摘要：計算機(jī)課程作為大學(xué)的一門公共課程，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的重要任務(wù)。計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生動手實(shí)踐的重要場所，然而，現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)室并不能滿足學(xué)生對實(shí)驗(yàn)室空閑資源的使用需求。為了能夠更好地使用實(shí)驗(yàn)室空閑資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，該文開發(fā)了一款基于微信小程序的智能化開放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)，系統(tǒng)客戶端實(shí)現(xiàn)了學(xué)生自主預(yù)約實(shí)驗(yàn)室的功能，而且還包括教學(xué)資源共享。后臺管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室資源管理、學(xué)生信息管理、預(yù)約管理以及基于k-均值聚類的學(xué)生智能化分組等功能，能夠最大化地方便學(xué)生，并能夠在高效管理實(shí)驗(yàn)室資源的同時，還能幫助教師及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。經(jīng)測試，軟件各界面運(yùn)行流暢，可以很好地服務(wù)于學(xué)生。

關(guān)鍵詞：開放實(shí)驗(yàn)室；微信小程序；智能化分組

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.08.052

中圖分類號：TN 929.53；TP 31" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）08-0-04

Design and Implementation of an Intelligent Open Laboratory Appointment System

Based on WeChat Mini Program

LIU Feng， WANG Xiaofeng， YUE Genxia

（Fenyang College of Shanxi Medical University， Fenyang 032200， China）

Abstract： As a public course in universities， computer courses undertake the important task of cultivating students' innovative thinking. The computer laboratory is an important place for students to practice hands-on， however， the current laboratory cannot meet students' needs for the use of idle laboratory resources. In order to improve the utilization of idle laboratory resources and enhance students' learning efficiency， this article develops an intelligent open laboratory reservation system based on WeChat mini programs. The system client realizes the function of students independently reserving laboratories， in addition to sharing teaching resources. The backend management system realizes laboratory resource management， student information management， reservation management， and intelligent grouping of students based on k-means clustering. It can maximize convenience for students， efficiently manage laboratory resources， and help teachers understand students' learning situation in a timely manner. After testing， the software's various interface operation processes can serve students well.

Keywords： open laboratory; weChat mini program; intelligent grouping

1" "研究背景

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，手機(jī)App改變了我們的生活方式，為大家的學(xué)習(xí)和生活提供了很多便利。微信小程序作為一種輕巧、便捷、跨平臺的應(yīng)用形式，越來越受到用戶的青睞[1-2]。

計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)生課堂和課下實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要場所，起著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)存在著諸多問題，如預(yù)約流程煩瑣、信息溝通不暢、資源利用不高等?；谖⑿判〕绦虻闹悄芑_放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，可以提高實(shí)驗(yàn)室資源的利用率，而如何將預(yù)約流程優(yōu)化，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，顯得尤為重要[3-4]。

本文將探討如何利用微信小程序技術(shù)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一套智能化的開放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)，旨在提升實(shí)驗(yàn)室資源的管理效率和用戶體驗(yàn)。通過結(jié)合人工智能技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5-6]，本系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生、教師和實(shí)驗(yàn)室管理員提供一個便捷、高效的預(yù)約平臺，從而將實(shí)驗(yàn)室資源更加合理利用，提升教學(xué)實(shí)踐能力。通過本研究，將計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理應(yīng)用聚類分析，能夠推動智能化技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)高校計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理新思路和新方法，并且以此來促進(jìn)教師教學(xué)能力與教學(xué)實(shí)踐水平的提升。

2" "系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于微信小程序的智能化開放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)，主要面向高校學(xué)生與計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，其整體功能架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包含用戶端和后臺管理系統(tǒng)兩大模塊：其中用戶端是小程序，包括實(shí)驗(yàn)室預(yù)約、教學(xué)資源共享、軟件下載、個人信息模塊；后臺管理系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)室信息管理、預(yù)約管理、教學(xué)資源管理、軟件資源管理、用戶信息管理等模塊。系統(tǒng)根據(jù)用戶預(yù)約信息、做題完成時間、題目得分、班級情況、專業(yè)情況等將學(xué)生進(jìn)行分組，方便教師管理授課。

3" "系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)室管理

實(shí)驗(yàn)室管理模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室硬件管理、機(jī)房設(shè)置與計算機(jī)管理，能夠幫助實(shí)驗(yàn)室管理人員更加高效方便地管理機(jī)房，并準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)室內(nèi)計算機(jī)的數(shù)量與使用情況。管理人員只需要點(diǎn)擊添加實(shí)驗(yàn)室信息，輸入實(shí)驗(yàn)室名稱與實(shí)驗(yàn)室地址，即可顯示該實(shí)驗(yàn)室的計算機(jī)數(shù)量與使用情況。通過這樣簡潔且直觀的界面設(shè)計，管理人員就可以高效地管理實(shí)驗(yàn)室資源，提高計算機(jī)的使用效率，并確保實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的有序運(yùn)行。

3.2 用戶信息管理

為了方便管理學(xué)生，系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)的查找功能，既可以按照用戶信息搜索，也可以按學(xué)號、姓名、性別、班級、專業(yè)等進(jìn)行搜索。對于注冊信息錯誤或者惡意注冊者，管理員可以刪除信息。用戶信息管理模塊的排序系統(tǒng)自動按照k-均值分類算法，并根據(jù)同組學(xué)生排序靠近的原則進(jìn)行自動排序。

3.3 實(shí)驗(yàn)室預(yù)約管理

實(shí)驗(yàn)室預(yù)約管理負(fù)責(zé)發(fā)布計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室開放的相關(guān)信息，包括添加預(yù)約，預(yù)約信息修改等。用戶點(diǎn)擊添加預(yù)約按鈕，選擇開放的實(shí)驗(yàn)室，輸入代課教師、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、開放日期、開放時間即可。對于已經(jīng)發(fā)布的開放實(shí)驗(yàn)室信息，實(shí)驗(yàn)員或者教師可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行關(guān)閉和開放，并且方便將信息共享到每位同學(xué)。

3.4 共享資源管理

該模塊包含教學(xué)資源管理和軟件資源管理兩大部分，旨在方便教師和學(xué)生共享資源，提高教學(xué)和學(xué)習(xí)效率。

（1）教學(xué)資源管理：該部分負(fù)責(zé)發(fā)布教學(xué)資源，教師可以在此發(fā)布教學(xué)資料、課件、視頻等資源，方便學(xué)生查閱和學(xué)習(xí)。

（2）軟件資源管理：該部分提供了一些學(xué)習(xí)過程中需要的常用軟件，方便學(xué)生下載。在這一部分，學(xué)生可以獲取到所需的軟件資源，滿足實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和實(shí)踐的需求。

通過這樣的共享資源管理模塊，教師和學(xué)生可以便捷地獲取并共享教學(xué)和學(xué)習(xí)資源，促進(jìn)教學(xué)效果的提升，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和技能培養(yǎng)。

3.5 基于k-均值聚類的學(xué)生分類

為了更好地管理學(xué)生和提高授課效率，可以從學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄中提取隱藏的模式。有監(jiān)督和無監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)是兩種主要的算法。監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)一般是用于從已經(jīng)標(biāo)記的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中測量分類器，以預(yù)測未來或未知的測試記錄的標(biāo)簽。監(jiān)督學(xué)習(xí)中有兩種技術(shù)，即分類和回歸技術(shù)，這取決于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的標(biāo)簽類型。無監(jiān)督技術(shù)通過記錄之間的繼承關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)未標(biāo)記數(shù)據(jù)集中隱藏的知識，其中結(jié)果表示為未來記錄的標(biāo)簽。最常見的無監(jiān)督方法是聚類技術(shù)，它根據(jù)數(shù)據(jù)的相關(guān)屬性將數(shù)據(jù)劃分為組/聚類。這些技術(shù)依賴于從學(xué)生的歷史記錄中選擇的訓(xùn)練特征集，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際表現(xiàn)，以構(gòu)建有效的分類器。分類器表示從先前學(xué)生記錄的訓(xùn)練集提取的繼承模式，以預(yù)測當(dāng)前學(xué)生的表現(xiàn)。分類技術(shù)通過訓(xùn)練和測試兩個階段來構(gòu)建分類器模型：在訓(xùn)練階段，分類技術(shù)使用訓(xùn)練集來構(gòu)建分類模型；而在測試階段，測試集用于評估分類器模型[7-8]。

k-均值聚類是一種經(jīng)典的無監(jiān)督聚類方法，其原理是將數(shù)據(jù)集劃分為k個簇，使得同一簇內(nèi)（同一類別）的數(shù)據(jù)點(diǎn)彼此距離更近，不同簇之間（不同類別）的數(shù)據(jù)點(diǎn)距離更遠(yuǎn)。在本系統(tǒng)中，我們利用學(xué)生的性別、班級、專業(yè)、預(yù)約時間、答題時間和試題得分等6項(xiàng)屬性來完成學(xué)生的聚類任務(wù)。通過這些屬性的綜合分析和比較，系統(tǒng)能夠?qū)W(xué)生自動分組，以便教師更好地了解學(xué)生群體特征、個性化需求，并針對不同群體制定針對性的教學(xué)策略。這種基于k-均值聚類的學(xué)生分類功能，不僅可以幫助學(xué)校和教師更好地管理學(xué)生資源，還可以提高教學(xué)效率。

在實(shí)現(xiàn)基于k-均值聚類的學(xué)生分類功能時，按照以下步驟進(jìn)行：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：針對各項(xiàng)屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理，包括處理缺失值、異常值等。對于不同類型的屬性，如性別、班級、專業(yè)等，可能需要進(jìn)行編碼或轉(zhuǎn)換成可計算的數(shù)值形式。

（2）數(shù)據(jù)歸一化：對于數(shù)值型屬性，進(jìn)行歸一化處理，以保證各屬性對距離計算的影響是均等的。常見的歸一化方法包括Z-score標(biāo)準(zhǔn)化、最小-最大歸一化。本文采用了最小-最大歸一化策略。

（3）選擇聚類數(shù)k：可以通過輪廓系數(shù)、肘部法則、啟發(fā)式方法等方法選擇最佳的聚類數(shù)k。本文使用了啟發(fā)式方法。

（4）初始化聚類中心：初始的聚類中心可以隨機(jī)選擇k個數(shù)據(jù)點(diǎn)，本系統(tǒng)為了能夠更好的適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室管理，將k選擇為4，對應(yīng)的是分?jǐn)?shù)等級A、B、C、D四個類別。

（5）迭代計算：計算每個數(shù)據(jù)點(diǎn)到各個聚類中心的距離，并將數(shù)據(jù)點(diǎn)分配到距離最近的聚類中心所代表的簇中。根據(jù)分配的簇，更新每個簇的中心位置。

（6）迭代收斂：重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)分配和中心更新的步驟，直到滿足停止條件（如達(dá)到最大迭代次數(shù)或聚類中心變化小于閾值）。

（7）輸出結(jié)果：根據(jù)最終的數(shù)據(jù)點(diǎn)的分配情況以及聚類中心，得到最終的聚類結(jié)果，可以將學(xué)生分為不同的群組。

通過以上步驟，系統(tǒng)能夠利用k-均值聚類方法對學(xué)生進(jìn)行分類，從而實(shí)現(xiàn)更好的學(xué)生管理和個性化教學(xué)。

3.6 用戶端模塊設(shè)計

用戶端主要包括實(shí)驗(yàn)室預(yù)約、教學(xué)資源閱讀、軟件下載、個人信息管理等功能。

（1）實(shí)驗(yàn)室預(yù)約功能，主要負(fù)責(zé)學(xué)生預(yù)約實(shí)驗(yàn)室，按照軟件提示，選擇自己合適的時間進(jìn)行預(yù)約，每位同學(xué)每個時間段只能預(yù)約一個座位。使用該功能學(xué)生可以對所需時段的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)約，確保實(shí)驗(yàn)室資源的合理利用，從而避免資源浪費(fèi)和沖突。

（2）教學(xué)資源閱讀功能，主要負(fù)責(zé)瀏覽教師發(fā)布的文字信息與視頻信息。教學(xué)資源管理可以大大提高師生的學(xué)習(xí)效率。①學(xué)生可以方便地瀏覽和獲取教師發(fā)布的文字信息和視頻信息，輔助課堂學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)學(xué)習(xí)中的不足。②學(xué)生可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)需求和節(jié)奏，選擇性地瀏覽和學(xué)習(xí)特定的教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)。③教師發(fā)布的文字信息和視頻信息可以為學(xué)生提供課后輔導(dǎo)支持，幫助他們更好地理解和消化課堂內(nèi)容。④結(jié)合文字信息和視頻信息的教學(xué)資源管理功能，為學(xué)生提供更加多樣化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)知識的全面掌握。⑤通過教學(xué)資源管理功能的有效運(yùn)用，學(xué)生和教師能夠更好地利用各類教學(xué)資源，促進(jìn)知識傳授和學(xué)習(xí)效果的提升，為課后輔導(dǎo)和學(xué)習(xí)提供了重要支持和幫助。

（3）軟件下載功能，主要負(fù)責(zé)給學(xué)生提供常用的軟件，方便學(xué)生進(jìn)行安裝使用。

（4）個人信息管理功能，主要負(fù)責(zé)用戶信息的注冊，包括用戶名稱、專業(yè)、班級、性別等，以及預(yù)約記錄的顯示。

4" "結(jié)束語

本文針對實(shí)驗(yàn)室資源管理中存在的問題，結(jié)合小程序開發(fā)技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一款智能化開放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了基本的預(yù)約管理功能，而且還引入了基于k-均值聚類的學(xué)生分組功能，通過自動分組可以提高教師的上課效率，還能促進(jìn)同學(xué)間的學(xué)習(xí)互動和合作。此外，系統(tǒng)還涵蓋了教學(xué)資源共享、實(shí)驗(yàn)室資源管理、學(xué)生信息管理等多項(xiàng)功能，可以高效管理實(shí)驗(yàn)室資源，最大化地方便學(xué)生預(yù)約實(shí)驗(yàn)室資源。經(jīng)過測試，系統(tǒng)的各界面運(yùn)行流程表現(xiàn)出色，為學(xué)生提供了便利而高效的服務(wù)體驗(yàn)。通過本文的研究和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，期望為提升實(shí)驗(yàn)室資源利用效率、促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)互動、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力等方面，提供一種新的解決方案和思路。這樣的智能化開放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)將有望為大學(xué)教育領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機(jī)遇和啟示，推動教育信息化進(jìn)程，改進(jìn)教師的教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展和能力提升。

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基金項(xiàng)目：2021年山西省教育廳教改課題（J20211972）；2023年山西省教育廳教改課題（J20231663）。

作者簡介：劉" " 峰（1982—），男，漢族，山西汾陽人，講師，碩士，研究方向?yàn)檐浖_發(fā)形式化建模與仿真、算法設(shè)計。

王曉鋒（1978—），男，漢族，山西臨縣人，高級實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)室管理、機(jī)器學(xué)習(xí)。

岳根霞（1977—），女，漢族，山西長治人，教授，碩士，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘。