收稿日期：2023-04-23

基金項目：2022年大連海事大學(xué)實驗教學(xué)改革一般項目

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.21.041

摘" 要：針對目前高校實驗室安全準(zhǔn)入體系不健全、安全準(zhǔn)入考核制度不完善、學(xué)生實驗實操安全細(xì)節(jié)難以直觀體現(xiàn)等問題，設(shè)計了基于B/S架構(gòu)的實驗室安全準(zhǔn)入系統(tǒng)。該系統(tǒng)將典型實驗內(nèi)容進(jìn)行虛擬仿真，將其涉及的安全操作方法和違規(guī)操作現(xiàn)象呈現(xiàn)至虛擬仿真實驗過程中，并將其涉及的安全問題整理生成試題庫。在安全知識學(xué)習(xí)和虛擬仿真實操練習(xí)后，學(xué)生進(jìn)行包括安全知識答題和虛擬仿真實操的安全準(zhǔn)入測試，測試結(jié)果作為學(xué)生是否可以進(jìn)入實驗室進(jìn)行實操的依據(jù)。系統(tǒng)通過“仿真實驗+知識問答”的方式，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，降低了實驗室安全違規(guī)操作的發(fā)生率，對高校建設(shè)實驗室安全準(zhǔn)入系統(tǒng)有著重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：實驗室安全準(zhǔn)入；虛擬仿真；B/S架構(gòu)

中圖分類號：TP391.9；G642.0" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：2096-4706（2023）21-0183-05

Laboratory Safety Access System Based on B/S Architecture

WANG Di1， ZHAO Xinwei2， WU Xinbo1， XU Changqing1， JING Yun1

（1.College of Marine Electrical Engineering， Dalian Maritime University， Dalian" 116026， China;

2.Navigation Training and Engineering Practice Center， Dalian Maritime University， Dalian" 116026， China）

Abstract： A laboratory safety access system based on B/S architecture is designed to address the problems of inadequate safety admission system， imperfect safety access assessment system in current university laboratories， and the difficulty in intuitively reflecting the safety details of student experiments. This system simulates typical experimental contents and presents the corresponding safety operation methods and violation phenomena in the virtual simulation experiment process， and generates a question bank of safety issues involved. After learning safety knowledge and practicing virtual simulation exercises， students take a safety admission test， which includes safety knowledge quizzes and virtual simulation exercises， and the test results are used as the basis for determining whether students can enter the laboratory for practical experiments. The system using“simulation experiments and knowledge quizzes”， students' learning enthusiasm is effectively stimulated， and the incidences of laboratory safety violations are reduced， which has important reference value for the construction of laboratory safety access systems in universities.

Keywords： laboratory safety access; virtual simulation; B/S architecture

0" 引" 言

安全是教育事業(yè)不斷發(fā)展、學(xué)生成長成才的基本保障[1]。針對近些年來高校實驗室安全事故的頻繁發(fā)生，教育部陸續(xù)制定并發(fā)布實驗室安全工作的相關(guān)文件，來加強(qiáng)高校實驗室的安全工作，保障師生的生命安全。當(dāng)前高校實驗室安全工作取得了積極成效，但安全事故仍時有發(fā)生，暴露出實驗室安全管理仍存在薄弱環(huán)節(jié)。教育部2021年發(fā)布的《關(guān)于開展加強(qiáng)高校實驗室安全專項行動的通知》[2]和2023年發(fā)布的《高等學(xué)校實驗室安全規(guī)范》[3]，均明確提出要嚴(yán)格落實實驗室安全準(zhǔn)入，強(qiáng)調(diào)將實驗室安全知識、安全技能和操作規(guī)范培訓(xùn)進(jìn)行考核，考核合格方可進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗操作。

當(dāng)前高校的安全準(zhǔn)入制度的建立存在不足，安全培訓(xùn)與考核體系并不完善[4，5]。部分高校對學(xué)生開展實驗室安全準(zhǔn)入考試，考試內(nèi)容多為高校實驗室安全政策法規(guī)和一般性安全知識，考核結(jié)果作為實驗室準(zhǔn)入的依據(jù)。但由于學(xué)生來自不同的專業(yè)，即使同一專業(yè)的學(xué)生也會進(jìn)行不同安全性質(zhì)的實驗課程，因此一次通用型安全準(zhǔn)入考試無法保證師生的安全實驗操作。即使設(shè)置多專業(yè)的多門課程的安全準(zhǔn)入考試題目，文字性的題目也很難將實驗操作過程細(xì)節(jié)上的安全問題全部體現(xiàn)出來。

本文所研究的基于B/S架構(gòu)的實驗室安全準(zhǔn)入系統(tǒng)，以電氣工藝實驗室為例，將典型的電氣工藝實驗進(jìn)行虛擬化仿真，針對電氣工藝實驗室涉及的安全問題進(jìn)行整理并生成試題庫。同學(xué)們在進(jìn)入實驗室前需在系統(tǒng)上完成上述內(nèi)容的考評，合格后方可進(jìn)入實驗室。學(xué)生在實驗之前既能夠熟悉實驗的操作流程，又能夠掌握安全注意事項。該系統(tǒng)能夠保障學(xué)生在實驗過程中的安全操作。

1" 實驗室安全準(zhǔn)入系統(tǒng)架構(gòu)

基于B/S架構(gòu)的實驗室安全準(zhǔn)入系統(tǒng)[6]，以WebGL虛擬仿真教學(xué)資源為支撐，通過數(shù)據(jù)接口進(jìn)行無縫對接，用戶可以隨時隨地通過瀏覽器進(jìn)行訪問、實操訓(xùn)練及測評，實現(xiàn)用戶的自主實驗和交互，提升整體實驗教學(xué)效果。該系統(tǒng)依托計算機(jī)3D仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，是具有良好自主性交互性和可擴(kuò)展性的虛擬實驗教學(xué)平臺。圖1為以“電氣工藝”實驗為例的系統(tǒng)總體架構(gòu)。

具體介紹如下：

1）數(shù)據(jù)層。主要存儲系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，這里分別設(shè)置虛擬實驗的資源數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果數(shù)據(jù)、用戶信息以及其他一些支持?jǐn)?shù)據(jù)等來實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。

2）服務(wù)層。是虛擬仿真實驗教學(xué)與開放共享平臺的核心框架，是實驗項目正常開放運(yùn)行的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)整個基礎(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理。支撐平臺包括以下幾個功能子系統(tǒng)：安全管理、數(shù)據(jù)管理、用戶與監(jiān)控等。

3）基礎(chǔ)服務(wù)層。開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺，提供虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件以便用戶能夠快速在虛擬實驗環(huán)境完成虛擬仿真實驗。通用服務(wù)包括：實驗指導(dǎo)、實驗簡介、實驗仿真等。

4）仿真層。主要針對該項目進(jìn)行相應(yīng)的虛擬場景構(gòu)建、虛擬實驗設(shè)備、UI負(fù)責(zé)輸出交互的信息。

5）應(yīng)用層。負(fù)責(zé)對軟件提供接口以使程序能使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2" 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫部署在Tomcat服務(wù)器上，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計主要包括15個：管理員表（admin）、教師表（teacher）、學(xué)生表（student）、實驗描述表（experiment_desc）、實驗表（webgl）、試題表（question）、成績表（score）、預(yù)習(xí)通過成績表（preview_pass）、選項表（choice）、年級表（grade_class）、動態(tài)信息表（information）、實驗室Logo表（Logo）、系統(tǒng)信息表（system_info）、教師班級對應(yīng)表（teacher_grade_class）、團(tuán)隊表（team）。主要表介紹如下：

1）管理員表。包含acc_name（賬號）、name（姓名）、pwd（密碼）、add_time（添加時間）、id（唯一標(biāo)識）、delete_flag（刪除標(biāo)識）6個字段。

2）教師表。包含acc_name（賬號）、name（姓名）、pwd（密碼）、sex（性別）、phone（電話）、college（學(xué)院）、school（學(xué)校）、remark（備注）、add_time（添加時間）、update_time（更新時間）、id（唯一標(biāo)識）、delete_flag（刪除標(biāo)識）12個字段。

3）學(xué)生表。包含name（姓名）、pwd（密碼）、sex（性別）、stu no（學(xué)號）、major（專業(yè)）、grade（年級）、class（班級）、phone（電話）、email（郵箱）、remark（備注）、add_time（添加時間）、update time（更新時間）、id（唯一標(biāo)識）、delete_flag（刪除標(biāo)識）、type flag（類型標(biāo)識）15個字段。

4）實驗描述表。包含intro（實驗中心簡介）、intro en（實驗中心簡介英文）、system（安全管理制度）、system en（安全管理制度英文）、plan（應(yīng)急預(yù)案）、plan en（應(yīng)急預(yù)案英文）、add time（添加時間）、update time（更新時間）、id（唯一標(biāo)識）、delete_flag（刪除標(biāo)識）10個字段。

5）實驗表。包含name（名稱）、name_en（英文名稱）、image_url（圖片地址）、test_score（試題分?jǐn)?shù)）、experiment_score（實驗分?jǐn)?shù)）、type（類型：0為學(xué)生端，1為教師端）、add_time（添加時間）、update_time（更新時間）、url（webgl實驗地址）、id（唯一標(biāo)識）、delete_flag（刪除標(biāo)識）11個字段。

6）試題表。包含title（題目）、image（試題圖片）、video（試題視頻）、single_flag（類型標(biāo)識：0為單選，1為多選）、webgl_id（實驗ID）、teacher_id（教師ID）、add_time（添加時間）、update_time（更新時間）、id（唯一標(biāo)識）、delete_flag（刪除標(biāo)識）10個字段。

7）準(zhǔn)入測試通過表。包含content（內(nèi)容）、content_en（內(nèi)容英文）、title（標(biāo)題）、title_en（英文標(biāo)題）、add_time（添加時間）、update_time（更新時間）、id（唯一標(biāo)識）、delete_flag（刪除標(biāo)識）8個字段。

3" 基于B/S架構(gòu)的實驗室安全準(zhǔn)入系統(tǒng)介紹

基于B/S架構(gòu)的實驗室安全準(zhǔn)入系統(tǒng)包括實驗室安全制度模塊、仿真實驗訓(xùn)練模塊、安全準(zhǔn)入評測模塊、學(xué)生登錄模塊和后臺管理模塊等。

3.1" 實驗室安全制度模塊

“實驗室安全制度”內(nèi)容涵蓋了實驗室安全教育學(xué)習(xí)內(nèi)容，主要包括“實驗室安全管理制度”“應(yīng)急預(yù)案”，該模塊以介紹性文字和圖片為主，供學(xué)生們學(xué)習(xí)。

3.2" 仿真實驗訓(xùn)練模塊

“仿真實驗訓(xùn)練”頁面涵蓋了對應(yīng)安全準(zhǔn)入實驗課程的虛擬仿真實驗訓(xùn)練內(nèi)容。本文以電氣工程專業(yè)的大型實踐課“電氣工藝”中的“電氣故障查找與處理”實驗內(nèi)容為例[7，8]。學(xué)生可以手動設(shè)置一個或者多個故障進(jìn)行排查訓(xùn)練，在訓(xùn)練過程中涉及違反用電安全操作時系統(tǒng)會進(jìn)行提示。

3.3" 安全準(zhǔn)入評測模塊

安全準(zhǔn)入評測包括安全知識測試模塊和虛擬仿真實驗預(yù)習(xí)測試模塊。學(xué)生完成虛擬仿真實驗預(yù)習(xí)測試后，點擊“實驗成績提交”，界面會彈出本次虛擬仿真預(yù)習(xí)測試過程中是否通過的安全操作項提示。系統(tǒng)會根據(jù)操作安全與實驗結(jié)果自動計算出虛擬仿真實驗預(yù)習(xí)成績，再結(jié)合安全知識測試成績，給出總成績。

3.4" 后臺管理模塊

后臺管理模塊包括教師系統(tǒng)和管理員系統(tǒng)。

教師系統(tǒng)包括學(xué)生管理、試題管理和成績管理等模塊。其中學(xué)生管理模塊中，教師可以錄入對應(yīng)學(xué)生信息，用于對進(jìn)入系統(tǒng)的學(xué)生進(jìn)行認(rèn)證；試題管理模塊用于設(shè)置安全知識理論測試題目，可以對題目進(jìn)行更改、增加、刪除等操作；在成績管理模塊中，教師可以看到所有參與測試學(xué)生的成績。

管理員系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、教師管理、管理員管理和實驗管理等模塊。管理員可以根據(jù)需求對其中的相關(guān)信息進(jìn)行增添、修改或者刪除。其中實驗管理模塊包括實驗列表、實驗描述和預(yù)習(xí)通過分?jǐn)?shù)3個部分。在“實驗列表”中，管理員可以對虛擬仿真實驗內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置；在“實驗描述”中，管理員可以對實驗室安全制度中的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置；在“預(yù)習(xí)通過分?jǐn)?shù)”中，管理員可以對實驗安全準(zhǔn)入測試通過分?jǐn)?shù)進(jìn)行設(shè)置。

4" 基于B/S架構(gòu)的實驗室安全準(zhǔn)入系統(tǒng)運(yùn)行管理機(jī)制

系統(tǒng)學(xué)習(xí)流程包括安全教育學(xué)習(xí)、虛擬仿真實驗練習(xí)、安全準(zhǔn)入測試和獲得準(zhǔn)入認(rèn)證4個環(huán)節(jié)。

4.1" 安全教育學(xué)習(xí)

安全教育學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)以自學(xué)為主，學(xué)生在線學(xué)習(xí)“實驗室安全管理制度”和“實驗室安全應(yīng)急預(yù)案”等內(nèi)容。

其中“實驗室安全管理制度”包括學(xué)校統(tǒng)一發(fā)行的實驗室安全手冊、針對本專業(yè)的實驗室管理制度、針對本實驗的安全注意事項等，其內(nèi)容以文字、圖片、動畫、視頻和虛擬仿真操作等形式展現(xiàn)。在如圖2所示的應(yīng)急預(yù)案中的“人體觸電后心肺復(fù)蘇急求措施”內(nèi)容中，設(shè)置了“去虛擬仿真實操學(xué)習(xí)”的鏈接入口，內(nèi)容為心肺復(fù)蘇的虛擬仿真實操系統(tǒng)，學(xué)生可以通過實操練習(xí)來加深對該部分知識的理解。

4.2" 虛擬仿真實驗練習(xí)

以“電氣工藝”中的“電氣故障查找與處理”實驗為例，學(xué)生首先根據(jù)電氣控制電路圖手動設(shè)置任意一個或多個故障后，系統(tǒng)進(jìn)入電氣故障查找與處理界面，如圖3（a）所示。該界面左側(cè)為電氣控制系統(tǒng)實

物，右側(cè)涵蓋了故障查找所需要的儀表與工具、故障所需要的元件，同時還可以通過右上側(cè)的工具欄打開學(xué)習(xí)資料供參考，圖中所示為學(xué)生在虛擬仿真實驗練習(xí)中的萬用表使用違規(guī)操作提示界面。學(xué)生完成虛擬仿真實驗后，點擊“完成”，系統(tǒng)會顯示故障排查結(jié)果。其中圖3（b）所示為故障未正確排除，且對操作不當(dāng)導(dǎo)致儀表損壞進(jìn)行了提示。

學(xué)生可以在該環(huán)節(jié)中設(shè)置不同的故障反復(fù)訓(xùn)練，來熟練掌握電氣控制電路工作原理、電氣控制元件的工作特性、儀器儀表使用注意事項、電氣故障排查安全注意事項等內(nèi)容。

4.3" 安全準(zhǔn)入測試

當(dāng)學(xué)生完成了安全教育學(xué)習(xí)與虛擬仿真實驗練習(xí)后，可以進(jìn)行安全準(zhǔn)入測試環(huán)節(jié)。安全知識測試界面如圖4（a）所示，根據(jù)提示進(jìn)行單選或多選，學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成測試后，后臺會自動計算出安全知識測試成績。

虛擬仿真實驗預(yù)習(xí)測試界面如圖4（b）所示，該環(huán)節(jié)無手動設(shè)置故障界面，而是由后臺根據(jù)其電路圖隨機(jī)設(shè)置一個或兩個電氣故障。學(xué)生需要在規(guī)定的時間內(nèi)，根據(jù)考試說明和故障現(xiàn)象，進(jìn)行故障分析、排查與元器件更換處理。

當(dāng)學(xué)生完成測試后，系統(tǒng)后臺會根據(jù)操作情況自動給出虛擬仿真實驗預(yù)習(xí)成績。

4.4" 獲得準(zhǔn)入認(rèn)證

學(xué)生完成安全準(zhǔn)入測試后，系統(tǒng)界面會提示該學(xué)生是否獲得實驗準(zhǔn)入認(rèn)證。若測試成績不低于90分，界面會提示“獲得實驗準(zhǔn)入認(rèn)證”，該學(xué)生有資格到實驗室進(jìn)行實操訓(xùn)練；若測試成績低于90分，界面會提示“未獲得實驗準(zhǔn)入認(rèn)證”，該學(xué)生需要重新進(jìn)行安全準(zhǔn)入測試，直至獲得實驗準(zhǔn)入認(rèn)證。

5" 結(jié)" 論

基于B/S架構(gòu)的實驗室安全準(zhǔn)入系統(tǒng)，集實驗安全教育與虛擬仿真實驗預(yù)習(xí)為一體。學(xué)生可以隨時隨地對安全知識進(jìn)行學(xué)習(xí)，對虛擬仿真實驗進(jìn)行反復(fù)練習(xí)。在真實實驗室條件下不允許出現(xiàn)的安全事故，在虛擬仿真實驗環(huán)境中可輕易再現(xiàn)，且能夠直觀呈現(xiàn)安全事故現(xiàn)象。該系統(tǒng)能夠加深學(xué)生對實驗安全問題的理解、規(guī)范學(xué)生實驗安全操作流程，有效提高學(xué)生的實驗安全意識。

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作者簡介：王迪（1989—），女，漢族，遼寧沈陽人，實驗師，博士，主要研究方向：虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用。