面向成人高校的实验室预约系统构建

余久久， 郑 昊， 张继山， 陈 蕴， 吴 宁， 梅莹莹

（1.安徽三联学院计算机工程学院，合肥 230601；2.合肥市传秀科技有限公司，合肥 230088）

0 引 言

高校实验室是开展实验教学活动、科学研究的重要基地，随着高校实验室工作与职能的不断拓展，对实验室管理工作的要求也不断提升［1］。实验教学是高等教育的一种最有效形式，是全面培养学生的动手能力、实践与理论相结合能力、以及创新能力的重要教学环节［2-3］。一方面可有效激发学生课外学习主动性与积极性，提升工程实践能力与创新意识；另一方面也促进了相关实验教学设备的共享率及使用率。在当前人工智能时代背景下，国内高校关于实验室信息化、智能化建设及管理系统的开发得到了广泛关注。在近3 年已有研究中，文献［4］中设计出一个基于B/S 架构的物联网实验室管理平台；文献［5］中提出设计基于ZigBee的实验室智能化管理综合系统；文献［6］中提出设计一套“硬件易实施、软件智能化、监控可视化、管理过程化”的开放实验室智能管理平台；文献［7］中提出高校实验室“自助共享”式的智慧管理模式，并开发相应的实验室管理系统；文献［8］中提出构建基于软硬件结合的信息化、智能化实验室设备管理系统；文献［9］中设计了一个基于OneNET平台的实验室远程监管系统。此外文献［10-12］中从职业健康意识出发，着眼智慧校园建设角度提出了智慧实验室的建设方案，设计与实现基于数据驱动的实验室智能管理平台以及多部门联动构建高校实验室EHS（环境、安全与健康）管理体系等。但是，上述文献所提出的有关实验室智能化综合管理系统或平台，其组成结构大都过于复杂，或仅适用于国内发展较好的普通高校［3］。

尽管高等成人教育也是我国高等学历教育的重要组成部分。但是有别于普通高校，国内很多成人高校尤其是一些偏远地区的成人高校往往没有自己独立的学习校园提供给学生（员）脱产学习，其大都依托本地职工大学、业余大学、干部管理学院、广播电视大学等函授点以及相关社会培训机构，实验室智能化建设基础薄弱，实验教学资源匮乏，管理信息化程度较差，人工管理依赖程度高。①一些地方性成人高校由于长期不受当地高等教育主管部门的重视，师资力量不足，更缺乏足够的资金支持。建设全方位的智能化、物联化、虚拟化、交互化的开放式智慧实验室及远程监控管理平台存在诸多困难，目前仍采用传统的人工手段管理实验室［13］。②与普通高校学生全日制学习形式有所不同，成教学生大都分散在校外居住，日常时间上班工作，仅是利用个人业余时间开展学习或自身学历进修活动，缺乏固定的校园学习及生活场所，统一集中管理困难。针对一些动手操作或技能实践方面的实验类课程，学生仍需事先向所学习的高校申请实验场所开展有关实验活动，或到实验室现场了解情况，申请办理书面预约手续并等待人工批复，校内外往返很不方便，且效率低下。

基于此，为面向成人高校设计一个使用便捷的实验室预约系统。该系统基于轻量级Spring Boot 框架设计，采用ZigBee 技术，系统客户端能够在电脑、Andriod手机、智能平板等主流移动终端设备上操作，操作方便，实用性强，能够满足资金不太雄厚、实验室智慧化管理程度较差的地方成人高校实现实验室预约管理活动的初步需求。这对于进一步推动国内偏远地区的一些成人高校实验室信息化、智能化建设以及我国高等成人教育管理工作具有积极意义。

1 关键技术简介

1.1 Spring Boot

Spring Boot是由Pivotal团队提供，能够快速、高效构建一个基于Spring框架以及Spring生态体系的应用解决方案［14］。Spring Boot是一个轻量级设计框架，其RESTful设计风格能够实现Web信息系统的前后端分离，开发人员只需关注系统业务应用层的实现。Spring Boot框架采用免XML文件配置模式，是一个使得开发人员能够快速、易用和使用的基础性框架［15］。

系统选用Spring MVC 实现Web 应用层的开发。它使用IoC 将控制逻辑和业务对象实现了完全的分开［16］。关于本系统的服务器端设计，需要创建Socket数据流并实例化TCP-Client对象。考虑到系统今后会部署在较大范围内，为避免因大量客户端访问服务器而造成系统响应时间较慢、数据访问延迟等情况，将采用负载均衡技术予以实现［17］。

1.2 数据库接口访问技术

实验室预约系统使用JDBC数据接口访问技术，在一个自定义的命名空间里面的类集合中（如自定义一个帮助类：sqlhelper）封装数据库中用的一些常用操作，使用GirdView表格形式显示数据。在实际中，为了便于提高系统的安全性、通用性、以及后期系统的维护，将数据库的连接字符串写在Web.Config文件中［18］。

1.3 自动分页显示技术

通过Android 手机客户端对实验室预约系统进行实际操作时，手机上会以Web页面分页的形式展示数据。为了更好反映数据显示效果，系统采用了GirdView自动分页技术，以实现多页面显示的层次性。为实现带缓存的数据分页显示，可开启SqlDataSomw数据源的“允许缓存”属性，以提高Web应用程序扩展性及程序的运行效率，并降低开发成本［18］。

1.4 ZigBee技术

ZigBee技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术。适用于构建智能终端实现各设备、各区域的信息采集，保证数据的正确传输［19］。系统采用ZigBee技术，通过网络将采集到的信息上传到服务器，用户通过智能手机终端（或其他智能设备终端）登录系统进行信息查询及相关操作。

2 系统设计方案与用户功能需求

2.1 系统网络架构

图1所示为本实验室预约系统的网络架构图。采用了ZigBee技术通过无线通信构建了一个前后端分离且结构简单、易操作、可拓展的实验室预约系统。系统管理员将实验室各类信息存入后台数据库。教师用户通过连接服务器就可以按照需求对实验室设备、项目、环境等进行管理，学生用户则可以进行实验相关信息查询、实验室预约等操作［19］。

图1 系统网络架构图

用户通过Android手机等智能终端设备打开实验室预约系统，在接收到请求后，网络基站会立即发送相关命令并通过网关到数据库服务器。数据库服务器解析收到的指令，通过SQL 指令在数据库中进行查找后，发送给用户［20］。本系统的数据库查找过程见图2。

图2 数据库查找过程图

2.2 用户功能需求

系统用户主要包含管理员、实验教师和成教学生三类用户群体，对计算机实验室的申请使用进行有效管理。学生对计算机实验室的使用进行申请，用户信息查询，账户密码修改和本账户对计算机实验室申请审批结果的反馈。实验教师对计算机实验室的使用申请进行审批，预约记录、统计查询等。管理员主要对师生用户进行增添、修改、删除和查询的操作。图3 所示为系统实验室预约功能的用例图。

为提高预约成功率，实验教师需要及时发布空闲的实验室预约时间段，学生在预约前也需要了解必要的预约信息，并按规定预约流程进行预约。教师应统筹各类实验资源，包括实验时间资源，选择较好的资源分配策略和预约策略，尽可能满足预约用户的预约要求，并将预约结果，包括预约失败的原因，及时通知预约学生，以保证预约的成功率和实验设备的利用率［21］。系统的实验室预约功能流程图如图4 所示。

图3 实验室预约功能用例图

图4 实验室预约功能流程图

2.3 数据库设计

系统选用轻量级的SQLLite 作为数据库管理系统，处理速度高效，其支持Linux、Windows等主流操作系统，支持ODBC数据库接口，与Java、PHP、C#等编程语言兼容。例如，表1 与表2 所示分别为本实验室预约系统的申请预约信息表与实验室信息表。

表1 申请预约信息表

3 用户UI界面展示及功能实现

实验室预约系统能够在Andriod 手机上顺畅运行，系统的用户UI主界面如图5 所示。登录页面将提示选择登录者的身份。这里以Andriod手机菜单形式描述客户端的主要功能界面及操作。用户在使用前根据自己的身份（如学生、教师等）填写相应的信息，完成注册。图6 所示为实验室预约系统的学生用户及教师用户的注册界面。

表2 实验室信息表

图5 实验室预约系统用户UI主界面

图6 学生用户及教师用户的注册界面

3.1 学生用户端操作

学生用户端页面功能主要实现对计算机实验室使用的申请预约，如图7 所示。学生用户填写正确的申请者信息，申请实验室信息等，即可提交申请预约操作。点击“我的”页面按钮，可以修改学生个人信息及以查看本人已预约实验室信息的情况。

图7 学生申请预约实验室界面

3.2 教师用户端操作

教师登录该系统，除了可以修改个人信息之外，点击“我的”页面按钮，可以查看学生已申请有关实验室的审批列表，可以对校外学生预约实验室的申请进行批复，如图8 所示。此外，教师还可以发布近期能够提供学生课外进行实验活动的空闲实验室信息等。

图8 教师批复实验室预约界面

4 应用成效

实验室预约系统顺利完成了基于Android 手机客户端版本（V 1.0）的开发，经充分测试后并正式上线投入运行。系统界面简洁，用户操作简单，处理过程高效，运行稳定［22］。目前，该系统已充分运用于本地一所试点成人高校的学生实验预约管理活动。在1 年多的系统建设与应用期间，有超过90%的校外成教学生在业余时间使用该实验室预约系统。截至2021 年初，共有1 000 多人次通过Android 手机客户端对本地试点成人高校进行实验室预约活动，从而顺利完成实验课程学习环节，应用结果反馈良好。这对于一些资金有限、人工智能及智慧校园化不是很高的地方性成人高校，实验室预约系统能够方便校外成教学生在业余时间预约校内实验室开展实验相关活动的需求，具有良好的开放实验室的信息化管理能力，提升了实验室的利用率。

5 未来的工作

该系统应用成效明显。但今后为了更好配合本系统的应用，针对成人高校，须在以下两个方面进行后续研究工作。

5.1 建立桌面虚拟化管理平台

桌面虚拟化是利用虚拟化技术将桌面进行虚拟化操作，所有的数据计算和信息存储全部在系统服务器端进行，用户可以使用各种设备利用网络去访问自己的桌面［13］。

实际中，校外学生申请一个实验室开展某一项课外实验活动，往往会存在学生人数过少或只用到实验室中少数实验设备（如电脑、打印机等）的窘状，而同一时间段因该实验室已被预约而其他学生又无法利用该实验室开展其他的实验活动。加之很多学生开展实验活动都是在教师下班时间（如休息日、晚上等），所以需要面向成人高校实验教师，建立一个开放式实验室管理系统的桌面虚拟化管理平台，方便教师登录自己的电脑或移动终端桌面进行操作，实时监控实验室管理信息。教师还可以通过桌面虚拟化管理平台对学生申请实验室的学生机数进行设置，对学生机自动开关机的时间进行设定，及时处理学生机的使用状态等，满足实验设备资源利用的最大化［13］。

5.2 建立基于智慧校园的管理决策应用系统

基于本地校园环境，建立一套有效的管理决策应用系统，能够与实验室预约系统形成无缝对接，共享与分析用户实验相关数据，发挥智慧管理及决策功能。在当前智慧校园建设背景下，该管理决策应用系统要能支持与校内办公系统、师生统一身份认证、校园“一卡通”、教学管理系统、学生管理系统、以及与财务系统对接等。实现业务流程一体化、智慧化、自动化［7］。

在满足学生课外预约实验室的同时，还可以进一步服务校内教师在实验室开展相应教、科研活动的需求，以促进本地成人高校信息化、智慧化实验室建设的可持续性发展。

6 结 语

本文所设计的面向成人高校的实验室预约系统，具有架构简易、操作简单、界面友好、实用性强、性能可靠等特点，在所试点的本地成人高校中亦得到充分应用。其很大程度上能在业余时间提高空闲实验室的利用率，为校外学生在业余时间开展实验活动提供良好的环境，同时也有效提升实验室管理效率及智能化管理水平，在国内一些偏远地区成人高校及各类成人教育机构具有推广和使用的价值。