余久久， 鄭 昊， 張繼山， 陳 蘊(yùn)， 吳 寧， 梅瑩瑩

（1.安徽三聯(lián)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，合肥 230601；2.合肥市傳秀科技有限公司，合肥 230088）

0 引 言

高校實(shí)驗(yàn)室是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動、科學(xué)研究的重要基地，隨著高校實(shí)驗(yàn)室工作與職能的不斷拓展，對實(shí)驗(yàn)室管理工作的要求也不斷提升［1］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育的一種最有效形式，是全面培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、實(shí)踐與理論相結(jié)合能力、以及創(chuàng)新能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)［2-3］。一方面可有效激發(fā)學(xué)生課外學(xué)習(xí)主動性與積極性，提升工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識；另一方面也促進(jìn)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的共享率及使用率。在當(dāng)前人工智能時(shí)代背景下，國內(nèi)高校關(guān)于實(shí)驗(yàn)室信息化、智能化建設(shè)及管理系統(tǒng)的開發(fā)得到了廣泛關(guān)注。在近3 年已有研究中，文獻(xiàn)［4］中設(shè)計(jì)出一個(gè)基于B/S 架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室管理平臺；文獻(xiàn)［5］中提出設(shè)計(jì)基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室智能化管理綜合系統(tǒng)；文獻(xiàn)［6］中提出設(shè)計(jì)一套“硬件易實(shí)施、軟件智能化、監(jiān)控可視化、管理過程化”的開放實(shí)驗(yàn)室智能管理平臺；文獻(xiàn)［7］中提出高校實(shí)驗(yàn)室“自助共享”式的智慧管理模式，并開發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)；文獻(xiàn)［8］中提出構(gòu)建基于軟硬件結(jié)合的信息化、智能化實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)；文獻(xiàn)［9］中設(shè)計(jì)了一個(gè)基于OneNET平臺的實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)。此外文獻(xiàn)［10-12］中從職業(yè)健康意識出發(fā)，著眼智慧校園建設(shè)角度提出了智慧實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)室智能管理平臺以及多部門聯(lián)動構(gòu)建高校實(shí)驗(yàn)室EHS（環(huán)境、安全與健康）管理體系等。但是，上述文獻(xiàn)所提出的有關(guān)實(shí)驗(yàn)室智能化綜合管理系統(tǒng)或平臺，其組成結(jié)構(gòu)大都過于復(fù)雜，或僅適用于國內(nèi)發(fā)展較好的普通高校［3］。

盡管高等成人教育也是我國高等學(xué)歷教育的重要組成部分。但是有別于普通高校，國內(nèi)很多成人高校尤其是一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的成人高校往往沒有自己獨(dú)立的學(xué)習(xí)校園提供給學(xué)生（員）脫產(chǎn)學(xué)習(xí)，其大都依托本地職工大學(xué)、業(yè)余大學(xué)、干部管理學(xué)院、廣播電視大學(xué)等函授點(diǎn)以及相關(guān)社會培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室智能化建設(shè)基礎(chǔ)薄弱，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源匱乏，管理信息化程度較差，人工管理依賴程度高。①一些地方性成人高校由于長期不受當(dāng)?shù)馗叩冉逃鞴懿块T的重視，師資力量不足，更缺乏足夠的資金支持。建設(shè)全方位的智能化、物聯(lián)化、虛擬化、交互化的開放式智慧實(shí)驗(yàn)室及遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺存在諸多困難，目前仍采用傳統(tǒng)的人工手段管理實(shí)驗(yàn)室［13］。②與普通高校學(xué)生全日制學(xué)習(xí)形式有所不同，成教學(xué)生大都分散在校外居住，日常時(shí)間上班工作，僅是利用個(gè)人業(yè)余時(shí)間開展學(xué)習(xí)或自身學(xué)歷進(jìn)修活動，缺乏固定的校園學(xué)習(xí)及生活場所，統(tǒng)一集中管理困難。針對一些動手操作或技能實(shí)踐方面的實(shí)驗(yàn)類課程，學(xué)生仍需事先向所學(xué)習(xí)的高校申請實(shí)驗(yàn)場所開展有關(guān)實(shí)驗(yàn)活動，或到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場了解情況，申請辦理書面預(yù)約手續(xù)并等待人工批復(fù)，校內(nèi)外往返很不方便，且效率低下。

基于此，為面向成人高校設(shè)計(jì)一個(gè)使用便捷的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于輕量級Spring Boot 框架設(shè)計(jì)，采用ZigBee 技術(shù)，系統(tǒng)客戶端能夠在電腦、Andriod手機(jī)、智能平板等主流移動終端設(shè)備上操作，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)，能夠滿足資金不太雄厚、實(shí)驗(yàn)室智慧化管理程度較差的地方成人高校實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約管理活動的初步需求。這對于進(jìn)一步推動國內(nèi)偏遠(yuǎn)地區(qū)的一些成人高校實(shí)驗(yàn)室信息化、智能化建設(shè)以及我國高等成人教育管理工作具有積極意義。

1 關(guān)鍵技術(shù)簡介

1.1 Spring Boot

Spring Boot是由Pivotal團(tuán)隊(duì)提供，能夠快速、高效構(gòu)建一個(gè)基于Spring框架以及Spring生態(tài)體系的應(yīng)用解決方案［14］。Spring Boot是一個(gè)輕量級設(shè)計(jì)框架，其RESTful設(shè)計(jì)風(fēng)格能夠?qū)崿F(xiàn)Web信息系統(tǒng)的前后端分離，開發(fā)人員只需關(guān)注系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)。Spring Boot框架采用免XML文件配置模式，是一個(gè)使得開發(fā)人員能夠快速、易用和使用的基礎(chǔ)性框架［15］。

系統(tǒng)選用Spring MVC 實(shí)現(xiàn)Web 應(yīng)用層的開發(fā)。它使用IoC 將控制邏輯和業(yè)務(wù)對象實(shí)現(xiàn)了完全的分開［16］。關(guān)于本系統(tǒng)的服務(wù)器端設(shè)計(jì)，需要創(chuàng)建Socket數(shù)據(jù)流并實(shí)例化TCP-Client對象?？紤]到系統(tǒng)今后會部署在較大范圍內(nèi)，為避免因大量客戶端訪問服務(wù)器而造成系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較慢、數(shù)據(jù)訪問延遲等情況，將采用負(fù)載均衡技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)［17］。

1.2 數(shù)據(jù)庫接口訪問技術(shù)

實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)使用JDBC數(shù)據(jù)接口訪問技術(shù)，在一個(gè)自定義的命名空間里面的類集合中（如自定義一個(gè)幫助類：sqlhelper）封裝數(shù)據(jù)庫中用的一些常用操作，使用GirdView表格形式顯示數(shù)據(jù)。在實(shí)際中，為了便于提高系統(tǒng)的安全性、通用性、以及后期系統(tǒng)的維護(hù)，將數(shù)據(jù)庫的連接字符串寫在Web.Config文件中［18］。

1.3 自動分頁顯示技術(shù)

通過Android 手機(jī)客戶端對實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，手機(jī)上會以Web頁面分頁的形式展示數(shù)據(jù)。為了更好反映數(shù)據(jù)顯示效果，系統(tǒng)采用了GirdView自動分頁技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)多頁面顯示的層次性。為實(shí)現(xiàn)帶緩存的數(shù)據(jù)分頁顯示，可開啟SqlDataSomw數(shù)據(jù)源的“允許緩存”屬性，以提高Web應(yīng)用程序擴(kuò)展性及程序的運(yùn)行效率，并降低開發(fā)成本［18］。

1.4 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離和低速率下的無線通信技術(shù)。適用于構(gòu)建智能終端實(shí)現(xiàn)各設(shè)備、各區(qū)域的信息采集，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸［19］。系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息上傳到服務(wù)器，用戶通過智能手機(jī)終端（或其他智能設(shè)備終端）登錄系統(tǒng)進(jìn)行信息查詢及相關(guān)操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與用戶功能需求

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1所示為本實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。采用了ZigBee技術(shù)通過無線通信構(gòu)建了一個(gè)前后端分離且結(jié)構(gòu)簡單、易操作、可拓展的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)。系統(tǒng)管理員將實(shí)驗(yàn)室各類信息存入后臺數(shù)據(jù)庫。教師用戶通過連接服務(wù)器就可以按照需求對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、項(xiàng)目、環(huán)境等進(jìn)行管理，學(xué)生用戶則可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息查詢、實(shí)驗(yàn)室預(yù)約等操作［19］。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

用戶通過Android手機(jī)等智能終端設(shè)備打開實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)，在接收到請求后，網(wǎng)絡(luò)基站會立即發(fā)送相關(guān)命令并通過網(wǎng)關(guān)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器解析收到的指令，通過SQL 指令在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查找后，發(fā)送給用戶［20］。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫查找過程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)庫查找過程圖

2.2 用戶功能需求

系統(tǒng)用戶主要包含管理員、實(shí)驗(yàn)教師和成教學(xué)生三類用戶群體，對計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的申請使用進(jìn)行有效管理。學(xué)生對計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的使用進(jìn)行申請，用戶信息查詢，賬戶密碼修改和本賬戶對計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室申請審批結(jié)果的反饋。實(shí)驗(yàn)教師對計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的使用申請進(jìn)行審批，預(yù)約記錄、統(tǒng)計(jì)查詢等。管理員主要對師生用戶進(jìn)行增添、修改、刪除和查詢的操作。圖3 所示為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約功能的用例圖。

為提高預(yù)約成功率，實(shí)驗(yàn)教師需要及時(shí)發(fā)布空閑的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約時(shí)間段，學(xué)生在預(yù)約前也需要了解必要的預(yù)約信息，并按規(guī)定預(yù)約流程進(jìn)行預(yù)約。教師應(yīng)統(tǒng)籌各類實(shí)驗(yàn)資源，包括實(shí)驗(yàn)時(shí)間資源，選擇較好的資源分配策略和預(yù)約策略，盡可能滿足預(yù)約用戶的預(yù)約要求，并將預(yù)約結(jié)果，包括預(yù)約失敗的原因，及時(shí)通知預(yù)約學(xué)生，以保證預(yù)約的成功率和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率［21］。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約功能流程圖如圖4 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室預(yù)約功能用例圖

圖4 實(shí)驗(yàn)室預(yù)約功能流程圖

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用輕量級的SQLLite 作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，處理速度高效，其支持Linux、Windows等主流操作系統(tǒng)，支持ODBC數(shù)據(jù)庫接口，與Java、PHP、C#等編程語言兼容。例如，表1 與表2 所示分別為本實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)的申請預(yù)約信息表與實(shí)驗(yàn)室信息表。

表1 申請預(yù)約信息表

3 用戶UI界面展示及功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)能夠在Andriod 手機(jī)上順暢運(yùn)行，系統(tǒng)的用戶UI主界面如圖5 所示。登錄頁面將提示選擇登錄者的身份。這里以Andriod手機(jī)菜單形式描述客戶端的主要功能界面及操作。用戶在使用前根據(jù)自己的身份（如學(xué)生、教師等）填寫相應(yīng)的信息，完成注冊。圖6 所示為實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)的學(xué)生用戶及教師用戶的注冊界面。

表2 實(shí)驗(yàn)室信息表

圖5 實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)用戶UI主界面

圖6 學(xué)生用戶及教師用戶的注冊界面

3.1 學(xué)生用戶端操作

學(xué)生用戶端頁面功能主要實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室使用的申請預(yù)約，如圖7 所示。學(xué)生用戶填寫正確的申請者信息，申請實(shí)驗(yàn)室信息等，即可提交申請預(yù)約操作。點(diǎn)擊“我的”頁面按鈕，可以修改學(xué)生個(gè)人信息及以查看本人已預(yù)約實(shí)驗(yàn)室信息的情況。

圖7 學(xué)生申請預(yù)約實(shí)驗(yàn)室界面

3.2 教師用戶端操作

教師登錄該系統(tǒng)，除了可以修改個(gè)人信息之外，點(diǎn)擊“我的”頁面按鈕，可以查看學(xué)生已申請有關(guān)實(shí)驗(yàn)室的審批列表，可以對校外學(xué)生預(yù)約實(shí)驗(yàn)室的申請進(jìn)行批復(fù)，如圖8 所示。此外，教師還可以發(fā)布近期能夠提供學(xué)生課外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動的空閑實(shí)驗(yàn)室信息等。

圖8 教師批復(fù)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約界面

4 應(yīng)用成效

實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)順利完成了基于Android 手機(jī)客戶端版本（V 1.0）的開發(fā)，經(jīng)充分測試后并正式上線投入運(yùn)行。系統(tǒng)界面簡潔，用戶操作簡單，處理過程高效，運(yùn)行穩(wěn)定［22］。目前，該系統(tǒng)已充分運(yùn)用于本地一所試點(diǎn)成人高校的學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理活動。在1 年多的系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用期間，有超過90%的校外成教學(xué)生在業(yè)余時(shí)間使用該實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)。截至2021 年初，共有1 000 多人次通過Android 手機(jī)客戶端對本地試點(diǎn)成人高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室預(yù)約活動，從而順利完成實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，應(yīng)用結(jié)果反饋良好。這對于一些資金有限、人工智能及智慧校園化不是很高的地方性成人高校，實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)能夠方便校外成教學(xué)生在業(yè)余時(shí)間預(yù)約校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)相關(guān)活動的需求，具有良好的開放實(shí)驗(yàn)室的信息化管理能力，提升了實(shí)驗(yàn)室的利用率。

5 未來的工作

該系統(tǒng)應(yīng)用成效明顯。但今后為了更好配合本系統(tǒng)的應(yīng)用，針對成人高校，須在以下兩個(gè)方面進(jìn)行后續(xù)研究工作。

5.1 建立桌面虛擬化管理平臺

桌面虛擬化是利用虛擬化技術(shù)將桌面進(jìn)行虛擬化操作，所有的數(shù)據(jù)計(jì)算和信息存儲全部在系統(tǒng)服務(wù)器端進(jìn)行，用戶可以使用各種設(shè)備利用網(wǎng)絡(luò)去訪問自己的桌面［13］。

實(shí)際中，校外學(xué)生申請一個(gè)實(shí)驗(yàn)室開展某一項(xiàng)課外實(shí)驗(yàn)活動，往往會存在學(xué)生人數(shù)過少或只用到實(shí)驗(yàn)室中少數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備（如電腦、打印機(jī)等）的窘狀，而同一時(shí)間段因該實(shí)驗(yàn)室已被預(yù)約而其他學(xué)生又無法利用該實(shí)驗(yàn)室開展其他的實(shí)驗(yàn)活動。加之很多學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)活動都是在教師下班時(shí)間（如休息日、晚上等），所以需要面向成人高校實(shí)驗(yàn)教師，建立一個(gè)開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的桌面虛擬化管理平臺，方便教師登錄自己的電腦或移動終端桌面進(jìn)行操作，實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室管理信息。教師還可以通過桌面虛擬化管理平臺對學(xué)生申請實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生機(jī)數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對學(xué)生機(jī)自動開關(guān)機(jī)的時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，及時(shí)處理學(xué)生機(jī)的使用狀態(tài)等，滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源利用的最大化［13］。

5.2 建立基于智慧校園的管理決策應(yīng)用系統(tǒng)

基于本地校園環(huán)境，建立一套有效的管理決策應(yīng)用系統(tǒng)，能夠與實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)形成無縫對接，共享與分析用戶實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)揮智慧管理及決策功能。在當(dāng)前智慧校園建設(shè)背景下，該管理決策應(yīng)用系統(tǒng)要能支持與校內(nèi)辦公系統(tǒng)、師生統(tǒng)一身份認(rèn)證、校園“一卡通”、教學(xué)管理系統(tǒng)、學(xué)生管理系統(tǒng)、以及與財(cái)務(wù)系統(tǒng)對接等。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程一體化、智慧化、自動化［7］。

在滿足學(xué)生課外預(yù)約實(shí)驗(yàn)室的同時(shí)，還可以進(jìn)一步服務(wù)校內(nèi)教師在實(shí)驗(yàn)室開展相應(yīng)教、科研活動的需求，以促進(jìn)本地成人高校信息化、智慧化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的可持續(xù)性發(fā)展。

6 結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)的面向成人高校的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)，具有架構(gòu)簡易、操作簡單、界面友好、實(shí)用性強(qiáng)、性能可靠等特點(diǎn)，在所試點(diǎn)的本地成人高校中亦得到充分應(yīng)用。其很大程度上能在業(yè)余時(shí)間提高空閑實(shí)驗(yàn)室的利用率，為校外學(xué)生在業(yè)余時(shí)間開展實(shí)驗(yàn)活動提供良好的環(huán)境，同時(shí)也有效提升實(shí)驗(yàn)室管理效率及智能化管理水平，在國內(nèi)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)成人高校及各類成人教育機(jī)構(gòu)具有推廣和使用的價(jià)值。