面向教学过程的实验室教学管理系统应用研究

钟健 潘威华

摘要：面向教学过程是实验室教学管理系统的重要应用研究方向。文章致力于探索新一代信息技术下的面向教学过程的实验室教学管理系统。通过利用信息技术和架构设计，本系统实现了对实验室教学管理的全面改进和数字化。系统集成了在线实验报告提交、实验指导、实验室资源预约、智能管理和综合数据管理等功能，有效解决了传统实验室管理中的存档困难、开放式管理低效、实验室资源难管理以及数据收集和统计工作繁重等问题。该系统适用于传统和在线实验教学环境，提高了管理效率，促进了教育教学的现代化发展。其实施将给教学管理部门、实验室管理部门以及师生带来实質性的益处，是教育管理向更高效、智能化方向迈出的重要一步。

关键词：教学过程；实验室教学管理；实验报告；实验指导；实验室资源

中图分类号：G424        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）07-0174-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

实验室教学是应用型本科高校实践教学的重要环节。随着高校的快速发展和升级需求，实验室规模日益扩大，实验室的日常业务工作也变得繁重，对实验室各项管理工作提出了更高的要求。然而，调研显示，大多数高校实验室教学、管理存在着一些问题，如纸质实验报告存档难度大、开放管理困难、实验记录和设备利用率等数据收集工作量大、数据统计困难等痛点。在信息大数据整合的背景下，各行各业的发展需要一流的技术资源和管理水平。实验室作为高校进行教研活动和科研技术操作的重要场所，其管理能力直接影响高校在经济、技术水平和学术等方面的管理水平。

随着大数据、云计算、移动互联网和人工智能等技术的应用推广，融合新一代信息技术面向教学过程的实验室管理模式能够从根本上改变高校实验室管理的现状。这一模式可以帮助实验室管理人员更快捷地展开管理工作，优化实验室全过程管理机制，提升整个实验室的运行效率。随着实验室管理人员工作内容的增加，为了方便他们的日常操作，提高工作效率，迫切需要对面向教学过程的实验室教学管理系统应用进行研究[1]。

1 研究意义与现状

1.1 研究意义

本研究旨在探索和研究基于新一代信息技术的面向教学过程的实验室教学管理系统应用，通过信息技术的应用，彻底革新传统实验教学的管理方式。该系统集成了在线实验报告提交与管理、数字实验教育指导、实验室预约及智能管理和全面的数据统计管理功能，从根本上实现了管理流程的数字化转型。

系统的核心创新在于显著简化了实验教学的管理过程，有效解决了传统模式下的多个痛点。例如，纸质实验报告的存档和管理难题得到了有效解决，实验室的开放管理变得更加高效，实验记录和设备利用率的数据收集及统计工作量大幅减少。这些改进预期将带来显著的管理效益，极大提高实验教学的管理水平。

此外，该系统对现代线上实验教学环境的适应性尤为显著。它不仅支持传统的实验室环境，还能适应不依赖于实际实验硬件的基础性实验，如程序设计和项目规划等。系统支持学生提交和教师批阅实验报告，有效地形成实验成绩，提升了教学过程的效率和质量。

该实验室教学管理系统不仅为教学管理部门和实验室管理部门提供了强大的工具，也为全校师生带来了实质性的益处。它标志着教学管理向着更高效、智能化的方向迈出了坚实的一步，为未来的教育创新和发展铺平了道路。

1.2 国内外研究现状

在国外，教学过程中实验室管理系统的应用已经取得了显著进展。多数发达国家的高等教育机构已经开始采用各种高级信息技术工具来优化实验室教学的管理。例如，在美国和欧洲，许多大学已经实现了实验室管理的数字化和智能化，采用了包括在线实验报告提交、电子考勤和实验室预约系统等。此外，一些机构还集成了虚拟实验室技术，允许学生在没有物理实验室设备的情况下进行实验学习。

在国内，基于新一代信息技术的实验室教学管理系统的研究和应用也正在蓬勃发展。随着数字化转型的加速，越来越多的高校开始重视实验教学管理系统的建设。这些系统通常包括在线报告提交、智能门禁和资源预约功能，极大地提高了实验室利用率和管理效率。

相比国外先进水平，中国的一些高校在系统集成和功能完善性方面还存在差距。例如，智能电源管理和全面的数据统计功能在很多国内高校的实验室管理系统中尚未普及。此外，对于线上实验教学环境的适应性也是国内研究的重点之一，特别是在程序设计和项目规划等非硬件依赖型实验的应用。

2 总体设计

2.1 设计思路

本研究采用了一体化系统建设的设计思路，旨在实现实验室教学管理的全面、全程、全员覆盖。核心目标是通过高度集成化的应用设计，实现实验室业务管理的系统化和自动化，提升整体工作效率和管理质量。具体设计思路包括以下四点：

1） 系统一体化构架。核心目标是实现系统内部各个组件的无缝对接与协调运作。为此，对门户网站、实验室管理系统和调课管理系统进行一体化设计，实现系统内部各个组件的无缝对接和协调运作，共享信息资源，从而确保系统运行的流畅性和工作效能的提升。

2） 信息资源共享与维护。注重功能与信息资源的综合设计，旨在构建一个既包含信息资源库又涵盖相关应用系统的共建共享体系，维持共享信息资源的持续更新和高使用价值，确保信息的实时性和准确性。

3） 系统设计的发展性视角。坚持以发展的视角出发，重视系统的经济性、实用性、可扩展性和先进性的平衡，确保系统能够满足当前需求，也具备应对未来挑战和需求变化的能力。

4） 整合与教务管理系统的互操作性。考虑与现有教务管理系统的互操作性，通过实现课表数据的共享，确保系统之间的信息同步，进一步提高管理效率和数据的准确性。

2.2 架构设计

系统采用三层模块化设计，分为表示层、业务逻辑层和数据层。表示层是客户和系统的接口，前端页面负责将数据展示给用户；业务逻辑层是在客户端与数据库之间的一个中间层，主要是后端的逻辑业务功能，负责处理业务规则、数据访问和合法性校验等工作[2]，数据层是最底层，负责与数据库的交互，实现查询、更新数据等功能。通常情况下，客户端不直接与数据库进行交互，而是通过与中间层建立连接，再经由中间层与数据库进行请求交互[3]。如图1所示，用户通过客户端经由三层架构访问到和数据库。

2.3 基础功能设计

面向教学过程的实验室教学管理系统是学校实现实验室常规教学安排管理的信息化平台。系统能够依据实验室的资源进行实验教学排课管理，在教务管理模式下为学生提供实验教学管理服务，完成教学计划内的实验课程，实现以实验项目为单元进行实验排课的管理功能。同时，结合教务系统的数据接口，实现与教务系统基础数据和课表数据的同步，与教务课表联合进行冲突检测，确保实验项目安排的准确性。用户可以查询实验室的基本信息和能够开展的实验类型，获取实验室的内部配置信息[4]。系统具有的基础功能模块如图2所示。

2.4 移动应用功能模块设计

高校实验室作为人才培养和科学研发的重要基地，随着移动端时代的发展，用户更习惯在移动端上对系统进行操作。然而，目前常规的高校实验室教学管理系统只有PC端，并且存在管理混乱、效率低、方式落后等问题。为解决传统高校实验室教学管理系统存在的相关问题，该系统应用研究也需要在智能移动终端上进行设计[5]。

移动应用平台以微信公众号或App形式实现学校实验室的“微门户”，移动端数据与各业务子系统的数据相通，实现基础功能移動办公、审核、实验项目预约、实验室安全检查、在线学习与考试等功能。具体包括：

1） 信息发布。系统应用提供学校实验室相关信息的发布展示功能，包括新闻动态发布、课表或开放实验发布、选课预约结果发布等信息。管理者、教师、学生及其他用户均可通过公众号或App查看学校实验室的相关介绍、动态信息和新闻等内容。

2） 通知推送。系统提供向全体关注者（包括领导、教师、学生）群发通知的功能。学校或实验室有重要通知、新闻时，可通过本功能将通知实时推送到全体用户手中。该功能同时支持分组推送，可选择特定的用户组（老师、学生、未认证用户）单独推送通知。

3） 身份绑定。系统提供用户身份认证和用户微信号绑定功能。未认证用户使用本功能输入自己的身份（老师或学生）、用户名（职工编号或学生证号）和密码，即可认证自己的身份。系统将自动绑定当前身份号和用户的关系，成为认证用户。认证用户可以通过该功能取消绑定或重新绑定新的身份。

4） 课表查询。用户可以通过该功能了解自己本周的实验课程安排情况，也可以查看指定时间的实验课程安排情况。

5） 上课提醒。根据管理人员设置的提醒时间，通过消息推送的形式，向负责实验课的老师和参加实验的学生提前发送实验提醒通知。通知的内容包括实验的时间、地点等。本功能对教师和学生起到良好的提醒作用，有效减少学生因遗忘或记错实验室等原因造成的缺课、迟到现象。

6） 实验预约。用户可以通过客户端对自己感兴趣的开放实验课程进行预约、取消预约、变更预约等操作，也可以查询各实验室开放的实验房间，在线预约和取消已预约的开放实验室。

7） 实验安全。高校实验室是大学生实践创新、开阔眼界的场所，传统的实验室存在不能及时反映实验设备利用和损坏等情况的问题[6]。用户可以通过二维码扫描方式对实验室基础信息进行识别，对实验室实时状况进行拍照上传到服务器，对设备利用、损坏等情况进行上报，实现实验室安全巡查。同时还可以进行在线学习和实验室安全知识考试。

3 系统安全设计

3.1 身份认证体系

本系统的安全设计采用了强化的身份认证机制，以确保用户身份的安全性和数据的保密性。用户在登录时需输入系统分配的唯一用户名和密码。为了防范非授权访问，系统设置了连续输入错误密码的阈值。当尝试登录次数超过此阈值时，系统将自动锁定相关用户账户，仅可通过系统管理员的授权进行解锁和密码重置。这一机制不仅可以防止用户名和密码被盗用的风险，还可以有效监控用户的操作行为，以防止信息泄露和非授权访问。

3.2 基于RBAC技术的授权管理

系统的授权管理基于角色访问控制（RBAC，Role-Based Access Control） 技术。这种方法允许系统将用户分配至其在组织结构中对应的角色，从而将用户的功能权限限定在特定的数据范围内。RBAC的实施显著降低了授权管理的复杂性和管理成本，并为管理员提供了一种有效实施复杂安全策略的手段。

3.3 数据存储安全

在“面向教学过程的实验室教学管理系统”中，确保数据存储的安全性是一个关键考虑因素。本文的数据存储安全策略涵盖了数据库加密、文件加密以及数据备份，以保障敏感信息的完整性和隐私。

1） 数据库加密策略。对于存储在数据库中的数据，本研究采用了部分加密策略。基于性能与安全性的权衡，选择对关键数据（如用户信息、实验成绩等）进行加密。利用先进的加密算法如AES（高级加密标准）或RSA（非对称加密算法），对敏感信息进行加密处理，从而确保数据在存储和传输过程中的安全性。

2） 文件级加密机制。面向教学过程的实验室教学管理系统中有大量的数据以物理文件形式保存在文件服务器指定的文件夹中。对于存储在文件服务器上的物理文件，考虑到数据的隐私和重要性，本系统设计了一种可自定义配置的文件加密机制。该机制允许管理员根据需要对特定类型的文件进行加密处理，例如实验报告、课程资料等。这一设计在默认状态下不启用加密，以避免对系统性能产生不利影响，但可以根据安全需求灵活开启。

3） 数据备份与恢复策略。数据备份是保障数据安全的重要手段，数据异地备份更是必不可少。为了进一步增强数据安全性，本系统应用研究的数据安全需要使用全面的数据备份与恢复策略。此策略采用了基于MySQL Server的自动备份机制，该机制利用msSQL的维护计划服务，将关键数据每日自动备份至异地服务器。这种异地备份策略不仅增加了数据的冗余性，还确保了在面临服务器或系统故障时，关键数据能够被迅速且完整地恢复。

4 总结

本研究基于面向教学过程的实验室教学管理系统应用，该系统利用最新信息技术，针对面向教学过程中的实验室教学管理系统进行优化。研究重点包括系统设计、功能实现和安全策略的探讨。系统融合多元功能，包括在线实验报告处理、实验指导、实验室资源预约等功能，旨在提升教学和管理的效率。系统设计采用了先进的身份认证机制、基于角色的访问控制（RBAC） 技术、多种数据存储安全策略，确保了系统隐私保护和数据安全，更进一步提高了实验室的安全性和能效。此外，系统的灵活性使其能够适应不同的教学环境，包括传统实验室和在线远程教学。该系统不仅优化了实验室的日常管理，还为面向教学过程的实验教学管理系统的现代化提供了新的解决方案。

参考文献：

[1] 乔桢，罗曦，闫景瑞.基于数据交互查询方式的实验室教学及资源管理平台的设计与构建[J].数字技术与应用，2022，40（5）：193-195.

[2] 李明，林湛，宋泽，等.基于二维码技术的铁路科研企业固定资产动态管理系统设计与实现[J].铁路计算机应用，2014，23（10）：32-37，46.

[3] 杨少华，李娟，于艳，等.花生测产远程管理系统的研发[J].青岛农业大学学报（自然科学版），2014，31（1）：73-78.

[4] 郝海妍.数据挖掘在计算机实验室管理系统中的应用[J].电子技术与软件工程，2020（11）：210-212.

[5] 徐维远.基于智能移動终端开发的高校实验室管理系统设计[J].电脑知识与技术，2019，15（25）：231-232，236.

[6] 晁妍，陈文龙，王浩.大数据技术在高校实验室管理系统中的应用[J].电脑知识与技术，2020，16（18）：31-33.

【通联编辑：唐一东】