基于微信的高校实验室共享平台设计与实现——以浙江水利水电学院为例

雷 雯，李增芳

(浙江水利水电学院 工程实验实训中心，浙江 杭州 310018)

实验室是高等院校实践创新的场所和科技人才培养的基地，是高等教育理论指导的练兵场，在高等教育教学中起到了举足轻重的作用.随着教学、科研需求的不断发展，高校的学科种类持续增多，专业交叉特性也越来越显著.而部署在各个二级学院分站点上的有线网的实验管理信息化模式，所带来的实验资源重复配置和低利用率的问题尤为显著，已无法满足“大数据时代”飞速膨胀的实验设备及实验资源的统一管理，统一展示，统筹开放的需求.同时，根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》[1]，对我国科技基础设施的建设做出了明确部署，要求加强科技基础条件平台建设，建立共享机制，将实现科技资源共享列入国家科技创新体系基础建设的重要内容[2].因此，建立高等院校实验室开放共享机制成为必然的趋势.

同时，随着移动互联网的发展和移动设备的普及，“互联网+”影响了各个行业，基于移动设备的应用也在各个领域中广泛使用，移动互联网技术改变了人们的购物、出行等生活方式，同时给人们的工作方式带来了翻天覆地的变化.在此趋势下，基于有线网的实验室管理信息平台的便利性，信息发布的及时性都受到了极大地挑战.因此，引入移动互联网技术改善有线网实验室管理信息平台的弊端也成为一种必然的趋势.

截至2017年6月，我国互联网用户数达到7.51亿，其中移动互联网用户数为7.24亿，占比达96.3%[3].根据腾讯公司《2017微信用户&生态研究报告》[4]数据显示，截止到2016年12月微信全球共计8.89亿月活跃用户，而新兴的公众号平台拥有1000万个.微信公众平台作为信息服务的新型媒体，在信息需求的各个行业都有着广泛的应用.微信公众号平台在高校的教学管理中得到广泛的普及和应用，北京大学、北京航天航空大学等利用微信公众号来提高图书馆的用户服务水平[5]；华南理工大学利用微信公众号来实现教务服务和校园服务[6]；中山大学利用微信公众号来实现化学实验室管理[7]等.由此可见基于移动互联网的微信公众号平台上的开发已经成为高校实验室资源的开放共享和移动信息化新策略.

本文将通过调研浙江水利水电学院师生的实验室需求，探讨现有校内实验资源共享存在的问题，提出了实验室资源的学科式分类方法和新的实验室资源开放共享策略.最后通过运用微信公众号开发技术、移动互联网技术，搭建基于微信公众号平台的高校实验室公众平台，实现高校实验室开放共享和移动信息化的目的，提升高校实验室信息平台的便利性和及时性，提高实验室资源的利用率，降低实验资源的重复配置率.

1 实验室资源使用现状

对浙江水利水电学院现有校内实验资源进行摸底调研，发现校内实验资源分散，实验管理分布在二级学院及工程实验实训中心等不同部门，没有统一的平台提供校内实验资源的整体展示和统一管理[7-11]，出现平行的各学院不能有效共享实验室，资源利用程度不均衡等问题：

1.1 实验资源分散问题

实验室资源分散造成教师和学生对校内实验室资源状况了解有限，在进行实验室查询和申请使用时，需要分别在各个二级学院及工程实验实训中心网站上进行查找.当课程③需要使用实验室①时，需要进行全校内的实验室资源查找，由于缺乏全校内实验资源统一显示平台，进行二级站点的查找是相当繁琐和不方便，这就造成了实验室信息公开的局限性(见图1).

图1 实验室资源使用现状

1.2 学科交叉带来的实验资源重用问题

随着新工科的持续推广，学科交叉成为高校教学中显著的特征，交叉学科在教学实践活动中进行相同实验室的使用情况也越来越多，而这种按照实验室归属部门划分和管理状况，给实验室资源的统一规划和统一使用带来极大的不方便.在交叉学科情况下的实验资源现状图中(见图1)可以看到，当课程③寻找到资源匹配的实验室①而不能使用时，学院②就会重配资源实验室①’，这就造成了一定程度的实验资源浪费.

1.3 平台移动性问题

有线网带来的访问区域受限，信息反馈不及时，操作不便捷等问题，使得教师和学生对基于无线网的实验信息平台的诉求也越来越高.

2 基于学科式的实验资源共享策略

针对上一部分提到的校内现有实验信息管理的问题，结合校内实验室信息管理平台的主要使用者，包括授课教师、学生和实验室管理员的需求，分别进行分析，提出基于学科式的实验室资源共享策略.

2.1 实验资源整合

针对校内实验资源分散问题，为了提供统一的实验管理平台，方便教师进行查询和使用，实验信息平台首先应该满足实验信息整合功能.本文将全校的实验室资源统一规划为实验室资源池(见图2).

图2 学科交叉下实验室共享策略

2.2 实验室资源交叉使用

为了满足学科交叉带来的实验室使用需求，进行跨部门的实验室资源查询和使用申请，就要求校内实验资源的显示和管理不依托于归属部门，因此本文提供将校内全部实验资源统一在实验室资源池，再按照学科进行跨部门整合，实现相同或相似学科的实验室分类展示功能.基于学科式实验室分类方法见下文.在课程③需要使用实验室①时，可以直接从实验资源池中进行查找，并申请使用(见图2).基于学科式的实验室整合方式，降低了因为信息不平衡而造成的实验室资源重建的可能，同时为实验室的重用提供了有效途径.

2.3 平台移动性

改善有线网访问不便，信息发布不及时，访问受限等问题，本文提出基于移动网的实验室资源信息平台，管理员进行排课信息的发布，实验室状态更新等信息及时通知到任课老师，教师对校内资源的访问不再受限于VPN，可以及时进行实验资源的查询.移动性更好地支撑和推动了学科式实验资源共享的应用.

3 基于学科式的实验资源分类模型

我国高校中普遍采用的实验室分类方法主要有以下几种：根据实验室的归属层次可以分为国家级实验室、省级实验室、校级实验室；根据实验室的服务面向可以分为教学型实验室、科研型实验室、综合服务型实验室；根据学科性质可以分为基础实验室、专业基础实验室、专业实验室等[12].不同的分类方法有着不同的适用范围和管理方式.

本文针对共享策略中关于实验室资源交叉使用情况下，需要通过实验室的分类来提高平台显示的直观性和用户使用的便捷性，使得实验室分类能够解决用户在学科交叉情况下的实验室资源的交叉使用的问题.这种分类方法是针对学科相关性进行实验室分类，相同或相近学科的进行归类显示，打破实验室按照归属部门划分的限制；同时在交叉学科需要不同实验室的情况下，也可以按照学科进行实验室复用，这就提高了实验资源的利用率，减少了学校内部同一性质的实验室重复配置.

具体来说，根据学科式分类方法，将校内实验室分为：(1)开放性实验室，是打破原有的传统实验室封闭状态，实验室在承担常规教学任务的同时，利用现有师资、仪器设备、环境条件等资源，面向在校大学生、研究生开放使用[13]；(2)通用平台实验室，如通用计算机中心，电工电子实验室等，该类实验室通用性高，学科交叉重复利用性强，与校内多个专业学科相关，可以提供不同学院内不同专业内的相同学科实验教学.这类实验室存在共同学科内的普适性，可以支撑相对广泛的学科实验室教学，可以提高实验资源的利用率，减少实验资源的重复配置，将这类学科相关的专业性实验室统称为通用平台实验室；(3)专业实验室，如水利环境实验室，土木实验室，汽车综合实训实验室等，实验室内有专门的仪器设备提供针对本学科的实验教学正常开展，该类实验室的专业针对性强，重利用度低.将实验室按照学科式分类展示之后，便于教师和学生的查询和使用.

学科式分类方法的具体框架(见图3)，将全校实验室资源按照学科式分类方法进行划分和现实.特别说明，校内有40多个开放性实验室，图中只举例罗列了4项.

图3 学科式实验室分类

4 基于微信的高校实验室共享平台实现

根据学科式分类进行微信实验共享平台的系统设计和实现.平台针对用户教师和学生开放实验室查询功能，针对实验室管理员开放实验室管理和实验室排课功能.微信实验室共享平台的系统框架(见图4)，一级目录显示学科式分类的三个大分类类别：开放性实验室，通用实验室和专业实验室；二级目录分别显示每个分类下功能：实验室查询，实验室管理和实验室排课.该架构将全校实验室进行统一显示，能够更加清楚的区分实验室的学科种类，并提供教师和学生针对学科性需求的实验室资源的查询.

图4 系统框架

4.1 关键技术

4.1.1 实验资源展示

在实验室查询标签页中，显示每个实验室的详细信息，其中包括实验室的归属部门，实验室所在的位置，实验室内的仪器设备具体型号，实验室所针对的学科方向，实验室管理员及其联系方式.在实验室管理标签页中，显示每个实验室的仪器设备具体信息，维护更新信息，系统版本，仪器型号内容等便于管理员登记记录的实验室信息.在实验室排课标签页中，显示每个实验室的排课信息及空余时间信息.将校内几十个不同专业类别的实验室进行归类显示在实验室查询子目录，实验室查询子目录包含每个实验室的具体资源信息，实验室能够支撑的学科内容等；实验室管理子目录包含实验室归属部门信息，实验室管理员信息等，这些内容提供教师和学生进行需求实验室的联系方式；实验室排课子目录包含不同实验室的排课信息，这些信息提供教师和学生进行实验室可用时间段的自主选择.

4.1.2 实验课表查询

实验课表查询基于新浪SAE(sina app engine)云技术[14].

(1)将微信用户的openID与教务系统的userID绑定，实现微信用户与教务系统用户绑定，进而实现微信端登录教务系统及课表查询等功能.

(2)用户登录以后进入课表查询微信端页面，点击实验课表查询后，页面发送POST请求给SAE端的PHP服务器.位于SAE上的PHP服务器接收到来自该页面的POST请求，获取其携带的数据(教务系统账号、密码等)，采用CURL技术登录学校的教务系统，向教务系统提交实验课表查询请求.

(3)利用SIMPLE_HTML_DOM技术对SAE查询返回的HTML页面进行解析，获取实验课表数据.实验课表查询基本原理(见图5).

图5 实验课表查询技术框架

4.1.3 基于遗传算法的实验排课算法

排课问题主要解决的是如何为所有实验课程(包括教师、学生)安排合适的时间段和实验室，使课程不产生冲突.遗传算法的随机搜索性、快速性、全局收敛性在解决排课问题时有着优秀的表现，在高校排课系统中有着较为广泛的应用.[15-18]基于遗传算法的排课系统基本流程描述(见图6).

图6 基于遗传算法的排课系统

(1)染色体编码.定义基本实验课程单元，含有教师、实验室、上课班级、实验课程、周学时及特殊要求等信息.具体编码设定描述为：设置25位，依次为0～4位表示教师编号，5～9位表示实验室编号，10～13表示上课班级编号，14～19表示时刻课程编号，20位表示周学时，21～24表示排课特殊需求.

(2)种群初始化.使用随机哈希函数，将染色体映射到某一排课时间段上，若存在哈希冲突，则再次调用随机哈希进行映射，直到所有染色体均被映射.

(3)冲突检测/消除.算法主要考虑硬冲突，包括：同一教师不能同时出现在两间教室、同一班级只能去一间教室上一堂课、一间教室不能供两个老师同时上课等.算法执行中，首先读取表格中第一个数据项(染色体编码中前5位，教师编号)；接着，与该列下一行的数据项进行对比判断，如果完全相同，则记录下该行位置，并读取这一行中其他列的数据，若不同则互换这两个数据；循环操作，直到每行数据项各不相同为止；循环操作，直到每列数据项各不相同为止.该方法通过搜索，确定冲突产生的位置，再采用变异操作达到冲突消除.

(4)适应度计算.定义适应度：F=∑fi×ωi

其中：fi—量化描述；ωi—对应的权重.

f1—周课时超过4的课程，上课时间分散；

f2—实验课程安排尽量集中，但单日不能超过6课时；

f3—学生周内实验课程尽量分散；

f4—课程重要性与上机时间段尽量挂钩.

(5)选择、交叉、变异.选择算子采用轮盘法，轮盘区域的大小与适应度成正比，以保证更优的排课方案被选中的概率更大.交叉算子使用随机函数确定需要进行交叉操作的位置，并从优势种群中随机选择两个父个体，交叉产生子代.变异算子使用简单的对给定区间的反转逆序操作.交叉率pc=0.7，变异率pm=0.05，同时为保证算法稳定收敛，设置演化迭代次数r=1 000.

4.1.4 基于关联规则挖掘的学生上机行为分析

类似于“购物篮”分析，文章通过对上机学生的行为挖掘，基于Apriori算法产生关联规则[19]，发现学生的相关兴趣爱好，对学校的课程设置及相关的就业指导工作提供一定的决策支持.模型描述如下：

事务：i1专业,i2年级,i3性别，在i4实验室，做了i5实验.

项集：I={i1,i2,i3,i4,i5}

目标：产生诸如“i1专业→做了i5实验”,“i3性别→在i4实验室”等规则.

算法描述：首先找出频繁1-项集的集合，记为L1；再用L1找频繁2-项集的集合L2；再用L2找L3…如此下去，直到不能找到频繁k-项集为止.其中，由Lk-1到Lk需要连接与剪枝两步完成.

(1)连接

通过Lk-1与自己连接，产生一个候选k-项集的集合，该候选项集的集合记作Ck.设l1和l2是Lk-1中的项集，li[j]表示li的第j项.Lk-1是可连接的，当且仅当它们的前k-2项相同，即：

l1[1]=l2[1]∩…∩l1[k-2]=
l2[k-2]∩l1[k-1]

(1)

(2)剪枝

由于任何非频繁的(k-1)-项集都不可能是频繁k-项集的子集，可以利用该性质对Ck进行压缩.因此，若一个候选k-项集的(k-1)-项子集不在Lk-1中，则该候选也不可能是频繁的，从而可以从Ck中删除.

得到频繁项集后，对于每一个频繁项集l，产生l的所有非空子集；对于l的每个非空子集s，若有：

(2)

则产生关联规则：s⟹(l-s)，其中min_conf表示最小置信度阈值.关联规则是诸如“i1专业→做了i5实验”,“i3性别→在i4实验室”形式的推理，可对学校的课程设置及相关的就业指导工作提供决策支持.

4.2 系统实现

基于微信的高校实验室共享平台的开发参考腾讯公司的流程进行.

(1)申请高校实验室平台微信公众号

进入微信官方网站：http://mp.weixin.qq.com/，按照页面中的导航和提示进行实验室平台的微信号注册.在微信公众号注册的网页中，有四种类型可以选择，针对具有信息发布与传播能力适合个人及媒体注册的订阅号；针对具有用户管理与提供业务服务能力适合企业及组织注册的服务号；可以被便捷的获取与传播适合由服务内容的企业和组织注册的小程序；以及具有实现企业内部沟通与协同管理的能力适合企业客户注册的企业微信.因为只作为校内的实验室资源平台，所以选择了订阅号类型.[20-22]

(2)系统设计和实施

微信公众号平台开发提供了强大的可视化编程工具，利用可视化编程工具搭建高校实验室共享平台.在微信公众平台的后台功能中，选择自定义菜单，进行菜单编辑模式.在“菜单管理”下搭建开放实验、通用实验和专业实验三个菜单，然后再这三个一级菜单下创建相应的二级菜单.创建好二级目录后，点击相应的目录，可以对每个二级目录的内容进行编辑.高校实验室共享平台实现效果(见图7).

图7 实验共享平台实现

5 系统特点

5.1 实验资源整合化

本平台将分布在各二级学院及工程实验实训中心的实验资源进行整合，用户可以在该平台上查询所有校内实验室资源，可以快速掌握校内实验资源情况，并了解实验资源的配置信息和申请使用信息.用户能够便捷地寻找和匹配本课程所需的实验资源并进行使用申请，从而提高了实验资源的利用率，降低了实验资源重复配置的可能.

5.2 实验资源开放共享化

本平台通过建立学科式实验室分类架构，提出了相同或者相近学科进行实验室共用的策略，从而打破实验室归属部门限制，使得实验资源在校内得到有效的流通，校内教师均可通过本平台进行学科匹配的实验室查询及使用申请.

5.3 显示移动便捷化

本平台突破了有线网限制，移动化的显示和服务使得用户的查询更加便捷.本平台的使用不再受限于校内网的使用，特别是在校外VPN不方便的环境下也提供了用户查询和申请校内实验室的途径.

5.4 平台可扩展性

本平台针对微信公众号编程，对于系统扩展性功能支持强大，在系统有需求更新和功能提升时兼容性强，方便实现，代价小.

6 结 语

本文通过调研高校师生对实验资源的需求，探讨了现有高校内实验资源共享存在的问题，提出一种新的实验资源学科式分类方法.本文通过搭建基于移动设备的微信实验共享平台，实现了实验资源学科式分类显示，达到了实验资源统一规划管理及开放共享的目的，提高了实验资源的利用率，降低了实验资源的重复配置率.同时，该平台基于移动设备的微信平台实现方法，具有及时性、广泛性和便捷性等特性，是实验资源信息化平台移动化发展的新趋势，在技术手段上进一步促进了实验资源的开放共享.本文从平台和技术手段上提供实验室共享支持，二级学院之间实验室使用的费用问题和沟通问题不在本文讨论之列.同时，现阶段只提供了实验室资源的整合显示，下一步工作将进一步完善平台功能，进行教师实验室自助预约功能的实现.

参考文献：

[1] 国务院.2006—2020年国家中长期科学和技术发展规划刚要[EB/OL].[2006-02-09].http://www.most.gov.cn/mostinfo/xinxifenlei/gjkjgh/200811/t20081129_65774.htm.

[2] 何晋浙，徐静波.高校实验室资源共性机制的探索与研究[J].实验室科学,2010,13(6)：132-135.

[3] 中国互联网络信息中心(CNNIC).中国互联网络发展状况统计报告[R].北京：中国互联网络信息中心，2017.

[4] 腾讯公司.2017微信用户&生态研究报告[R/OL].[2017-04-24].http://tech.qq.com/a/20170424/004233.htm#p=1.

[5] 陈雨雪.“985”高校图书馆微信服务平台使用现状调查与分析[J].图书馆学研究,2014(16):88-93.

[6] 郑永芹.基于微信公众平台的教务系统开发[D].广州：华南理工大学，2015.

[7] 赖 瑢,郑赛利,王 周，等.利用微信公众平台加强基础化学实验室管理的探索和实践[J].大学化学,2017,32(3)：43-48.

[8] 乐文海，陆海清，杨 君，等.发电站自动化控制系统在G20微电网中的应用[J].浙江电力，2017，36(6):8-11.

[9] 汪辉进.无线传感器网络数据隐私保护技术探讨[J].浙江水利水电学院学报,2017,29(1):72-76.

[10] 高伟中,李玉龙,刘月馨,等.远程资产管理系统架构解析[J].浙江水利水电学院学报,2017,29(1):77-82.

[11] 李 洋.高校实验室协同创新平台共建与共享刍议[J].实验室研究与探索,2014，11(33):297-300.

[12] 李宪武.实验室分类管理的探索与实践[J].中国现代教育装备,2016(3):16-19.

[13] 王法玉,张 桦.基于web与短信结合的实验室开放管理系统设计与实现[J].实验技术与管理,2011,28(1)：104-107.

[14] 邹成伍，吴剑芳，吕几凡，等.基于图像识别的数字多用表自动化检定系统关键技术及实现[J].浙江电力，2017，36(4):14-17

[15] 伍燕青.基于云计算的实验室管理信息系统设计[J].实验室研究与探索,2013,32(8):291-296.

[16] 王帮海,李振坤.基于贪婪算法的自动排课表系统的研究与实现[J].计算机工程与设计,2008(18):4843-4846.

[17] 金民锁.基于遗传算法的实验室排课系统设计与实现[J].实验室研究与探索,2010,29(3):66-69.

[18] 吴 亮，张 潮，陈 琼.用电信息系统运行数据的统计与分析[J].浙江电力，2017，36(4):56-59.

[14] 张建安,杨学俊,吴文一.基于关联规则算法的排课系统设计与实现[J].计算机应用技术,2010,33(2):60-64.

[20] 张凤翱，李国平.基于载波通信技术的低压配电网设备自动化识别系统[J].浙江电力，2017，36(4):60-63.

[21] 黄勇东，陈冬沣，肖建华，等.基于小波包分解和改进差分算法的神经网络短期风速预测方法[J].浙江电力，2017，36(6):1-7.

[22] 郑 丰.基于微信的高校实验室管理系统的设计与实现[J].教育教学论坛,2016(9):238-239.