面向个性化定制的实验室管理系统

2018-05-21段颖昕劳铭辉

实验室研究与探索 2018年4期

袁钢，段颖昕，劳铭辉

(中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083)

0 引言

随着高校实验室建设规模的不断扩大和执行功能的复杂化，在常规实验教学、开放实验室、创新实践基地、竞赛培训等产学研多种模式并存的教学体系需求，以及由院、实验中心协同实行统一的管理机制下，实验中心在承担日常实验教学任务的同时，为满足不同用户个性化发展的需要，提高各类用户的实际动手能力和理论水平，需要灵活配置各种类型的实验室，增加选择性、设计性、综合性和创新性的实验内容，这就要求为实验室管理人员和师生等用户提供更好的技术支撑、便捷的服务以及高效的管理模式[1]。随着使用实验室的人数增加，从受教育的学生、教师和管理人员来说，都不再满足于传统的实验信息系统管理模式，因此，为了有效地提高实验教学和管理工作效率，需要构建多功能、多模式、为用户提供个性化服务定制的管理系统。提高实验平台资源的利用率，一些高校对实验室综合管理系统的设计和架构[2-4]进行了优化和改进。如今，越来越多的实验采用开放创新的教学模式，通过结合Web、物联网[5]、视频监控等技术对实验室的安全，以及时间和资源的合理配置等方面进行了网络化的动态管理[6-7]。考虑到对可扩展、可配置共享服务资源的灵活管理，在业务流程的优化[3,8-9]、云服务模式[8]等方面进行了研究，为个性化指导和学习环境[10]提供了便利条件，提高了实验教学和管理效果。

然而，随着用户和实验室规模扩充、设备和教学资源整合后数量增大、系统功能增强，将会导致信息过载、系统复杂度过高、不同来源的数据冲突等问题，使得用户很难找到自己想要的信息[11]，为了更好地实现对用户需求的柔性管理[12]，还需要考虑不同角色[9]用户的个性化资源服务的定制[13]。因此，为了提高实验教学质量，实现对实验室的规范化、流程化和信息化灵活管理，实验室管理系统需要具备一定的个性化定制功能，以满足多元化用户多样性的访问需求。

1 实验室管理系统个性化服务的主要模块

个性化需求是指具有个体特性的需求和服务[14]，个性化定制即是围绕业务服务的动态选择、用户的按需定制、业务流程的动态改变及业务规则的整合等方面提出一些解决方案。根据个性化方式的不同，定制类型可以分为匹配用户需求和用户选择需求两种。为了更灵活地实现多用户个性化操作，以及多元化需求与服务资源之间的统一和约束，提出基于实验室功能模块的划分与基于角色的业务流程相结合的设计方案，系统根据登录用户信息，配置相应的功能模块和资源推送给用户，用户也可通过配置界面有针对性地选择自己需要的功能模块，并提交相应的定制信息。

个性化定制基于模块的独立划分，根据实验教学和实验室管理两部分内容，本文将实验室功能进行合理的提取和划分，主要分为实验室用户、实验教学和实验室建设及管理3个模块。

1.1 实验室用户模块

实验室用户模块主要用于对系统用户的个人信息和权限的维护与管理，分为用户管理和角色管理2个子模块。根据不同的类别和工作职责，用户分成实验室管理人员、教师和学生等(见图1)。本文将角色和权限结合起来，即用户的执行权限是附着在角色中的，活动执行者通过其所具备某种执行权限的角色进行标识。通过对用户与角色的映射管理，可以实现用户界面的个性化定制，即根据用户的角色对实验教学模块和实验室建设及管理模块进行定制。

图1 实验室用户模块

用户管理模块主要用于维护用户的基本属性，以及对用户的角色的管理。一个用户在某一部门可以同时属于几个角色，一个用户又可以分属不同部门并拥有不同角色的权限，如作为实验教与学的双方及管理方来说，1名教师用户可以是实验指导教师同时也可以为竞赛指导教师，他也可以是管理人员。因此，用户能够察看的数据集是以上角色权限的并集。

1.2 实验教学模块

实验教学模块(见图2)主要包括实验教学资源、实验教务、教学辅助等子模块。教学资源用于实验教学相关信息资源的发布和维护；教学辅助包括与实验教学过程相关的部分，如学生实验预约、师生交流互动、作业上传、资料下载等；实验教务包括教学任务的计划安排、实验项目和分组的设定、教师对学生实验环节的考核等，并能针对基础实验教学、开放性实验或竞赛培训等不同任务，根据专业培养计划及班级学生数据，以及仪器设备数量和教室容量等，自动筛选出符合条件的学生。

图2 实验教学模块

1.3 实验室建设及管理模块

实验室建设及管理模块(见图3)主要包括实验室管理、实验仪器及耗材、日常办公事务等子模块。实验室管理主要包括基础和专业实验室的规划建设、师资队伍建设、实验室日常运行管理和实验室评估等；实验仪器及耗材主要包括仪器设备等固定资产管理、实验耗材管理和库房管理等；日常办公事务主要包括实验室规章制度的制定、新闻和公告的发布等一些日常事务性工作。

图3 实验室建设及管理模块

面向个性化定制的系统实则为系统功能模块的定制，①根据用户角色匹配用户需求，②用户自行选择可选配置。提供给用户的用于定制选择的按功能分解的模块，其是否可定制或不可定制的性质，是在功能模块划分时附着于用户角色上的，因此在设计相应的功能模块时，需要根据不同的业务需求和工作流程，充分考虑到各个不同模块之间的关联性、依赖性和互斥性，以提高系统的灵活性、可维护性和可扩展性。

2 个性化定制实验室管理系统的分析与设计

设计面向个性化定制的实验室管理系统时，需要考虑以下几个问题：①能够提供用户个人定制的功能，因此系统中需要包括记录某权限用户的通用和个性化偏好的存取单元、根据用户的个性化定制进行模块配置，以及用于生成用户个性化内容的呈现单元。②对用户的类别、权限与功能模块之间进行一定的约束限定，保证相同角色的用户及多角色用户模块匹配的一致性和统一性。③降低门户界面与业务资源的耦合程度，在系统设计时，应根据具体的业务尽可能的细分实验室各功能模块中的子模块，门户界面的组成单元、任务处理的业务流程和数据存储等与资源相独立。

2.1 个性化管理策略

系统对用户个性化定制的管理主要是识别用户身份和分析用户差异，针对不同用户的定制内容提供不同的个性化服务。客户个性化需求的柔性管理是指系统应对复杂多变的业务环境的能力，包括易用性、动态性和自适应性。对用户需求个性化柔性管理的本质为根据记录的用户个性化定制信息，通过用户的角色进行定制模块的匹配和关联约束，使得用户能看到的数据集是其所属所有角色权限的并集。这里，除了设计的各模块需要相对独立互斥、同时又具有相互之间的依赖和关联性之外，还需对角色以及各角色的业务流程进行很好地设计，能很好支持功能模块定制过程中所有活动的动态操作，通过系统模块之间数据的自动传递而先后触发，形成一个自动的过程，使得个性化定制的管理系统具备一定的动态性和自动性。

2.2 用户需求的模块化定制

以角色的权限管理为基础，将用户、角色、权限、用户偏好、功能模块、业务流程等关联在一起，并建立这些元素之间的映射关系。

2.2.1用户角色

从图1可以看出，对于不同的用户，如教师用户，他可以同时具备教师和管理人员中的多个角色身份并拥有相应的权限，其所能观看的数据集是以上角色权限的并集。将用户角色看成是一系列业务活动和操作权限的基本集合，按照参与者的任务、能力和权限抽象而来的单元，规定了担任此角色的参与者在实现某一业务流程时能执行的活动的权力，定义了角色对相关数据信息、运行环境和功能模块资源的使用权限。通过设置某角色对系统各模块的增、删、改、查等权限，实现管理系统的个性化定制。

根据用户状态(US)隶属的角色(R)中的一个或多个，将其系统功能的个性化定制定义成为一个三元组：PC=，其中US ∈{RTn,RSn,RMn,RTn∪RMn|R}是用户状态，其实质为用户角色的权限；MP

{{TRn,TAn,TDn,LMn,LEn,LAn|RT},{TRn,TAn|RS},{LMn,LEn,LAn|RM}}是用户定制的模块，通过用户角色提供可进行选择和配置的模块；SP是功能模块布局和显示风格定制。

系统通过登录获取用户角色(US)信息，由此关联可选择和配置的模块，用户根据个人需求和偏好定制模块(MP)，并选择模块布局和显示风格(SP)。系统存储并读取用户个性化定制(PC)的信息，根据业务逻辑组合各模块，用户界面根据桌面风格(SP)呈现特定用户的个性化定制内容。

2.2.2用户任务处理的业务流程

用户根据个人需求和偏好对管理系统进行个性化定制，即选择了相应的功能模块。为了更好体现系统个性化定制的效果，各模块根据功能等要素划分足够细，还需有对功能模块进行组合。用户选择定制各功能模块用以完成一系列的业务活动，实质是在其所处的业务领域和业务环境下，根据自身的目标期望完成了一条业务流程。构成业务流程的基本要素是用户角色、业务活动、业务资源，以及表达他们之间相互关联和约束关系的规则。因此，可以采用业务流程管理的机制，实现模块的组合、逐步触发和运行，最终实现用户需求。

基于用户角色的定制是由于新角色的加入或角色改变而调整业务流程中用户的身份，改变对流程中操作活动的权限。采用XML对用户任务处理的业务流程模板描述为:

targetNamespace="http://pc.com" xmlns="http://pc.com">

面向个性化定制的业务流程模板描述了模块与用户角色之间的约束与依赖关系，以及模块间的关联和组合。通过数据、角色、业务活动和业务规则之间的业务逻辑控制，在表示层显示个性化定制的管理系统界面，实现用户业务目标的功能需求。

2.3 个性化定制系统结构设计

为了将实验室的所有业务集成在同一平台下管理，便于系统的功能扩展和维护，满足用户多元化、个性化的系统功能定制的需求，根据用户的角色或模块定制信息，将用户所需要的功能模块组合生成可部署工程，最终实现用户个性化定制的实验室管理系统，设计系统结构如图4所示。

个性化定制的实验室管理系统采用B/S模式的体系结构，主要包括界面层、业务层和数据层。

(1) 界面层。个性化模块定制平台的配置界面与人机交互界面，通过文本、图形等实现与用户进行信息交互。系统将资源库中的功能模块及其功能描述等相关信息显示给用户，用户通过界面有针对性地选择自己需要的功能模块，提交相应的模块定制信息，向系统请求个性化定制服务，界面最终显示业务层处理之后的结果，即个性化定制后的功能模块的组合。

图4 个性化定制的实验室管理系统结构图

(2) 业务层。主要负责对数据信息和业务逻辑进行处理，将从界面表示层传来的服务请求等转化为控制数据，结合特定角色任务处理业务流程，判断操作的执行方向，使得各个系统逐步触发，实现应用层中各个阶段正常运行，驱动客户端或服务器端应用系统。同时该层也记录系统中各阶段的状态信息，在个性化定制过程中对功能模块的配置和选择进行管理。

(3) 数据层。主要为界面层和业务层提供数据支持服务，如添加、删除、修改和查询数据信息操作。数据层对用户角色权限进行严格管理，将用户在进行功能模块定制过程中所有业务活动的定制信息，包括文本和图形信息等转换为数据的形式，作为系统各个阶段先后触发的条件。该层具有数据安全与系统备份机制，确保数据在传输和存储过程中的完整性和保密性。系统部分功能界面如图5所示。该图为实验课程查看、预约与发布等功能实现界面。

3 结语

高校实验中心作为一个重要的教学部门，教学和实验室管理得好坏直接影响到实验教学质量。中心除了为在校本科生提供实验教学服务外，还承担着院里大部分仪器设备的修购、保管和维护等管理。在实验教学和管理的各环节中，师生、资源、以及教学和管理都需要一个共享开放的平台，根据用户的个性化需求定制功能模块，各类教学资源通过平台集成后进行有效管理和监控，实现实验教学的流程化管理和跟踪，基于网络的流程化管理，有效促进了各类实验的统一安排和优化组合、实验设备的信息化管理和资源共享，以及实验中心有序、高效的工作运转，为提高实验教学和管理工作的效率奠定了良好的基础。