羅詠梅， 金志剛

(天津大學a. 計算機科學與技術(shù)學院;b. 電子信息工程學院，天津300072)

0 引 言

近年來，隨著高校質(zhì)量工程的深化和工科學生對實踐能力需求的提高，各高校不斷地探究新的培養(yǎng)學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的方法和模式。開放實驗室逐漸成為培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力的重要平臺［1］。開放型實驗室使學生可以自主地到實驗室進行實驗研究和探索性學習，有利于發(fā)揮學生做實驗的積極性、主動性，也有利于激發(fā)學生的思維，引發(fā)他們創(chuàng)造的欲望［2］。另一方面，開放實驗室也為實驗室管理人員、管理機構(gòu)帶來了技術(shù)、管理和資源方面的新問題和挑戰(zhàn)。

開放型實驗室建設是一個系統(tǒng)工程，實驗室開放不僅是時間、空間的簡單開放，也不僅是教學內(nèi)容和儀器設備的簡單開放［3］。開放實驗室需要有精細化、信息化、智能化的高效管理機制和手段，有效利用資源為學生提供服務。在為實驗室開放提供必備經(jīng)費，設備和指導教師的保障前提之下，探索基于新媒體和物聯(lián)網(wǎng)的開放實驗室管理新機制，設計開放實驗室管理系統(tǒng)是至關重要的。通過設備二維碼、學生簽到和門禁、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)融合的一體化的智能管理系統(tǒng)可以大大提高教學資源和設備的利用率，保障高校實驗室開放管理的順利運行［4］。

1 開放實驗室管理中的突出問題

1.1 師生無法及時獲得實驗室開放的信息

目前高校實驗室一般采用課程實驗預約和開放時段自主預約實驗室工位的網(wǎng)上預約管理方式［5］。由于網(wǎng)上系統(tǒng)信息需要人工更新，一般也缺乏具體設備的實時使用信息，導致學生和教師無法方便地獲得實驗室的具體開放狀態(tài)和空余(設備)資源情況。以天津大學為例，2015 年進入雙校區(qū)運行狀態(tài)后，此問題將變得更加突出。例如，學生成功預約某實驗室一個工位，但是由于學生從衛(wèi)津路校區(qū)趕赴津南校區(qū)路上堵車延誤了實驗時間，不得不重新約后面時段。使得他原定預約的實驗室空間及設備白白閑置。同樣的，教師也將會面臨這樣的問題，從而影響設備資源的利用率。對于實驗室教師來說，傳統(tǒng)的管理方式，僅僅通過門禁等系統(tǒng)粗略了解進入實驗室的學生數(shù)量，缺乏對具體使用設備的管理信息，因此無法實時更新設備使用情況，也無法調(diào)整實驗室的資源安排。

1.2 能源和環(huán)境等資源管理粗放、浪費嚴重

實驗室開放必然會加大實驗室的人員、電力、能源和設備開支。如果仍然采用非精細到具體設備的管理機制，不考慮支撐環(huán)境的消耗的粗放型開放，就會導致開放成本大大提升，空調(diào)、網(wǎng)絡設備、照明、視頻監(jiān)控等設備帶電運行，不僅造成資源浪費，更沒有達到提高學生實踐能力的培養(yǎng)目標［1］。以當前周一至周日全開放的某大學計算機實驗教學中心平臺實驗室為例:該實驗室有2 層，使用面積300 余m2，采用了集中空調(diào)系統(tǒng)。從開放幾年的具體使用情況看，周末或者晚上來實驗室做實驗的學生很少。但是仍然需要實驗室同時開啟幾十個無線網(wǎng)絡接入點等網(wǎng)絡設備、大量的中央空調(diào)和視頻監(jiān)控等輔助設備，并且安排實驗人員長期值班，這帶來了不必要的能源消耗和人員經(jīng)費開支。這樣的粗放型實驗室資源開放情況對于建設綠色校園、實現(xiàn)節(jié)能減排是非常不利的［6］。

學院或者資產(chǎn)部門基本上只是按照實驗學生人數(shù)、經(jīng)費情況來配置實驗室面積、設備數(shù)量和支持資源等。統(tǒng)計的實驗時數(shù)等是實驗室人員手工填寫的，缺乏客觀依據(jù)。通過對設備級的資源使用的監(jiān)測和信息化統(tǒng)計，將大大提高實驗室管理的精細化水平，為實驗室規(guī)劃、投資效益分析等提供客觀、翔實的數(shù)據(jù)基礎。

2 精細化開放管理新機制

針對以上學生需求管理和實驗室設備與資源以及人員管理粗放的問題，論文提出通過將二維碼配置到每臺具體實驗設備(包括輔助設備)，學生通過新媒體(微信、微博)詳細對實驗資源進行預約和簽到的精細化實驗資源管理機制，合理配置實驗設備資源，及時對信息收集和發(fā)布的新的開放實驗室管理機制［7］。為了支持新開放機制，研發(fā)通過微博等新媒體預約實驗來獲得實驗設備及網(wǎng)絡等資源使用許可的認證的管理系統(tǒng)、研發(fā)基于二維碼的實驗室設備使用簽到和資源管理系統(tǒng);研發(fā)及時發(fā)布實驗室精細化使用情況的新媒體交互系統(tǒng)［8］。新的精細化管理機制分成兩部分，具體內(nèi)容如下所述。

2.1 學生需求的精細化和預約與簽到機制

為了實現(xiàn)精細化的開放實驗室管理，一個重要的機制就是對學生實驗需求的精細化和對每一個學生具體使用的實驗資源進行實時信息采集的機制。只有將學生個體的實驗需求精確地預約到具體的設備類型和數(shù)量、需要的指導人員、配套支撐設備(資源)，才能按照具體需求確定是否滿足學生需要。另一方面，學生按照預約來使用實驗資源時，進行實時的簽到和資源占用的統(tǒng)計，才能為進一步滿足學生新的實驗預約和準確的設備工作情況、設備完好率、設備利用率以及實驗室開放效益進行統(tǒng)計和分析。

目前實驗室管理采集的學生實驗需求信息比較單一化，往往只是簡單的何時使用實驗室的時間信息，一般沒有學生需要的設備類型、數(shù)量等具體信息。而且一般的實驗室管理系統(tǒng)沒有對學生是否按時來使用提前預約的時段進行確認和信譽管理，也沒有對實際來進行實驗的學生的具體設備使用情況進行實時的采集與統(tǒng)計。這就導致了上面提到的學生無法及時獲得實驗室開放的具體信息，實驗室也無法詳細了解學生具體需要以及設備具體利用情況［9］。

新機制將學生的實驗室使用需求細化為:使用時間、使用的設備、使用的實驗室支撐資源(網(wǎng)絡、空調(diào)、其他輔助設備等)、需要指導人員、使用的優(yōu)先級等。其中使用時間就是計劃開始使用實驗室的時刻和時間長度;使用的設備是指進行實驗的主要設備;支撐資源是為了進行該實驗需要的輔助設備和支撐環(huán)境;指導人員指是否需要特定的老師指導實驗過程;使用的優(yōu)先級由新機制自動生成。

學生使用的優(yōu)先級主要依據(jù)的因素包括:學生的預約信譽(即以往預約的正確性、按時使用實驗室的概率);實驗室空閑設備的匹配率;實驗室支撐資源的利用率等。

如果某同學預約信譽高、空閑設備和他的需要匹配，并且對實驗室輔助資源的占用少，他的使用優(yōu)先級就比較高，可以有效預約到實驗室開放時間段;反之，預約信譽低、使用的設備不空閑、占用的輔助資源多的預約的優(yōu)先級低。

學生的簽到機制分為兩部分:一部分是實驗室到達的簽到，可以采用門禁系統(tǒng)信息，也可以在實驗室門口增加二維碼，學生通過手機掃碼簽到［10］。另一部分是對具體設備的簽到:將每個設備黏貼或者顯示二維碼，學生到達實驗室后，進一步在使用的設備上通過手機簽到，這樣就可以實時統(tǒng)計到設備的使用情況了。

2.2 基于二維碼的設備監(jiān)測和管理機制

以往實驗室只是通過門禁系統(tǒng)來對學生是否進入實驗室進行管理;通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)來粗略地觀察實驗室是否有學生和是否安全。將新媒體預約與實驗室簽到系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)對學生是否按時使用預約資源的監(jiān)測和統(tǒng)計，并且為上面的學生信譽機制提供簽到數(shù)據(jù)。

將計算機類設備的登錄系統(tǒng)增加二維碼，學生即可在具體設備上簽到，和下面的能耗等傳感器配合，可以獲得準確的使用狀態(tài)信息和進行精細化設備使用率、完好率等統(tǒng)計，避免了后期的人工操作，并且提高了統(tǒng)計監(jiān)測的實時性。

將空調(diào)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和高耗能的實驗設備分別增加具有網(wǎng)絡接口的能耗傳感器，即可實時獲得設備的能耗信息。通過非侵入式負荷分解與識別技術(shù)還可以進一步分析設備的工作狀況(空閑、低負荷、高負荷)。

將實時獲得的設備能耗等信息進行分析，并且和學生簽到以及設備利用率管理系統(tǒng)配合，就得到了實時的開放效益評價。根據(jù)實驗室開放規(guī)則，依據(jù)設備、輔助資源的利用率和能耗等情況，來確定是否接收學生的個性化實驗室預約。

該機制有效響應學生需求，高效利用實驗室資源，減少實驗室支撐環(huán)境和人力的浪費，促進節(jié)能減排，并且提高管理的效率和實時性。

3 設備簽到和精細化管理系統(tǒng)

為了實現(xiàn)新開放管理機制，需要設計和實現(xiàn)設備級的精細化學生簽到與設備使用管理系統(tǒng)。論文設計和實現(xiàn)了基于二維碼的設備簽到和精細化使用情況管理系統(tǒng)。智能移動終端的廣泛應用，使我們的工作生活越來越便捷，以前只能想不能做的事現(xiàn)在能做到了，許多繁瑣的事現(xiàn)在變得簡單起來。二維碼簽到移動客戶端和精細化設備管理系統(tǒng)可以很好地解決上述問題，使得原有的設備和實驗室管理系統(tǒng)重新煥發(fā)了青春，并且能夠得以充分利用。同時，通過掃描每個實驗設備上的二維條形碼讀入學生使用的實時信息，省去了大量的登記錄入時間，也極大地提升了效率［11］。設備和學生管理的智能化、簡便化，提高了實驗室開放的效率，減少了勞動力和繁瑣的信息錄入工作［12］。

學生簽到是學生使用開放實驗室的必要流程，通過二維碼掃碼、設備級簽到、實驗室后臺統(tǒng)計等手段，對學生使用開放實驗室資源的過程進行準確的管理。由于每個學校實驗室開放流程有所不同下面以天津大學某學院為例。隨著新校區(qū)的建設，該學院2015 年起在相距20 多km 的2 個校區(qū)內(nèi)設有開放實驗室，學生也分布在2 個校區(qū)。如果仍然使用傳統(tǒng)的PC 機作為學生預約和管理的客戶端將非常不方便。

設計的移動客戶端與設備管理系統(tǒng)主要包括兩大功能:一是移動智能終端掃描實驗室入口以及掃碼具體設備，并且進行簽到的功能。二是移動客戶端設備管理服務器的連接功能。通過統(tǒng)一定義的XML 文件將設備的使用情況，學生的預約情況傳送后臺數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。

3.1 二維條形碼的原理與特征

條碼技術(shù)是按照特定編碼規(guī)則把寬度不同的許多黑條及空白進行排列，以用來表示特定信息的標識符，這也就是我們通常所說的一維條形碼。然而一維條碼所能表示的最大的資料長度是15 個字元，適合存放key，即關鍵索引值，不能進行產(chǎn)品描述，產(chǎn)生了很大的局限性。除此之外，一維條碼還有一個非常明顯的缺點，即在它的垂直方向不能攜帶任何信息，因此資料密度值偏低［13］。

為了在固定面積上表示出盡可能多的信息，二維條形碼應運而生。它是按照某種特定的規(guī)律，它是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面(二維方向)上分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號信息的。與一維條形碼相比，二維條形碼可以從橫縱兩個方向上同時表示資料信息，有效地彌補了一維條形碼的缺陷［14］。

隨著智能手機終端的發(fā)展，目前主流的Android，IOS 等平臺都比較好地支持二維碼的掃碼與相關應用的開發(fā)。因此，本系統(tǒng)采用二維碼來附加到實驗室入口和具體設備上，實現(xiàn)學生的簽到和設備使用信息統(tǒng)計［14］。

考慮到系統(tǒng)的使用方便性與兼容性，我們采用了QR Code 二維碼。QR Code 二維條形碼是一個正方形矩陣列，它是由正方形的模塊組成的。QR Code 二維條形碼的組成包括編碼區(qū)域及功能圖形，見圖1。其中功能圖形中包括校正圖形、位置探測圖形、分割符、定位圖形等，周圍是條碼的空白區(qū)域。位置探測圖形也稱尋像圖形，是由3 個形狀相同的圖形組成，分別在條形碼的右上角、左上角以及左下角。形似同心的兩個大小不等的正方形。

3.2 學生簽到和預約步驟

3.2.1 實驗室入口簽到

學生可以在實驗室的一個或者多個入口，通過門禁或者掃描二維碼簽到［2］。門禁或手機終端掃描信息都記錄到學生簽到服務器，并且用來計算學生預約的信譽值。信譽值的初始值為100，變化區(qū)間是最大值為200，最小值為0。

圖1 二維碼主要功能區(qū)

如果學生在預約時間的上下10 min 內(nèi)簽到，記為一次A 類預約，下次的信譽值增加20。

如果學生在預約時間的上下10 min 至半小時內(nèi)簽到，記為一次B 類預約，下次信譽值增加10。

如果學生在預約時間上下0.5 ～1.0 h 內(nèi)簽到，記為C 類預約，下次信譽值不變。

如果學生1 h 內(nèi)未簽到，或者簽到時間超過上下1小時，下次信譽值減少10。

如果學生2 h 內(nèi)未簽到，下次信譽值減少20。

下面舉例說明:最守時的學生下次的信譽值提高到120，未簽到的學生信譽值下降到80。再經(jīng)過同樣一輪變化，最守時的學生信譽值提高到140，未簽到學生信譽下降到60。高峰時段的預約，系統(tǒng)會將學生的信譽值由高到低排序，實驗設備優(yōu)先預約給信譽高的學生，相同信譽值的學生以預約時間靠前的優(yōu)先預約，信譽低的學生只能預約其它時段，或者通過提高自己的信譽值來保證以后的實驗預約成功率。

引入信譽機制，可以使學生自覺守時履約，從而可以避免出現(xiàn)實驗室管理員按學生實驗類型要求準備好相關實驗設備及耗材，而學生沒來做實驗。實驗管理人員疲于更換設備，整理材料的重復性工作可以減少。

3.2.2 學生在具體設備上簽到

學生在實驗室入口進行簽到，并且計算了預約的信譽值以后，為了精細化管理還需要在使用的設備上簽到。

我們將設備級的簽到分成兩類。一類是逐個設備簽到，學生需要把使用的每個設備的二維碼都掃描一遍。這類簽到適合學生做設備需求單一的實驗，或者是偶然性、非持續(xù)性的實驗預約。因為每次的設備組合、數(shù)量等都不同。

另外一類是相對長期的預約中的設備簽到，例如創(chuàng)新計劃訓練或者課程設計，每個學生多次使用的設備是固定的組合。例如計算機網(wǎng)絡實驗，學生使用PC機一臺、路由器三臺、交換機兩臺。我們在計算機上或者試驗臺設置一個組合二維碼，學生僅需要對該碼掃描，就可以對上面六臺設備統(tǒng)一簽到。

圖2 簽到與管理流程

3.2.3 設備使用實時統(tǒng)計和新預約接收

通過門禁后臺系統(tǒng)和二維碼簽到的后臺系統(tǒng)，我們可以獲得實時的學生數(shù)量，學生使用的具體設備信息，并且和預先繪制的設備、位置圖配合，還可以得到具體工位的設備利用率情況，設備完好率統(tǒng)計等。和傳統(tǒng)的工位分配預約管理相比較，基于設備的簽到，更能使教師和學生清晰了解某個具體設備的使用狀態(tài)，可以在開放時段，隨時預約并趕赴實驗室做實驗。預約的有效性使學生更積極主動參與創(chuàng)新實踐活動。同時也可以更好支持小型設備儀器全院教師共享機制，可以簡化設備借出歸還手續(xù)，使設備管理員對設備實現(xiàn)高效的智能的管理，發(fā)揮設備資源的最大功效［15-16］。

在此基礎上，系統(tǒng)將分析剩余實驗室和設備資源，根據(jù)后續(xù)的學生預約情況，確定是否接受新預約申請。整體的簽到與管理系統(tǒng)流程見圖2。

4 后臺XML 數(shù)據(jù)接口

4.1 XML 標準化接口

為了對不同類型實驗室和不同的設備以及預約需求進行描述，我們采用XML 來對預約信息，設備使用信息，簽到信息，實驗室開放信息進行統(tǒng)一描述。并且在移動終端采用Android SDK 來產(chǎn)生和傳輸相應的XML 數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采用DOM 的方法讀取XML 文檔。首先加載XML 文檔(Document)，然后獲取文檔的根結(jié)點(Element)，然后獲取根結(jié)點中所有子節(jié)點的列表(NodeList)，然后使用再獲取子節(jié)點列表中的需要讀取的結(jié)點。

4.2 讀取XML 文件的關鍵代碼實例

5 結(jié) 語

通過對實驗室開放需求和管理機制以及管理系統(tǒng)的分析，論文指出了目前粗放式管理的主要問題。針對學生預約信息不夠明確，實驗室使用信息更新不及時，資源利用率低等問題，提出了采用新媒體進行實驗資源的精確預約;通過二維碼進行設備級簽到的管理新機制，并且設計了學生預約的信譽機制和相應的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以使師生和實驗室管理者實時了解實驗室設備資源開放使用情況，還可以引導學生有效預約實驗室開放平臺，提高了預約和實驗室管理的精細化和信息化水平，大大減少了實驗人員的工作量，提高了實驗室開放水平。學生可以通過自主設計實驗內(nèi)容、實驗方法和過程，參加各種學科競賽和科技創(chuàng)新活動，提高學生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，促進了學生的個性化發(fā)展。開放型實驗室從而真正成為一個提高學生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的主要平臺。

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