基于二维码和新媒体的实验室预约签到与精细化管理

2015-12-23罗咏梅金志刚

实验室研究与探索 2015年9期

罗咏梅，金志刚

(天津大学a. 计算机科学与技术学院;b. 电子信息工程学院，天津300072)

0 引言

近年来，随着高校质量工程的深化和工科学生对实践能力需求的提高，各高校不断地探究新的培养学生工程实践能力和创新能力的方法和模式。开放实验室逐渐成为培养学生实践创新能力的重要平台［1］。开放型实验室使学生可以自主地到实验室进行实验研究和探索性学习，有利于发挥学生做实验的积极性、主动性，也有利于激发学生的思维，引发他们创造的欲望［2］。另一方面，开放实验室也为实验室管理人员、管理机构带来了技术、管理和资源方面的新问题和挑战。

开放型实验室建设是一个系统工程，实验室开放不仅是时间、空间的简单开放，也不仅是教学内容和仪器设备的简单开放［3］。开放实验室需要有精细化、信息化、智能化的高效管理机制和手段，有效利用资源为学生提供服务。在为实验室开放提供必备经费，设备和指导教师的保障前提之下，探索基于新媒体和物联网的开放实验室管理新机制，设计开放实验室管理系统是至关重要的。通过设备二维码、学生签到和门禁、视频监控等系统融合的一体化的智能管理系统可以大大提高教学资源和设备的利用率，保障高校实验室开放管理的顺利运行［4］。

1 开放实验室管理中的突出问题

1.1 师生无法及时获得实验室开放的信息

目前高校实验室一般采用课程实验预约和开放时段自主预约实验室工位的网上预约管理方式［5］。由于网上系统信息需要人工更新，一般也缺乏具体设备的实时使用信息，导致学生和教师无法方便地获得实验室的具体开放状态和空余(设备)资源情况。以天津大学为例，2015 年进入双校区运行状态后，此问题将变得更加突出。例如，学生成功预约某实验室一个工位，但是由于学生从卫津路校区赶赴津南校区路上堵车延误了实验时间，不得不重新约后面时段。使得他原定预约的实验室空间及设备白白闲置。同样的，教师也将会面临这样的问题，从而影响设备资源的利用率。对于实验室教师来说，传统的管理方式，仅仅通过门禁等系统粗略了解进入实验室的学生数量，缺乏对具体使用设备的管理信息，因此无法实时更新设备使用情况，也无法调整实验室的资源安排。

1.2 能源和环境等资源管理粗放、浪费严重

实验室开放必然会加大实验室的人员、电力、能源和设备开支。如果仍然采用非精细到具体设备的管理机制，不考虑支撑环境的消耗的粗放型开放，就会导致开放成本大大提升，空调、网络设备、照明、视频监控等设备带电运行，不仅造成资源浪费，更没有达到提高学生实践能力的培养目标［1］。以当前周一至周日全开放的某大学计算机实验教学中心平台实验室为例:该实验室有2 层，使用面积300 余m2，采用了集中空调系统。从开放几年的具体使用情况看，周末或者晚上来实验室做实验的学生很少。但是仍然需要实验室同时开启几十个无线网络接入点等网络设备、大量的中央空调和视频监控等辅助设备，并且安排实验人员长期值班，这带来了不必要的能源消耗和人员经费开支。这样的粗放型实验室资源开放情况对于建设绿色校园、实现节能减排是非常不利的［6］。

学院或者资产部门基本上只是按照实验学生人数、经费情况来配置实验室面积、设备数量和支持资源等。统计的实验时数等是实验室人员手工填写的，缺乏客观依据。通过对设备级的资源使用的监测和信息化统计，将大大提高实验室管理的精细化水平，为实验室规划、投资效益分析等提供客观、翔实的数据基础。

2 精细化开放管理新机制

针对以上学生需求管理和实验室设备与资源以及人员管理粗放的问题，论文提出通过将二维码配置到每台具体实验设备(包括辅助设备)，学生通过新媒体(微信、微博)详细对实验资源进行预约和签到的精细化实验资源管理机制，合理配置实验设备资源，及时对信息收集和发布的新的开放实验室管理机制［7］。为了支持新开放机制，研发通过微博等新媒体预约实验来获得实验设备及网络等资源使用许可的认证的管理系统、研发基于二维码的实验室设备使用签到和资源管理系统;研发及时发布实验室精细化使用情况的新媒体交互系统［8］。新的精细化管理机制分成两部分，具体内容如下所述。

2.1 学生需求的精细化和预约与签到机制

为了实现精细化的开放实验室管理，一个重要的机制就是对学生实验需求的精细化和对每一个学生具体使用的实验资源进行实时信息采集的机制。只有将学生个体的实验需求精确地预约到具体的设备类型和数量、需要的指导人员、配套支撑设备(资源)，才能按照具体需求确定是否满足学生需要。另一方面，学生按照预约来使用实验资源时，进行实时的签到和资源占用的统计，才能为进一步满足学生新的实验预约和准确的设备工作情况、设备完好率、设备利用率以及实验室开放效益进行统计和分析。

目前实验室管理采集的学生实验需求信息比较单一化，往往只是简单的何时使用实验室的时间信息，一般没有学生需要的设备类型、数量等具体信息。而且一般的实验室管理系统没有对学生是否按时来使用提前预约的时段进行确认和信誉管理，也没有对实际来进行实验的学生的具体设备使用情况进行实时的采集与统计。这就导致了上面提到的学生无法及时获得实验室开放的具体信息，实验室也无法详细了解学生具体需要以及设备具体利用情况［9］。

新机制将学生的实验室使用需求细化为:使用时间、使用的设备、使用的实验室支撑资源(网络、空调、其他辅助设备等)、需要指导人员、使用的优先级等。其中使用时间就是计划开始使用实验室的时刻和时间长度;使用的设备是指进行实验的主要设备;支撑资源是为了进行该实验需要的辅助设备和支撑环境;指导人员指是否需要特定的老师指导实验过程;使用的优先级由新机制自动生成。

学生使用的优先级主要依据的因素包括:学生的预约信誉(即以往预约的正确性、按时使用实验室的概率);实验室空闲设备的匹配率;实验室支撑资源的利用率等。

如果某同学预约信誉高、空闲设备和他的需要匹配，并且对实验室辅助资源的占用少，他的使用优先级就比较高，可以有效预约到实验室开放时间段;反之，预约信誉低、使用的设备不空闲、占用的辅助资源多的预约的优先级低。

学生的签到机制分为两部分:一部分是实验室到达的签到，可以采用门禁系统信息，也可以在实验室门口增加二维码，学生通过手机扫码签到［10］。另一部分是对具体设备的签到:将每个设备黏贴或者显示二维码，学生到达实验室后，进一步在使用的设备上通过手机签到，这样就可以实时统计到设备的使用情况了。

2.2 基于二维码的设备监测和管理机制

以往实验室只是通过门禁系统来对学生是否进入实验室进行管理;通过视频监控系统来粗略地观察实验室是否有学生和是否安全。将新媒体预约与实验室签到系统和门禁系统结合，实现对学生是否按时使用预约资源的监测和统计，并且为上面的学生信誉机制提供签到数据。

将计算机类设备的登录系统增加二维码，学生即可在具体设备上签到，和下面的能耗等传感器配合，可以获得准确的使用状态信息和进行精细化设备使用率、完好率等统计，避免了后期的人工操作，并且提高了统计监测的实时性。

将空调、网络系统、视频监控系统和高耗能的实验设备分别增加具有网络接口的能耗传感器，即可实时获得设备的能耗信息。通过非侵入式负荷分解与识别技术还可以进一步分析设备的工作状况(空闲、低负荷、高负荷)。

将实时获得的设备能耗等信息进行分析，并且和学生签到以及设备利用率管理系统配合，就得到了实时的开放效益评价。根据实验室开放规则，依据设备、辅助资源的利用率和能耗等情况，来确定是否接收学生的个性化实验室预约。

该机制有效响应学生需求，高效利用实验室资源，减少实验室支撑环境和人力的浪费，促进节能减排，并且提高管理的效率和实时性。

3 设备签到和精细化管理系统

为了实现新开放管理机制，需要设计和实现设备级的精细化学生签到与设备使用管理系统。论文设计和实现了基于二维码的设备签到和精细化使用情况管理系统。智能移动终端的广泛应用，使我们的工作生活越来越便捷，以前只能想不能做的事现在能做到了，许多繁琐的事现在变得简单起来。二维码签到移动客户端和精细化设备管理系统可以很好地解决上述问题，使得原有的设备和实验室管理系统重新焕发了青春，并且能够得以充分利用。同时，通过扫描每个实验设备上的二维条形码读入学生使用的实时信息，省去了大量的登记录入时间，也极大地提升了效率［11］。设备和学生管理的智能化、简便化，提高了实验室开放的效率，减少了劳动力和繁琐的信息录入工作［12］。

学生签到是学生使用开放实验室的必要流程，通过二维码扫码、设备级签到、实验室后台统计等手段，对学生使用开放实验室资源的过程进行准确的管理。由于每个学校实验室开放流程有所不同下面以天津大学某学院为例。随着新校区的建设，该学院2015 年起在相距20 多km 的2 个校区内设有开放实验室，学生也分布在2 个校区。如果仍然使用传统的PC 机作为学生预约和管理的客户端将非常不方便。

设计的移动客户端与设备管理系统主要包括两大功能:一是移动智能终端扫描实验室入口以及扫码具体设备，并且进行签到的功能。二是移动客户端设备管理服务器的连接功能。通过统一定义的XML 文件将设备的使用情况，学生的预约情况传送后台数据库统一管理。

3.1 二维条形码的原理与特征

条码技术是按照特定编码规则把宽度不同的许多黑条及空白进行排列，以用来表示特定信息的标识符，这也就是我们通常所说的一维条形码。然而一维条码所能表示的最大的资料长度是15 个字元，适合存放key，即关键索引值，不能进行产品描述，产生了很大的局限性。除此之外，一维条码还有一个非常明显的缺点，即在它的垂直方向不能携带任何信息，因此资料密度值偏低［13］。

为了在固定面积上表示出尽可能多的信息，二维条形码应运而生。它是按照某种特定的规律，它是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向)上分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。与一维条形码相比，二维条形码可以从横纵两个方向上同时表示资料信息，有效地弥补了一维条形码的缺陷［14］。

随着智能手机终端的发展，目前主流的Android，IOS 等平台都比较好地支持二维码的扫码与相关应用的开发。因此，本系统采用二维码来附加到实验室入口和具体设备上，实现学生的签到和设备使用信息统计［14］。

考虑到系统的使用方便性与兼容性，我们采用了QR Code 二维码。QR Code 二维条形码是一个正方形矩阵列，它是由正方形的模块组成的。QR Code 二维条形码的组成包括编码区域及功能图形，见图1。其中功能图形中包括校正图形、位置探测图形、分割符、定位图形等，周围是条码的空白区域。位置探测图形也称寻像图形，是由3 个形状相同的图形组成，分别在条形码的右上角、左上角以及左下角。形似同心的两个大小不等的正方形。

3.2 学生签到和预约步骤

3.2.1 实验室入口签到

学生可以在实验室的一个或者多个入口，通过门禁或者扫描二维码签到［2］。门禁或手机终端扫描信息都记录到学生签到服务器，并且用来计算学生预约的信誉值。信誉值的初始值为100，变化区间是最大值为200，最小值为0。

图1 二维码主要功能区

如果学生在预约时间的上下10 min 内签到，记为一次A 类预约，下次的信誉值增加20。

如果学生在预约时间的上下10 min 至半小时内签到，记为一次B 类预约，下次信誉值增加10。

如果学生在预约时间上下0.5 ～1.0 h 内签到，记为C 类预约，下次信誉值不变。

如果学生1 h 内未签到，或者签到时间超过上下1小时，下次信誉值减少10。

如果学生2 h 内未签到，下次信誉值减少20。

下面举例说明:最守时的学生下次的信誉值提高到120，未签到的学生信誉值下降到80。再经过同样一轮变化，最守时的学生信誉值提高到140，未签到学生信誉下降到60。高峰时段的预约，系统会将学生的信誉值由高到低排序，实验设备优先预约给信誉高的学生，相同信誉值的学生以预约时间靠前的优先预约，信誉低的学生只能预约其它时段，或者通过提高自己的信誉值来保证以后的实验预约成功率。

引入信誉机制，可以使学生自觉守时履约，从而可以避免出现实验室管理员按学生实验类型要求准备好相关实验设备及耗材，而学生没来做实验。实验管理人员疲于更换设备，整理材料的重复性工作可以减少。

3.2.2 学生在具体设备上签到

学生在实验室入口进行签到，并且计算了预约的信誉值以后，为了精细化管理还需要在使用的设备上签到。

我们将设备级的签到分成两类。一类是逐个设备签到，学生需要把使用的每个设备的二维码都扫描一遍。这类签到适合学生做设备需求单一的实验，或者是偶然性、非持续性的实验预约。因为每次的设备组合、数量等都不同。

另外一类是相对长期的预约中的设备签到，例如创新计划训练或者课程设计，每个学生多次使用的设备是固定的组合。例如计算机网络实验，学生使用PC机一台、路由器三台、交换机两台。我们在计算机上或者试验台设置一个组合二维码，学生仅需要对该码扫描，就可以对上面六台设备统一签到。

图2 签到与管理流程

3.2.3 设备使用实时统计和新预约接收

通过门禁后台系统和二维码签到的后台系统，我们可以获得实时的学生数量，学生使用的具体设备信息，并且和预先绘制的设备、位置图配合，还可以得到具体工位的设备利用率情况，设备完好率统计等。和传统的工位分配预约管理相比较，基于设备的签到，更能使教师和学生清晰了解某个具体设备的使用状态，可以在开放时段，随时预约并赶赴实验室做实验。预约的有效性使学生更积极主动参与创新实践活动。同时也可以更好支持小型设备仪器全院教师共享机制，可以简化设备借出归还手续，使设备管理员对设备实现高效的智能的管理，发挥设备资源的最大功效［15-16］。

在此基础上，系统将分析剩余实验室和设备资源，根据后续的学生预约情况，确定是否接受新预约申请。整体的签到与管理系统流程见图2。

4 后台XML 数据接口

4.1 XML 标准化接口

为了对不同类型实验室和不同的设备以及预约需求进行描述，我们采用XML 来对预约信息，设备使用信息，签到信息，实验室开放信息进行统一描述。并且在移动终端采用Android SDK 来产生和传输相应的XML 数据。

本系统采用DOM 的方法读取XML 文档。首先加载XML 文档(Document)，然后获取文档的根结点(Element)，然后获取根结点中所有子节点的列表(NodeList)，然后使用再获取子节点列表中的需要读取的结点。

4.2 读取XML 文件的关键代码实例

5 结语

通过对实验室开放需求和管理机制以及管理系统的分析，论文指出了目前粗放式管理的主要问题。针对学生预约信息不够明确，实验室使用信息更新不及时，资源利用率低等问题，提出了采用新媒体进行实验资源的精确预约;通过二维码进行设备级签到的管理新机制，并且设计了学生预约的信誉机制和相应的管理系统。该系统不仅可以使师生和实验室管理者实时了解实验室设备资源开放使用情况，还可以引导学生有效预约实验室开放平台，提高了预约和实验室管理的精细化和信息化水平，大大减少了实验人员的工作量，提高了实验室开放水平。学生可以通过自主设计实验内容、实验方法和过程，参加各种学科竞赛和科技创新活动，提高学生分析问题、解决问题的能力，培养创新意识和创新能力，促进了学生的个性化发展。开放型实验室从而真正成为一个提高学生创新能力和综合素质的主要平台。

［1］杜文辽.面向“卓越工程师计划”开放实验室建设探索［J］.实验科学与管理，2014(11):218-221.

［2］韩响玲.以实践创新能力培养为核心全面推进实验室面向本科生开放［J］. 实验技术与管理，2013:30(2):10-13.

［3］邢丽波.实验室开放与管理［J］. 实验室研究与探索，2014(9):252-255 .

［4］吴文华.智能实验室管理系统下的实验室开放管理［J］. 实验技术与管理，2011，28(2):172-176.

［5］明艳.实验室开放预约信息管理系统的开发与实践［J］. 数字通信，2014(10):91-95.

［6］黄绍斌，李清源. 地方高校实验仪器设备管理的现状和对策［J］.实验室研究与探索，2010，29(10):381-383.

［7］韩江. 二维码技术在高校信息管理系统中的应用［J］. 数字技术与应用，2014:106.

［8］袁晓平.基于物联网技术的实验室设备管理系统［D］. 西北师范大学的硕士论文，2013.

［9］邓嘉明.手机二维码技术优化地方高校设备管理的研究［J］. 实验室研究与探索，2012(8):405-407.

［10］徐玲，蒋欣志，张杰.手机二维码识别系统的设计与实现［J］计算机应用，2012，32(5):1474-1476.

［11］张云峰.完善信息网络化建设发挥实验教学示范中心辐射作用［J］.石油教育，2012(6):90-91.

［12］吴丹.基于手机二维码的高校实验室设备管理模式探讨［J］.科教文汇，2014(7):77-81.