒng)的互操作性?？紤]與現(xiàn)有教務(wù)管理系統(tǒng)的互操作性，通過實(shí)現(xiàn)課表數(shù)據(jù)的共享，確保系統(tǒng)之間的信息同步，進(jìn)一步提高管理效率和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用三層模塊化設(shè)計(jì)，分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層。表示層是客戶和系統(tǒng)的接口，前端頁面負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)展示給用戶；業(yè)務(wù)邏輯層是在客戶端與數(shù)據(jù)庫之間的一個(gè)中間層，主要是后端的邏輯業(yè)務(wù)功能，負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)訪問和合法性校驗(yàn)等工作[2]，數(shù)據(jù)層是最底層，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫的交互，實(shí)現(xiàn)查詢、更新數(shù)據(jù)等功能。通常情況下，客戶端不直接與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，而是通過與中間層建立連接，再經(jīng)由中間層與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行請求交互[3]。如圖1所示，用戶通過客戶端經(jīng)由三層架構(gòu)訪問到和數(shù)據(jù)庫。

2.3 基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)

面向教學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)是學(xué)校實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室常規(guī)教學(xué)安排管理的信息化平臺。系統(tǒng)能夠依據(jù)實(shí)驗(yàn)室的資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)排課管理，在教務(wù)管理模式下為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理服務(wù)，完成教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)排課的管理功能。同時(shí)，結(jié)合教務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)與教務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和課表數(shù)據(jù)的同步，與教務(wù)課表聯(lián)合進(jìn)行沖突檢測，確保實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排的準(zhǔn)確性。用戶可以查詢實(shí)驗(yàn)室的基本信息和能夠開展的實(shí)驗(yàn)類型，獲取實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部配置信息[4]。系統(tǒng)具有的基礎(chǔ)功能模塊如圖2所示。

2.4 移動應(yīng)用功能模塊設(shè)計(jì)

高校實(shí)驗(yàn)室作為人才培養(yǎng)和科學(xué)研發(fā)的重要基地，隨著移動端時(shí)代的發(fā)展，用戶更習(xí)慣在移動端上對系統(tǒng)進(jìn)行操作。然而，目前常規(guī)的高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)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(tǒng)高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)存在的相關(guān)問題，該系統(tǒng)應(yīng)用研究也需要在智能移動終端上進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。

移動應(yīng)用平臺以微信公眾號或App形式實(shí)現(xiàn)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的“微門戶”，移動端數(shù)據(jù)與各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相通，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能移動辦公、審核、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)約、實(shí)驗(yàn)室安全檢查、在線學(xué)習(xí)與考試等功能。具體包括：

1） 信息發(fā)布。系統(tǒng)應(yīng)用提供學(xué)校實(shí)驗(yàn)室相關(guān)信息的發(fā)布展示功能，包括新聞動態(tài)發(fā)布、課表或開放實(shí)驗(yàn)發(fā)布、選課預(yù)約結(jié)果發(fā)布等信息。管理者、教師、學(xué)生及其他用戶均可通過公眾號或App查看學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)介紹、動態(tài)信息和新聞等內(nèi)容。

2） 通知推送。系統(tǒng)提供向全體關(guān)注者（包括領(lǐng)導(dǎo)、教師、學(xué)生）群發(fā)通知的功能。學(xué)?；?qū)嶒?yàn)室有重要通知、新聞時(shí)，可通過本功能將通知實(shí)時(shí)推送到全體用戶手中。該功能同時(shí)支持分組推送，可選擇特定的用戶組（老師、學(xué)生、未認(rèn)證用戶）單獨(dú)推送通知。

3） 身份綁定。系統(tǒng)提供用戶身份認(rèn)證和用戶微信號綁定功能。未認(rèn)證用戶使用本功能輸入自己的身份（老師或?qū)W生）、用戶名（職工編號或?qū)W生證號）和密碼，即可認(rèn)證自己的身份。系統(tǒng)將自動綁定當(dāng)前身份號和用戶的關(guān)系，成為認(rèn)證用戶。認(rèn)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(shí)驗(yàn)課程安排情況，也可以查看指定時(shí)間的實(shí)驗(yàn)課程安排情況。

5） 上課提醒。根據(jù)管理人員設(shè)置的提醒時(shí)間，通過消息推送的形式，向負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)課的老師和參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生提前發(fā)送實(shí)驗(yàn)提醒通知。通知的內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、地點(diǎn)等。本功能對教師和學(xué)生起到良好的提醒作用，有效減少學(xué)生因遺忘或記錯(cuò)實(shí)驗(yàn)室等原因造成的缺課、遲到現(xiàn)象。

6） 實(shí)驗(yàn)預(yù)約。用戶可以通過客戶端對自己感興趣的開放實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行預(yù)約、取消預(yù)約、變更預(yù)約等操作，也可以查詢各實(shí)驗(yàn)室開放的實(shí)驗(yàn)房間，在線預(yù)約和取消已預(yù)約的開放實(shí)驗(yàn)室。

7） 實(shí)驗(yàn)安全。高校實(shí)驗(yàn)室是大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新、開闊眼界的場所，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室存在不能及時(shí)反映實(shí)驗(yàn)設(shè)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(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)信息進(jìn)行識別，對實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行拍照上傳到服務(wù)器，對設(shè)備利用、損壞等情況進(jìn)行上報(bào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全巡查。同時(shí)還可以進(jìn)行在線學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)室安全知識考試。

3 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

3.1 身份認(rèn)證體系

本系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)采用了強(qiáng)化的身份認(rèn)證機(jī)制，以確保用戶身份的安全性和數(shù)據(jù)的保密性。用戶在登錄時(shí)需輸入系統(tǒng)分配的唯一用戶名和密碼。為了防范非授權(quán)訪問，系統(tǒng)設(shè)置了連續(xù)輸入錯(cuò)誤密碼的閾值。當(dāng)嘗試登錄次數(shù)超過此閾值時(shí)，系統(tǒng)將自動鎖定相關(guān)用戶賬戶，僅可通過系統(tǒng)管理員的授權(quán)進(jìn)行解鎖和密碼重置。這一機(jī)制不僅可以防止用戶名和密碼被盜用的風(fēng)險(xiǎn)，還可以有效監(jiān)控用戶的操作行為，以防止信息泄露和非授權(quán)訪問。

3.2 基于RBAC技術(shù)的授權(quán)管理

系統(tǒng)的授權(quán)管理基于角色訪問控制（RBAC，Role-Based Access Control） 技術(shù)。這種方法允許系統(tǒng)將用戶分配至其在組織結(jié)構(gòu)中對應(yīng)的角色，從而將用戶的功能權(quán)限限定在特定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。RBAC的實(shí)施顯著降低了授權(quán)管理的復(fù)雜性和管理成本，并為管理員提供了一種有效實(shí)施復(fù)雜安全策略的手段。

3.3 數(shù)據(jù)存儲安全

在“面向教學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)”中，確保數(shù)據(jù)存儲的安全性是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。本文的數(shù)據(jù)存儲安全策略涵蓋了數(shù)據(jù)庫加密、文件加密以及數(shù)據(jù)備份，以保障敏感信息的完整性和隱私。

1） 數(shù)據(jù)庫加密策略。對于存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，本研究采用了部分加密策略?；谛阅芘c安全性的權(quán)衡，選擇對關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如用戶信息、實(shí)驗(yàn)成績等）進(jìn)行加密。利用先進(jìn)的加密算法如AES（高級加密標(biāo)準(zhǔn)）或RSA（非對稱加密算法），對敏感信息進(jìn)行加密處理，從而確保數(shù)據(jù)在存儲和傳輸過程中的安全性。

2） 文件級加密機(jī)制。面向教學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)中有大量的數(shù)據(jù)以物理文件形式保存在文件服務(wù)器指定的文件夾中。對于存儲在文件服務(wù)器上的物理文件，考慮到數(shù)據(jù)的隱私和重要性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種可自定義配置的文件加密機(jī)制。該機(jī)制允許管理員根據(jù)需要對特定類型的文件進(jìn)行加密處理，例如實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課程資料等。這一設(shè)計(jì)在默認(rèn)狀態(tài)下不啟用加密，以避免對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響，但可以根據(jù)安全需求靈活開啟。

3） 數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)策略。數(shù)據(jù)備份是保障數(shù)據(jù)安全的重要手段，數(shù)據(jù)異地備份更是必不可少。為了進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性，本系統(tǒng)應(yīng)用研究的數(shù)據(jù)安全需要使用全面的數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)策略。此策略采用了基于MySQL Server的自動備份機(jī)制，該機(jī)制利用msSQL的維護(hù)計(jì)劃服務(wù)，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)每日自動備份至異地服務(wù)器。這種異地備份策略不僅增加了數(shù)據(jù)的冗余性，還確保了在面臨服務(wù)器或系統(tǒng)故障時(shí)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)能夠被迅速且完整地恢復(fù)。

4 總結(jié)

本研究基于面向教學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)應(yīng)用，該系統(tǒng)利用最新信息技術(shù)，針對面向教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。研究重點(diǎn)包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)和安全策略的探討。系統(tǒng)融合多元功能，包括在線實(shí)驗(yàn)報(bào)告處理、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)室資源預(yù)約等功能，旨在提升教學(xué)和管理的效率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的身份認(rèn)證機(jī)制、基于角色的訪問控制（RBAC） 技術(shù)、多種數(shù)據(jù)存儲安全策略，確保了系統(tǒng)隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)安全，更進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)室的安全性和能效。此外，系統(tǒng)的靈活性使其能夠適應(yīng)不同的教學(xué)環(huán)境，包括傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和在線遠(yuǎn)程教學(xué)。該系統(tǒng)不僅優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)室的日常管理，還為面向教學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的現(xiàn)代化提供了新的解決方案。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】