开放式化学实验设计

开放式化学实验设计（精选十篇）

开放式化学实验设计 篇1

1.1《环境工程工艺综合实验》课程内容

《环境工程工艺综合实验》是环境工程专业的必修课,是与《环境工程微生物学》、《环境监测》、《水污染控制工程》、《环境工程课程设计》等理论教学相配套的实验教学课程[1]。该课程内容涉及活性污泥工艺,生物接触氧化工艺,UASB反应器高浓度有机废水处理工艺以及膜生物反应器(MBR)工艺等好氧和厌氧污水处理工艺。课程要求环境工程专业学生将大学四年所学的污水处理原理,水质指标监测与检测方法,反应器运行与维护等方面的知识进行综合运用,加深学生对各种污水处理工艺的适用水质,处理效果及其运行维护操作的理解,提高水质检测,反应器维护等方面的动手能力,是一门重要的实验课程,学生通过学习可以为毕业后的工作打下良好的基础。

1.2《环境工程工艺综合实验》课程存在的问题

《环境工程工艺实验》课程在多年的探索与实践中不断完善,取得了一定的成绩,但仍存在一些亟待解决的问题。(1)排课时间引争议

环境工程工艺实验涉及多学科理论知识和实验技能,因此,该课程在国内各高校大多安排在大四开设,江南大学环境与土木工程学院开设的《环境工程工艺综合实验》课程也不例外,依照目前的教学大纲,该课程被安排在第7学期进行,教学时数为36学时。从理论上说,将专业实验课安排在专业基础课和基础实验课之后开设是合理的,然而,进入大四后,学生已经将大部分精力放在准备研究生入学考试,出国英语学习和毕业实习上,导致他们对于《环境工程工艺实验》的学习积极性不高,学习效果较差,进而导致毕业生专业实验技能的匮乏。如果硬性规定学生参加实验项目,收到的效果往往也会差强人意,学生即使完成了实验,也只是蒙混过关,草草了事。

(2)实验效果难如意

《环境工程工艺实验》的实验操作周期较长,且具有一定的连续性,前一步骤的操作往往会对后一步骤操作产生重要影响,进而关系到整个实验的成败。例如“UASB处理高浓度有机废水”、“生物接触氧化法处理生活污水”等实验,从接种污泥,启动反应器,到运行反应器整个周期需要3周左右时间,一旦反应器运行异常,将无法在课程时间内进行重复实验。对学生来说,这是一种压力,因为对于一个新手,很难保证操作无误,而任何一个操作环节的失误,都会影响实验最终的结果,因而时常达不到预期目的。

(3)硬件设施难保障

《环境工程工艺实验》作为环境工程专业的综合性大实验,工作量较大,时间跨度长达3周。该实验不同于常规的物理化学实验,很多情况下都需要长时间,甚至通宵不停歇地工作,期间必须定时取样测定,以保证实验数据的准确性。为了保证样品的时效性,经常出现多人同时需用同一台仪器的情况,而普通的实验室不可能购置多台同样的设备,因此,必然造成短期内硬件设施紧缺。

2 开放式研究性实验教学模式的开启

开放式研究性实验教学模式强调以学生为主体,教师仅是利用多种手段来激发学生主动学习的精神和引导学习的方向[2]。开放式研究性实验教学模式变封闭式为开放式、变知识灌输为能力培养、变被动接受为主动探索[3]。实验教学的目标是既要通过实验来巩固基础理论的掌握,又要联系学科研究方向和工程应用实际,使开放式研究性的实验教学成为培养具有创新意识和能力的环境工程高水平创新创业人才的重要环节之一。实验教学过程强调“自主”、“开放”、“合作”、“思考”[4]。开放式研究性实验教学分四部分组成:(1)自由组成合作小组。(2)选题,即教师根据课程内容和学科方向,提出若干个研究主题供合作小组自由选择。(3)查阅文献。(4)拟定实验方案。

3《环境工程工艺综合实验》课程开放式研究性实验教学的实施

江南大学开设的《环境工程工艺综合实验》课程包括污水处理综合性实验4个:(1)UASB处理高浓度有机废水实验;(2)传统活性污泥法处理生活污水实验;(3)生物接触氧化法处理生活污水实验;(4)一体式MBR反应器处理生活污水实验。

3.1 实验选题与实施

首先,根据学生人数和实验室所具有的反应器的台数,确定学生分组数。针对每一种污水处理工艺和反应器运行特点,确定一定数量的实验选题,并根据选题制定实验目标。其次,学生自由组成合作小组,自由选择实验项目,然后在教师归定的时间内去自主查阅文献,拟定实验方案,经教师审核通过后可以开始相关的研究内容。任课教师根据学生选定的实验题目的具体情况确定实验周期。再次,环境工程专业学生在第7学期内根据小组成员的情况自由预约不同的反应器,学期结束后完成四个相关污水处理工艺的实验选题并进行实验报告与汇报,交流实验感悟。

3.2 实验创新性的提升

以往《环境工程工艺综合实验》实验过程中反应器的运行操作简单,水质测试指标仅涉及COD,NH4+,TS和VS等常规指标。学生毕业后对于新指标的表征和大型精密仪器的使用均不熟悉,更不用说解决反应器实际运行中出现的问题。因此,教师在开放式研究性实验开展时有目的地设置了新颖实用的测试指标,并通过实验设计培养学生分析解决问题的能力以及操作精密仪器的能力。江南大学环境工程依托江苏省厌氧生物技术重点实验室仪器平台开展实验,气相色谱仪、高压液相色谱仪、电子显微镜等全方位向学生开放使用。学生在取得实验数据的同时也认识和学习了先进仪器的原理和操作,获得了一石两鸟的效果。例如,在UASB反应器运行中,增加挥发性脂肪酸(VFAs)含量的测定实验。学生要定期取样并进行气相色谱的测试,并分析VFAs对反应器运行稳定性和出水水质的影响规律。再如,采用生物接触氧化法处理污水时,生物接触氧化池中生物膜上的生物相是很丰富的,组织学生利用显微镜进行生物相的观察,并将生物膜的形态和微生物量与出水水质的关系进行归纳总结,积累经验。

3.3 实验扩展与延伸

实际污水处理工程规模极大,运行中需要考虑的问题也远远不止于出水指标是否达标这么简单。通过设置解决污水处理工程实际问题的实验选题,不仅可以让学生在实验中学习到水质指标的检测方法,反应器的运行,还能提高他们分析解决问题的能力,并且毕业后能够很快适应环境工程相关工作内容。以生物接触氧化法处理污水的工艺为例,微生物挂膜周期的长短直接影响工程的启动快慢,因此如何实现快速挂膜即为该工艺的一个关键问题。开放式研究性实验以此为选题,组织学生选择不同的填料,不同的挂膜方式等,考察进水,温度和DO等对微生物挂膜的影响,通过实验,学生不仅学习了水质检测的方法,还掌握了反应器的快速启动技巧。再如,实际的MBR污水处理工程中存在冬季产水量低,膜污染严重等问题,这些问题一直是困扰污水处理厂技术人员的问题。开放式研究性实验以探究低温下MBR反应器的运行特性为题,研究温度对MBR反应器内部污泥浓度,EPS浓度和膜污染物组成等的影响,探讨减轻膜污染的方法。

4《环境工程工艺综合实验》开放式设计性实验课的教学效果

开展《环境工程工艺综合实验》课程开放式设计性实验,是笔者近年来改革环境工程专业实验教学的尝试。实践表明,这种模式能充分调动大学生主动学习的积极性,通过《环境工程工艺综合实验》课程开放式设计性实验,充分发挥了环境工程专业学生各自的思维和想象能力,增加了创新意识与能动的启发和培养。比如在生物接触氧化法处理生活污水实验中,需要设计生物接触氧化反应器处理生活污水的运行方案,包括取样时间,进/出水p H、COD及氨氮等水质指标的测定,曝气池和出水中SS、VS及SVI等污泥指标的测定,COD等污染物去除率及其容积负荷的关系曲线绘制等,任课教师把学生分成四组完成实验、取得数据并进行分析总结后,学生以PPT的形式,汇报各自的实验结果并在组与组之间展开积极的讨论,作为实验老师深深感到经过此实验课,大学生的综合素质得到了明显提高。

5 结语

在不断发展的社会背景下,一成不变的实验内容和教学方法显然不能满足当代人才培养的需求。所以,在《环境工程工艺综合实验》课程教学改革中,以培养应用型、创新型人才出发点,通过改进教学理念、教学形式、实验教材及考核方法,提高学生的科研素质和科研精神,增强动手能力和创新能力,切实促进《环境工程工艺综合实验》课程教学质量的提升。

摘要：《环境工程工艺综合实验》课程是环境工程专业的一门重要的综合性实验课程,是环境工程专业学生的必修课程,也是培养学生专业技能、培养学生创新能力和工程实验能力的重要手段。针对江南大学《环境工程工艺综合实验》课程开设中存在的问题,改进教学理念、创新教学模式、增强学生的动手能力,切实促进《环境工程工艺综合实验》课程教学质量的提高。

关键词：环境工程工艺综合实验,开放式设计性,江南大学

参考文献

[1]赵海霞,刘景知,张成禄,等.环境工程专业综合实验研究[J].实验技术与管理,2002(6):28-30.

[2]何炎明,王宏斌,戚康标,等.以创新能力培养为核心实施开放式研究性实验教学[J].实验室研究与探索,2009(6):201-203.

[3]贾青竹,豆宝娟,李海明,等.研究性教学理念在环境工程综合实验教学中的应用探索[J].化工高等教育,2013(6):58-61.

测量实验室开放管理模式设计 篇2

测量实验室开放管理模式设计

测量学是一门操作性极强的学科,实验实践教学是其教学工作的重要组成部分.因此,实验审的建设与管理是加强测量专业学科建设的`重点.据此,以广东工贸职业技术学院测量实验室为例,提出了开放式管理模式的初步没计方案.

作 者：魏海霞 高照忠 WEI Hai-xia GAO Zhao-zhong 作者单位：广东工贸职业技术学院,广东,广州,510510刊 名：地矿测绘英文刊名：SURVEYING AND MAPPING OF GEOLOGY AND MINERAL RESOURCES年，卷(期)：200925(2)分类号：P27关键词：测量 开放管理 实验预约 名额限定 项目分管

开放式电子设计创新实验室的建设 篇3

【关键词】开放式；电子设计：创新；实验室

【中图分类号】G482 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0040-01

1 引言

传统的电子实验室建设很明显已经不适应当前社会对人才需求的要求，而如何解决学分制和弹性学制带来的表现在实践教学上的矛盾，如理论课与实践课上课时间相冲突的矛盾；传统的以班级为单位安排实验课与学生自主选择实验课时间的矛盾；一起上课的不同专业学生的知识结构差异的矛盾等等。这就要求我们要开辟一种新的电子实验室的方式，使新形式的实验室可以满足各类学生的不同需求。开放式实验室是我们选择的方式，因为它可以将实验教学资源向需要使用这些资源的对象开放，令使用者可以根据自己的需要来设定和规划自己的课程任务。不仅这样，它还能为学生培养创新能力提供适当的时间和空间；有效提高实验设备的使用率，缓解高校扩招后学生数量上的增加与实验设施相对缺乏的矛盾。开放式实验室建设是电子实验室建设改革的最佳选择。

2 开放电子实验室建设目标与功能

2.1 建设目标

开放电子实验室建设目标是：建设仪器设备先进、资源合理共享、容量大、开放服务的实验教学环境，建设满足现代化实验教学需要的高素质实验教学队伍和现代化高效运行的管理机制，树立以学生为本，以能力培养为核心，以提高素质为宗旨的实验教学观念，建立多元化，多层次以培养学生综合实践能力和创新能力的实验教学体系。建成省级乃至全国一流的电工电子实验室。

2.2 实验室功能

电气信息技术及相关产业是21世纪最具活力的支柱技术和产业之一，社会需求大量的具有创新意识和能力的高素质工程技术人员，实现工程素质人员的培养，靠有限的基础实验是远不够的，必须有一个功能完善的实验教学环境。电工电子实验室具备的功能：

（1）为全校电子实训基地。

（2）为全校电子开放性基础实验基地。

（3）为全校电子类课程设计的场所。

（4）为全校电子科技创新、竞赛和产品开发的开放性场所。

3 实验室的设置和规模

实验室的设置按功能要求，方便学生，便于开放，利于能力培养来考虑，实验室建设规模，则是根据学校实际情况和未来发展综合考虑，在满足现有实验教学的前提下，留有充分的余地。电子实验室承担全校电类、非电类公修课程（电工、电路、电子技术）的实验教学，涵盖理、工等科类，涉及多个系与专业，平均每学期参加实验人数达上万人。需要根据上述的具体情况，确定实验室设置和规模。下面我们以平均每学期参加试验的人数为4000人来进行实验室的模拟设置。

3.1 电工实训室

使用面积250 m2，一次可容纳100人，该室任务是进行电工元器件的识别和检测，电器（交流接触器、电机等）安装、调试与制作。服务对象主要是低年级中专生和大专生，也可对外进行电工培训。

3.2电气技术研究室（又称创新室）

面积100 m2，一次可容纳40人，主要任务是进行电工类、电路、仪表电器控制等方面科技创新与研制，服务对象主要是高年级和高层次学生，也可对教师开放。

3.3 电子实训室

面积300，一次可容纳120人，该室主要任务是进行电子类元器件的识别和检测，电子电路整机（如：收音机、功放、电话机等）安装、调试与制作。服务对象主要是低年级和低中层的中专生和大专生。

3.4 电子技术研究室（又称创新室）

面积150 m，一次可容纳60人，主要任务是进行电子科技创新与研制，电子科技竞赛和电子课程设计，服务对象主要是高年级和具有高层次学生和教师。

3.5 电工电子基础实验室

面积800 m，一次可容纳220人，分为4个室，主要任务是承担全校电工学、电路分析、电子技术（模拟电子和数字电子）等方面的基础课实验。服务对象各类中专和大专生。电工电子实验室各分室的设置，基本上形成了分层次、多模块相互衔接的实验室结构，实现基础与前沿，经典与现代的有机结合。

4 现代化实验教学的手段和管理的建设

开放电子实验室是个大容量的多室结构，参加各类实践活动的学生人数众多，教学任务重，管理人数少，用传统的教学和管理手段难度很大，更不利于实验室开放。

4.1 建立多媒体实验室，实施现代化实验教学

实验室是否配置多媒体设备，是根据其规模、任务及参加实验的学生人数而定。最需要多媒体设备的是电工电子基础实验室和电子实训室。因此需要建设建成基础实验室和电子实训室。多媒体实验室不但方便了教师，而且学生也可移动鼠标，随时查看实验要求的事项等，可以大大减轻教师的负担。

4.2 建立中央监控室，实现现代化管理

现代化管理是保障实验室开放有序进行的重要手段，电子实验室各分室都需要装配考勤机、摄像头，通过网络与中央监控系统连接，并对电子基础室的电子实验台进行联网。电子实验室及研究室都设置有计算机管理系统，各子系统与中央控制室的主机相连。中央控制室又连通学校的教学网，实施三级管理模式。中央监控室是校主管部门与各实验室信息联络站，起到了实验教学和管理的上承下达的作用，通过监控室观察到各室学生实践活动的情况，了解各仪器设备使用情况等，便于及时的发现和解决存在的问题以及各类实践活动的安排。同时可以实现实验的网上预约、评教与考核等，实现各部门间、师生间的信息传递。

4.3 实验教学队伍的建设

实验教学队伍建设是实验室建设最具活力的组成部分，也是实施实验室开放的主要保障。建设一支高素质的实验教学队伍，已经成为高等教育部门专家学者的共识，也为高校培养具有开拓意识、创新精神、创新思维和创新能力的高素质人才，提供动力和帮助。为此，我们提出实验队伍组成人员应满足下述条件之一：

（1）专科以上学历，具有高、中级职称，认真负责，踏实肯干，有敬业精神，适应电工电子实验

教学。

（2）本科以上学历从事电气信息类，具有较高理论水平又有较丰富实践能力双型人才。

（3）本科以上学历，从事电气信息类专业或有相关专业知识，或者在较短时间内能适应电工、电子实验教学全过程（讲实验、辅导实验、指导实训、带课程设计、管理和维修设备）。

5 结束语

虽然建设开放式的电子实验室存在着诸多困难，但我们还是需要将工作做好，为广大学生提供良好的学习环境。作为普通的中职院校，应明白自己的缺点和不足，但是更加要清楚自已培养人才的责任和担子。为了学生有更加完善的学习平台，创建开放式的电子创新实验室，合理利用学校的资源，最大程度的提高学生的实际动手能力和解决问题能力，以应对社会对人才的需要。

参考文献

[1]黄沃才.开放实验室建设与管理探究[J].中国现代教育装备，2008，（3）：13-14.

[2]贾玉瑛，崔桂梅.自动化专业开放性实验室教学模式的研究与实践[J].实验室科学，2008，（2）：48-49.

[3]严薇，袁云松.加强实验室开放为培养创新人才提供良好支撑[J].实验室研究与探索，2009，28（5）：16-17.

智能测控仪表开放式实验平台设计 篇4

关键词：教学方法,实践环节,计算机控制,开放式实验平台

目前,高校自动化、电气自动化、测控技术与仪器等专业相关实验装置都采用智能测控仪表作为核心控制部件。学生做实验时,往往采用实验装置配套的实验平台与系统程序,按照实验指导书给出方法接线后在应用界面上输入有关参数,运行后即可获得不同的实验数据。这种实验方法对于相关课程学习,可以从感性认识层面对学生起到帮助作用。然而,由于实验装置对学生不够透明,无论硬件还是软件平台对学生均不开放,不能发挥学生的主观能动性,学生不能在实验过程中按照自己的设想改变实验方法,不能进行设计型实验,因而具有局限性。因此,设计一种可以让学生有更多参与性的开放式实验平台很有必要。

1 开放式实验平台概述

开放式实验平台应该满足三点基本要求:首先,硬件平台对学生透明,所有设计用到的文档包括电路原理图、工作原理分析、所用关键元器件对应的技术资料等一应俱全,以方便学生分析电路使用;其次,有基本的软件平台,包括软件功能描述、程序结构与流程图、具体程序及必要的注释,方便学生阅读基本程序;最后,有开放式实验平台的使用说明,供学生实验时使用。另外,硬件设计应该预留部分系统扩展接口,以方便特殊用途。

基于上述基本要求,在具体设计过程中,平台各部分选择应该考虑与专业课程设置的衔接性,以方便学生在使用实验平台过程中运用已经学习的知识尽快了解与掌握其使用方法,提高学习效率,最大程度上发挥平台的优势,增强学生的训练效果。

2 智能测控仪表开放式实验平台组成结构

智能测控仪表核心是计算机,其类型可以是微控制器、可编程控制器、工控机等。[1]兼顾应用与教学两方面需要,选择微控制器作为核心部件搭建开放式实验平台,其组成结构图如图1所示。

硬件平台设计依据是工业产品。[2]设计出发点是将产品透明化,即:剖析每一模块对应的功能及原理电路,并提供相应的模块测试程序。设计原则是,每一部分的设计首先保证基本功能,然后预留一定的扩展功能接口电路,以方便不同实践环节的需求。

微控制器选择:考虑实验平台用途,应该选择学生在专业课程中学习过的计算机型号,以方便学生在具体使用平台时可以相对容易地分析平台结构与组成原理。

外输入通道部分:按照工业仪表标准,输入输出信号均为标准电流电压信号,电流4 m A~20 m A,电压1 V~5 V。输入通道基本部分功能是将两路标准电流与电压信号转换成相应的数字量送给计算机,对应四个输入接线端子,精度要求为0.5级。预留扩展输入接口电路为频率电压转换电路,开关量输入电路。

输出通道部分:可以同时输出两路工业标准的电流与电压信号,对应四个输出接线端子;预留扩展功能为带光电隔离的两路开关量输出,用于驱动固态继电器使用。

显示部分:按工业产品基本要求,设计两组四位七段数码显示,一组用于显示设定值,另一组用于显示实际值;预留扩展接口为带汉字的液晶显示,触摸屏显示。

参数设置部分:基本部分为5个功能键,单独或组合完成参数设置、功能选择等任务;预留接口为与显示共用的触摸屏输入。

通讯接口:基本部分包括RS232接口、RS485接口、USB接口等,以满足多级计算机控制与联网需求;预留扩展接口为无线数据输入输出、CAN总线等。

除了上述基本组成部分外,设计时还可以添加抗干扰电路、实时时钟电路等。

3 开放式实验平台程序结构

按照智能测控仪表功能,其程序主要包括两大部分:其一是输入显示管理程序,相当于一个小规模操作系统,具体完成开机显示、参数输入显示、运行显示等功能;其二是控制算法对应程序,作为通用的测控仪表,可以用于不同的控制对象。因此,为了取得良好的控制效果,配置不同的控制算法是必不可少的,如基本数字PID算法、扩展PID算法、模糊控制算法、仿人智能控制算法等。

以智能测控仪表为核心构成的计算机控制系统基本工作模式可以是直接数字控制(DDC)系统,也可以是两级计算机控制系统。根据工作模式的不同,实验平台对应的程序结构也有区别。对于DDC系统,微控制器独立工作,主程序流程图如图2所示。

限于篇幅,流程图做了简化。键处理程序包括按键识别及包含运行子程序在内的所有功能键处理子程序。需要指出的是,程序实际编制过程中应该从工业应用角度出发做相应处理,如开机后或者参数输入过程中,超过一定时间没有键盘信号,程序将自动进入默认的运行状态,这可以通过在开机后运行除子程序以外的其他键处理子程序中,开始时启动10秒运行延时实现。

对于两级计算机控制系统,程序结构有两种方式,其一是系统工作过程中以下位机即智能测控仪表构成的控制器为主控机,控制器在每个程序工作周期向上位机发联络信号,并根据上位机具体要求做出应答,如实时数据传送、时间段数据传送等,按照协议完成相应操作,然后再返回其固有运行模式;下位机主程序流程图与图2基本相同,仅在运行子程序最后加入与上位机的通讯子程序,这样就可以保证在每个程序循环周期中与上位机有一次应答过程与数据传送过程。其二是以上位机为主控机,系统工作过程中下位机主要起数据采集与控制信号输出的作用,这种模式可以充分发挥上位机运算速度快的特点,完成复杂控制算法的计算,同时可以完成必要的数据与图像处理功能。这种模式对应的下位机主程序流程图如图3所示,其中接收与信号处理部分包括的子程序有参数设置子程序、输入输出运行处理子程序等,每个子程序结束后都返回到发准备应答信号处,形成循环程序。

4 结束语

开放式化学实验设计 篇5

【摘 要】本文基于ZigBee无线网络，结合超高频射频识别（UHF RFID）技术设计出能够通过互联网进行远距离监控的开放性实验室设备管理系统。系统将ZigBee网络与以太网结合，使用RFID完成对实验室现场的监控，能够对实验室设备进行全生命周期的跟踪和定位，实现了对实验室安全的自动化监控，从而有效提高了开放性实验室设备管理的效率和实验室智能化管理水平，满足实验室设备管理和安全管理对实时性和便捷性的要求。

【关键词】开放性实验室；设备管理；Zigbee；RFID

Design of Open Laboratory Management System Based on Zigbee

YE Heng-xiao WANG Qing-quan HE Peng-fei XIANG Wei-kai

（Mechanical & Electrical Engineering College，Jiaxing University，Jiaxing Zhejiang 314001，China）

【Abstract】An open laboratory equipment management system is designed for remote monitoring via the Internet based on ZigBee wireless network，combined with UHF radio frequency identification（UHF RFID）technology.The system complete the automation of laboratory site monitoring and achieve tracking and positioning laboratory equipment in full life cycle.In practice，it is effectively improved that the equipment management efficiency and intelligent management level.The system meet laboratory equipment management and security management for real-time and convenience requirements.【Key words】Open laboratory；Equipment management；Zigbee；RFID

0 引言

近年来，为培养学生的创新意识和综合素质，引导学生的自主学习，使学生科技活动大众化、日常化，我院陆续建立了机械设计创新基地、电子信息创新实验室等开放性实验室，为学生自主开展科学研究和科技竞赛活动提供了实验室空间和资源。但与教学型实验室相比，开放性实验室的人员和设备流动性较大，开放时间长，增大了实验室管理人员的设备管理工作量和安全监管难度。因此，如何实现实验室全方位开放和实验室安全高效的管理已成为实验室管理人员亟待解决的重要问题。在此背景下，本文基于ZigBee无线网络，结合超高频射频识别（UHF RFID）技术设计出能够通过互联网进行远距离监控的开放性实验室设备管理系统[12-14]。系统将ZigBee网络与以太网结合，使用RFID完成对实验室现场的监控，能够对实验室设备进行全生命周期的跟踪和定位，实现了对实验室安全的自动化监控，从而有效提高了开放性实验室设备管理的效率和实验室智能化管理水平，满足了实验室设备管理和安全管理对实时性和便捷性的要求。系统总体结构设计

系统由粘贴在设备上的电子标签、ZigBee终端节点（RFID读写器/阅读器）、ZigBee路由节点、ZigBee协调器（ZigBee/Ethernet网关）、应用管理服务器等几部分组成[6]，系统总体结构图如图1所示。

电子标签采用超高频无源射频标签[15]，内部贮存设备的编号、规格型号、维修记录、存放地点、价格等相关信息。终端节点的超高频RFID读写模块读取辐射范围内的电子标签的数据，经由板载的ZigBee射频模块把RFID采集的设备信息发送给ZigBee网关//协调器。终端节点同时接收来自ZigBee协调器的控制信息并传输给RFID读写模块。根据工作方式划分，终端节点又可划分为固定式RFID读写器和手持式RFID读写器两类[5]。其中，固定式RFID读写器分布在各个实验室入口处，主要负责设备出入定位，手持式RFID读写器用于日常设备巡检和电子标签管理。ZigBee网关/协调器安装于ZigBee无线传感网和以太网之间，收集来自各终端节点的数据，并将数据通过以太网传递给以太网中的应用管理服务器。通过网关实现了ZigBee数据包和以太网 TCP / IP数据包的透明传输，用户无需访问无线传感网中的各个终端节点就可以收集相关设备数据。应用管理服务器负责通过以太网接口接收来自ZigBee网关/协调器节点上传输来的设备数据，并保存在服务器中的数据库中。同时服务器通过以太网向ZigBee网关/协调器节点发出用于控制RFID读写模块的命令。另一方面，服务器提供局域网web服务，方便实验室管理人员通过访问服务器查看设备记录数据库[7]。

图1 系统总体结构图系统硬件设计

系统硬件包括ZigBee网关/协调器、ZigBee路由节点、终端节点。

2.1 ZigBee网关/协调器设计

ZigBee网关/协调器由以下部件构成：STM32F107VCT核心板、EMZ3118 ZigBee射频通信板、扩展底板。核心板包括STM32F107VCT微控制器、复位电路、时钟电路和调试电路等，构成微控制器最小系统。EMZ3118射频通信板实现ZigBee网络中协调器节点功能。EMZ3118是上海庆科公司生产的基于STM32W108的嵌入式ZigBee可编程应用模块，提供了ZigBee/IEEE802.15.4兼容的无线解决方案，其发射功率达到100mW，发射距离远，信号稳定，可满足低成本的无线传感网需求。采用该模块降低了使用STM32W108芯片时硬件设计的难度。扩展底板上包含电源电路、以太网接口电路、液晶驱动电路、键盘接口等。

2.1.1 ZigBee通信接口结构

EMZ3118整合了ZigBee射频（RF）前端，带有外部射频功率放大器，最大传输功率输出在-7～20dbm之间可编程，其视野范围内最大传输距离可达1.6km，RF数据速率250kb/s。模块有36个输出引脚，其中有24个GPIO输出端口引脚，4个中断端口引脚，6路12位A/D端口引脚，支持两路串行接口（UART/SPI/I2C）。设计中EMZ3118模块通过SPI接口与STM32F107VCT连接。模块的外部功放是通过STM32F108W的4个引脚来控制，其中PA3口控制外部功放电源，PA6口控制外部功放使能，PC5控制模块发射/接收操作模式，PA7控制输出天线接口类型。

2.1.2 以太网接口电路

网关主控制器STM32F107VCT内部已集成介质访问控制器（MAC），支持 10M/100M 的以太网通信，提供了MII和 RMII两种接口模式。设计中主控芯片需要通过外部物理层接口芯片才能连接到物理层LAN总线。设计中使用DP83848VV，该芯片是TI公司生产的全功能低功耗10M/100M单端口物理层接口芯片。为了简化设计，设计中主控芯片和DP83848VV间采用RMII接口模式，这样RMII数据收发上比MII接口少了一倍的信号线。RMII接口模式下要求的50M总线时钟则由外部有源晶振SM7745DEV提供。网关与外部以太网通信还需要 RJ-45 接口，设计中选用了汉仁公司的网络变压器HR911105A，该网络变压器集成了网络变压器和RJ-45接口，可满足IEEE 802.3的电气隔离要求，解决前端信号因衰减、损耗等原因引起的数据丢包、传输中断等问题，从而有效保障了无失真传输以太网信号，并抑制辐射发射。

2.1.3 人机交互接口电路设计

人机接口包括4个通用彩色LED指示灯，带选择键的 4 向操作杆，通用按键、唤醒键和入侵检测按键，带触摸屏的3.2“TFT 彩色 LCD 显示屏。LCD 显示屏采用AM-240320D4TOQW，内置驱动器ILI9320，分辨率240（RGB）×320像素，可选SPI串行数据接口和18位RGB 并行数据接口。设计中数据接口采用SPI接口，触摸屏的4位数据接口通过外部I/O 扩展芯片STMPE811连接。

2.2 ZigBee终端节点设计

ZigBee终端节点由主控制器、超高频RFID读写单元、ZigBee射频单元、液晶驱动、温湿度传感器、键盘、调试电路等组成。基于成本考虑，终端节点的主控制器采用STM32F103，而ZigBee射频单元和人机交互电路与网关采用相同设计。设计中主控制器通过ZigBee无线接口接收服务器发送的指令并解析，实现对超高频RFID读写单元的控制和操作，同时将超高频RFID读写单元所采集的信息无线传输给服务器。因此，终端节点设计中超高频RFID读写单元是设计中的重点和难点。

2.2.1 超高频RFID射频电路设计[8-9]

RFID射频模块采用超高频RFID读写器专用芯片AS3993[3]。AS3993是奥地利微电子公司最新推出的EPC Class 1 Gen 2 RFID阅读器芯片，实现了完备的RFID功能，可在普通模式下兼容ISO 18000-6C标准，在直接阅读模式下兼容ISO 18000-6A/B标准。该芯片集成度高，集成了模拟前端和底层协议处理，内置压控震荡器（VCO）和最大20dBm功率放大器，接收灵敏度达到90dB，支持跳频、数据底层传输编解码、数据组帧和循环冗余校验，具有低功耗的特点，并且对由天线反射回波等引起的干扰具有免疫效果。这对本文中移动式巡检器和固定式阅读器的设计极其重要。因为在RFID读写器设计中，天线设计经常遭受成本或尺寸限制。高灵敏度可使RFID读写器设计在达到自身要求的同时，可以使用更简单和便宜的天线，从而降低了系统成本和设计难度。本文设计中把以AS3993为核心的阅读器模拟前端设计成模块，这样模块可以很方便的与控制器STM32F103通过SPI接口实现数据交互。

2.2.2 传感器电路设计

终端节点的温湿度传感器和光强传感器用于检测实验室的环境参数。设计中温湿度传感器采用SHT11，其内置14位AD，串行数字输出，相对湿度精度达到±3RH，温度测量精度±0.4℃，使用中采用I2C接口与控制器通讯。光强传感器采用TAOS公司的TSL256x。TSL256x提供了I2C接口和中断输出接口，可编程设置光强度上下阀值，其模拟增益和数字输出可程控控制，适用于实验室光照控制和安全照明的应用。ZigBee无线组网策略[11]

ZigBee有星型（Star）、树型（Cluster Tree）和网状（Mesh）三种组网方式。考虑到各个开放实验室分布在同一楼层的不同房间，覆盖面广，并且距离相距较远，需要ZigBee网络能够覆盖整个楼层，并具有较远的通信距离，同时要求ZigBee具有较高的可靠性和健壮性。综合考虑三种组网方式的优缺点，设计中采用网状拓扑结构组网。各个安装在实验室出入口的固定式阅读器的ZigBee节点全部作为全功能设备，与分布在实验室内的各路由节点组成的的网状拓扑结构覆盖了整个楼层，提高了网络的可靠性和覆盖范围，便于移动式巡检器在整个楼层范围内的可靠有效工作。系统软件设计

4.1 网关软件设计

网关软件采用uCOS-II嵌入式实时操作系统，主要包括系统和外围模块底层驱动、网关应用层协议和应用程序设计等部分。根据网关的功能需求，应用程序划分为系统驱动和控制任务、文件管理任务、人机交互任务、Zigbee组网任务、WSN通信交互任务、以太网通信交互任务、协议转换任务等，由uCOS-II内核统一调度管理。

高等学校实验室开放系统设计分析 篇6

关键词：实验室；开放；系统

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 10-0000-02

一、引言

随着各高等院校的办学规模的扩大，在教学、科研各方面的迅速发展，为提高人才培养质量，根据《教育部关于教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》中创新人才培养模式，强化实践育人环节的具体要求。各学校在实验室及大型仪器设备的使用效益均有所提高，但就全国高校来说，目前有半数以上的仪器设备的年使用机时非常低，有的实验室或大型仪器设备甚至常年只给学生做过几个学时的演示实验。对于大型仪器设备来说有的功能待进一步的开发，还有一些实验室或大型仪器设备则缺乏专业的管理人才、使用人才和维修人才。

本文根据目前实验室改革发展的需要，在开放实验室方面主要探索以学校统一组织开放工作，制定开放和预约形式，贯彻面向全体、因材施教、形式多样的指导原则，为学生提供实践学习条件，培养学生的创新意识和动手时间能力，把开放工作深入到教育教学管理的各个环节，让实验室变成高等学校实施素质教育、培养学生创新精神与实践能力的重要基地为思路，对实验室开放系统进分析设计。

二、理论体系

高等学校实验室开放是适应高等教育改革的成功之举，也是培养学生创新精神、提高动手能力、开展素质教育的重要途径[1]。

所谓实验室开放是将实验室为学校的教、学、研所提供的条件（时间、设备、场所、经费、指导教师等）部分或全部向实验对象有目的地开放[2]。一方面是指时间和空间的开放，学生通过网络预约，选择时间进入实验室；另一方面是实验内容、手段、方法的开放，学生只要符合管理的管理制度，就可到实验室应用自己的实验的内容、手段及方法。

从实验室的开放模式上来看主要有（1）针对新生设计的一些基础实验项目。是教学计划内必需做的实验。对没有能按时完成教学计划内教学实验的学生，需要安排时间让学生完成计划。（2）学校根据实验室的仪器设备，提供相应的综合性、设计性和研究性实验项目，鼓励学生进行创新设计，认真完成实验并撰写实验报告。（3）由于部分学科竞赛、或学生参与的科项研项目、小发明、小制作、小论文等实验活动等等，在内容上开放程度较大，实验方法和手段基本上是完全开放的。

开放实验的原则是不能与学生所学专业的课程教学实验内容相重复（计划内），属于课程教学内容的拓展实验，经申请审批后列入开放教学实验的范围。

三、实验室开放现状

虽然近年来有许多高等院校在如何对实验室开放方面进行了有益的探索，就如何提高效率进行了努力，但在开放的效率上还是没有得到多大改观，仪器设备使用效率低下，造成资源的巨大浪费。因此，管好、用好、开发好现有仪器设备，使之更好地在教学、科研和对外服务中发挥应有的作用，具有更加深远的经济和社会效益。如何运用现代计算机信息技术，对高校实验室进行科学的信息化管理、提高工作效率和管理水平，已经成为高校实验室管理工作者亟待解决的重要问题之一[3]。

在教育部和各省教育厅支持下，部分高校已经使用了实验室开放相关的软件，对实验室开放信息化管理也起到了积极的推动作用，但在使用过程中也不可避免地存在着很多不足，主要表现是：⑴功能不完善，不能覆盖实验室开放的各个方面；⑵单机管理模式；⑶管理模式分级不合理，难以适应不同的实验室管理体制；⑷信息化标准不统一，各系统之间不能有机连接。⑸不利于学分制的实施等。

四、系统分析

（一）业务流程分析

实验室开放的需求包括实验项目、实验室、创新项目的开放，首先要由学校统一提供实验的预约，如果学生感兴趣，或者是某竞赛等需要使用实验室，那么在课余时间可以通过预约满足自己的需求，其中需要考虑实验室的仪器设备数量、实验教师、实验时间是否空闲等问题，预约实验的设计中需要对学生的预约进行控制或统一的安排等等。

（二）开放内容分析

开放内容按照实验室的类别形式分为大型仪器设备开放、基础实验室开放等两个部分。根据教育部《高等学校仪器设备管理办法》逐步实现资源共享。首先是对大型仪器设备的开放设置：针对每台仪器设备添加仪器设备管理员，设置开放的形式（是全部开放还是针对指定的班级或开放的某个时间段），定义此台仪器设备开放是否收费和收费标准是多少，是哪位指导老师等信息，经实验室主任审核通过后即可执行。其次是对大型仪器设备开放管理方式——电源控制设备管理：在电源控制器内添加电源控制模块的设备IP、网关、设备通讯端口，设备的MAC地址及上报服务器的通讯端口，将管理设备安排座位，通过TCP/IP通讯协议控制设备的通讯端口，以此来控制仪器设备电源的开启与闭合，管理员也可按照实验室设备配置表查看设备电源即时状态等。

从开放实验内容来分析包括教师发布实验与学生自主实验两方面，1.教师发布实验：任课老师按照实验室制定的开放时间情况，根据教学内容的需要，制定计划外的实验项目，旨在巩固和加强学生对教学内容的理解、指定实验时间、实验场馆、指定班级、定制批次、学分评定、确定发布时间。申请上报教务主管部门审批后转发至实验室管理处纳入实验室的排课系统中。2.学生自主实验：教务主管部门或者實验室管理处应对学生或其他个人申请申报的科技活动型、加强技能型或自主创新型的实验给予大力支持，及时进行预约审核受理并安排合适的时间、场馆，督促其自定实验方案，创建实验项目名称，安排实验指导老师，设置开放规则并保留实验记录。

（三）功能需求分析

根据实际情况，在开放实验管理主要分为以下功能需求：

1.实验项目开放中涉及开放实验项目申请管理、实验项目预约管理、项目成绩管理、实验课程成绩统计及相关信息的查询与打印。

2.实验室开放管理中涉及提供对实验室的开放申请与审核管理、实验室开放信息设置与实验室开放预约管理

3.创新项目管理主要是能有效管理来自学生用户提交的自拟项目、教师用户提交的创新项目申请与审批。

4.开放查询管理提供实验教师和实验室开放课表的查询与打印等功能

5.学生实验预约管理为学生的实验预约提供自各角色用户之间的交流，如预约申请是否已批准，或是什么原因没有预约成功等。

（四）系统设计分析

开放实验管理模块分为：实验项目开放、实验室开放和创新项目管理三部分功能。通过系统为教师和管理人员提供功能完备的实验项目开放管理功能；同时为学生界面子系统的实验项目预约提供数据源的方式来完成。

1.实验项目开放

提供开放实验项目申请管理功能，所要进行开放的实验项目可从已有实验项目库中选取开放；可直接新增实验项目进行开放；也可改进原有项目后再进行开放。包含：开放项目设置、实验项目预约、实验项目统计、实验项目记录、实验报告成绩登记、实验课程成绩统计。

2.实验预约管理

实验室根据实验教学安排，在不用限定学生具体实验内容的情况下可将实验室或实验房间申请设置在某一时间段进行开放，供学生根据自己的兴趣爱好自主选择实验。在条件允许的范围内把实验室的利用率提到最高。可分为大型仪器设备开放、基础实验室开放等两个部分。实验教师可进行批量预约和取消预约，同时学生可根据自己的兴趣爱好选择实验项目或自拟项目预约开放实验室房间的某一时间段

3.开放课表

此处系统提供教师和实验室开放课表的查询与打印等功能，课表显示方式同实验项目开放相关课表。

4.创新项目管理

主管部门可通过此模块辅助管理来自学生自拟项目、老师创新项目的申请及相关材料文档的审批，作为实验室预约审批中的一个重要参考。

5.学生实验预约管理

此模块功能为学生在线预约实验项目而设计。学生以其学号登录即可预约实验室设置开放的实验房间、实验项目或自拟项目申请实验室或房间开放某一时间段，并可即时查询预约审批结果。

五、结束语

在系统的建立后可以在对实验室的开放、使用率、实验设备的各项数据、设备的使用情況自动做出统计这样，管理人员可以充分了解需求，给今后实验室的规划和建设提供准确的依据，避免建设和管理的脱节，有效利用学校的建设资金。提高教育教学质量的需要。

参考文献：

[1]施瑞,李丽洁,李晋,杨威.实验室开放在高等教育教学中的作用[J].实验技术与管理,2009.12,(12)

[2]桂萍.对高校实验室开放的思考[J].石河子大学学报：哲学社会科学版,2009,6

[3]修友才.实验室信息化管理与发展[J].甘肃科技,2006,2

[4]曾锐,徐朝军.开放实验室管理理念及实现[J].实验室研究与探索,2002,(3)

[5]邓于.高校开放实验教学管理模式探索[J].重庆文理学院学报,2012,(2)

[6]谢志伟,谢莺燕.开放实验室的设想[J].科技创新导报,2008(20)

开放式实验室教学管理系统的设计 篇7

关键词：开放式实验室,教学模式,设计思想,设计架构

随着实验教学改革的不断深入, 个性发展要求不断提高, 高校实验教学在扩大和细化实验题目的同时, 不再要求学生完成全部的实验题目, 而是根据个人的兴趣有选择地完成一部分实验题目。在这种管理模式下, 传统的课程安排方式就显得力不从心, 即将学生分从若干组, 然后在固定的时间内完成固定的实验题目。为了适应这种实验教学改革, 开发基于WEB的高校开放式实验室教学管理系统尤为重要。

1 开放式实验与传统实验的区别

实验理念不同。开放式实验教学推崇的是“人人都能成功”的实验理念。它是一种在时间上、教学内容上和实验资源上都对学生开放的个性化实验教学形式, 是一种在学生掌握基本知识与经过严格的技能训练后, 根据自己的能力、个性特点、兴趣爱好自主地选择实验内容和实验时间进行学习的实验模式。它要求教师必须有现代教育的观念和意识, 在实验教学中必须体现素质教育理念、开放教育理念和能力本位理念。

教学主体不同。传统的实验教学以教师为中心, 教师是传授知识和技能的主体, 讲究纪律秩序, 追求精确有致, 学生被动地接受知识和技能, 实验时学生只需按教师制定好的步骤机械地去完成即可。而开放式实验教学则关注每一个个体差异性和创造性的特质, 充分调动学生学习的主动性、独立性和创造性, 学生被推到实验的主体位置。在实验过程中, 学生享有选定实验课题、选择仪器设备、制定实验步骤、处理和分析实验数据与实验结果的权利, 教师只是对整个实验过程进行动态控制, 在关键环节上对学生进行启发、激励、引导和指导, 并及时对实验效果进行评价。

教学方法不同。传统的实验教学方式单一, 具有较强的验证性和模仿性。实验前, 教师通常对实验 (包含实验目的、原理、内容、仪器设备、实验步骤、数据表格、数据处理方法) 有详细讲解, 甚至进行操作示范, 学生做实验只需“按部就班”、“照葫芦画瓢”。开放式实验教学是动态的实验教学模式, 它给学生提供宽松和谐的实验环境和较大的创新空间, 更加注重知能的结合, 把更多的时间留给学生自主思考、自主探索, 同时, 也把交流沟通技能和团队合作精神的训练融入实验环节中。

评价体系不同。开放式实验教学要建立科学、开放的教学评价体系, 分为两个方面:一方面是学生综合素质评价, 改变过去以掌握知识为主要评价要素的传统人才评价标准, 建立创新人才综合素质的评价体系;另一方面是教师教学评价, 过去学校对教师普遍采用重理论、轻实践的评价体系, 不重视教师个体的创造性, 很多有益的实验教学方法未能及时得到推广, 致使一些教师对实验教学探索投入不足。因此, 应改革教学评价体系, 加大对实验教学研究的倾斜力度, 鼓励实验教学卓有成效的教师, 形成重视实验教学的良好氛围。

2 系统设计思想

系统的设计思想是从实际教学需要出发, 改善实验教学管理, 实现学生任意选择规定范围内的各种实验及相应的任课教师。如图1所示, 每门实验课程都对应N个实验题目, 同时也将由M个教师讲授, 实验题目与教师的每个组合确定了实验的开放时间, 各班级学生根据各自教学计划及实验开放时间在网上进行实验预约, 形成预约记录。在这个过程中, 学生就对教师和实验题目的组合进行了选择, 并根据预约记录来上课, 教师在课程结束后针对学生学习及操作情况在系统中给出实验成绩, 同时打印出标准的成绩单及分析单。

3 系统设计架构

根据实际教学需要及设计思想, 系统采用三层架构设计。如图2, 包括页面表现层、业务逻辑层和数据访问层。页面表现层主要完成向用户展现数据, 为用户提供数据操作界面。通过页面表现层, 用户可以完成系统配置, 实验预约等操作。业务逻辑层起到了承上启下的作用, 当用户请求操作的时候, 页面访问层通过调用业务逻辑层中的相应方法, 来完成对数据的操作。而对数据访问层来说, 它是动作的发起者, 由它来直接与数据访问层通讯, 最终将数据库的数据展现、提交、返回给页面逻辑层, 数据访问层位于最下层, 主要完成数据库的直接操作, 如添加、删除、插入和更新等

根据上述架构体系, 系统设计分为学生用户界面、教师用户界面和管理员界面。三种界面对应着体系架构中的页面表现层。另外, 公用类中包含了业务逻辑类和数据访问类, 对应着业务逻辑层和数据访问层。学生用户功能包括:教务信息查看模块、实验预约管理模块、实验成绩查询模块等;教师用户功能包括:教务信息管理模块、实验信息管理模块、实验开放时间管理模块、预约实验成绩管理模块、学生成绩查询模块等。管理员用户包含的模块较复杂, 可分为常规管理、用户管理、实验管理和教学管理四大部分, 其中常规管理包括统基本信息配置、修改登陆密码、教务新闻管理;用户管理包括院系管理、教师管理、学生管理;实验管理包括实验课程管理、实验题目管理;教学管理包括时间段管理、实验开放时间管理、实验预约信息管理。

4 系统的优化设计

开放式实验室教学管理系统服务的对象主要有选课学生、任课教师、系统管理员等。系统的质量和效率直接影响着教学的质量和效果, 因此, 系统的优化设计至关重要, 在应用上要具有界面友好、操作简便、易于管理等特点。

首先, 在开发语言上, 系统开发语言选择asp·net2.0, 这是一种非常优秀的动态网页开发语言。它的优点是界面设计和程序设计存储在不同的文件中, 复用性和维护性得到了提高, 并且采用编译执行方式, 一次编译, 可反复使用, 大大提高了网页刷新速度。而有些开发语言采用的是解释执行方式, 每次刷新都要重新解释, 这样给服务器带来了很大负担, 同时客户端访问的速度也会受到影响。

其次, 在数据库的选择上, 因为系统数据量并不是很大, 所以选择中小型网站常用的Access数据库, 而不是大型网站中用的SQL数据库。此外, Access数据库是面向对象的开发工具, 界面友好, 易操作。

最后, 选择B/S模式开发 (Browser/Server, 浏览器/服务器模式) 。B/S最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件。只要有一台能上网的电脑就能使用, 客户端零维护。系统的扩展也非常容易, 只需在服务器端进行。

5 结语

实验教学是各学科专业教学的一个重要环节, 教育工作者在实验教学的应用方式及模式上积累了很多经验, 并将教学经验及成果引入到该系统的设计中。目前, 高校开放式实验室教学管理系统已在我省多所高校多个专业的实验教学和管理中得到了应用, 并取得了很好的教学效果。与同类设计相比, 该系统在人性化、系统化等方面有很大改善, 并将推广到其他各门学科的实验教学应用中。

参考文献

[1]李万宝.ASP·NET企业级开发案例精解 (C#) [M].北京:中国林业出版社, 2006.

[2]孙印杰, 杨滔, 吕书琴, 等.ASP·NET+SQLServer动态网站设计案例精解[M].北京:电子工业出版社, 2005.

[3]郑耀东, 蔡骞.ASP·NET网络数据库开发实例精解[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[4]陈小燕, 等, 实验室系统的设计与实现[J].实验室研究与探索, 2004 (7) .

开放式实验室管理系统设计与实现 篇8

关键词：开放式,实验教学,B/S模式

现今由于信息化的高速发展, 使用管理系统管理高校实验室可以提高工作效率, 目前主要管理实验室、实验设备等方面的信息, 越来越觉得实验室管理的重心应该转移到实验教学。国家对于学生的素质教育越来越重视, 学生的自主学习的意识和需求不断加强。开发一个开放式实验室管理系统势在必行, 不仅能提供时间上和空间上的开放条件, 还能提供一定数量的任选实验项目, 也能为学生自带课题提供技术指导, 鼓励学生大胆创新, 最后还能有效地管理实验室和仪器设备, 提高了它们的使用效率。

通过阅读大量文献以及对深入研究现今已有的实验室管理系统进行后, 提出了“开放式实验室管理”的整体框架和设计方案, 它的核心任务是实验教学方面的实验前合理安排实验预习、预约, 实验资料管理、成绩评定等功能模块。并且还开发了实验室管理工作的功能模块, 包括实验发布、实验指导书下载、人员管理、实验室管理。

1 体系架构

本系统采用基于B/S模式的多层体系架构开发, 上层使用下层提供的服务, 且仅通过调用层次间的特定接口获取下层服务;下层通过接口为上层提供特定服务, 不依赖于上层, 也无需关心上层是否存在。多层结构从逻辑上相互独立, 某一层的变动通常不影响其他层, 具有很高的可重用性[1]。本架构从逻辑上共分为3层, 其总体结构如图1所示。

2 整体结构与功能模块

2.1 整体结构

管理系统的核心是要有一个良好的结构体系, 在系统开发之前必须先科学地规划系统的主模块以及系统的各个子模块。各个模块之间的耦合度必须降到最低, 减少模块间的依赖; 各个模块的功能必须明确且相对独立。

根据开放式实验室管理的总体需求, 系统主要划分4大功能模块。

(1) 实验预约模块 : 主要提供学生对已发布的实验进行查看和预约的功能。

(2) 实验信息管理模块 : 对于实验产生的数据进行综合管理, 包含实验发布信息、实验预约信息、实验数据、实验报告等。

(3) 人员管理模块 : 主要提供对系统所有角色的信息维护和管理。角色从总体上划分为: 系统管理员、实验指导教师和实验学生。

(4) 实验室管理模块 : 包含对实验室信息和实验室器材的查看和维护。

2.2 概要

2.2.1 前台功能

前台的功能主要是展示系统公告、实验发布信息和实验指导书, 所有本系统的使用人员进入该系统后都可以使用本功能。

系统公告: 可以让使用人员通过此模块浏, 及时了解实验室动态以及系统的信息。

实验发布信息: 学生可以查看实验发布公告以及实验需要注意事项。

实验指导书: 教师可以根据实验需要, 在发布实验的同时提供实验指导说明书, 供学生在实验前进行下载预习, 增强实验实验效果。

2.2.2.后台功能

用户在前台页面点击登录系统后 , 进入后台 管理页面 。系统可根据用户类型以及用户权限, 提供不同的后台菜单。

用户角色对应功能如下:

(1) 管理员功能 : 提供对系统用户录入、修改 ; 系统公告管理; 实验室信息维护; 实验资料管理; 系统日志 查询、系统维护等功能。

(2) 指导教师功能 : 发布实验、取消实验、 发布实验通知、实验指导书上传、实验预约信息查看和审批、批改实验报告、 实验打分、个人资料维护、登录日志查询等功能。

(3) 学生功能 : 查看已发 布实验、 指导书预 览和下载 、预约实验、查看预约结果、提交实验报告、查 看实验成 绩、个人资料维护、登录日志查询等功能。

系统功能设计如图2所示。

前台功能图如图3所示。

实验通知页面如图4所示。

实验指导书下载页面如图5所示。

系统后台如图6所示。

3 数据库设计

数据库技术是管理信息系统中的重要支撑技术, 数据库的建立是管理信息系统开发中的一项重要内容, 其结构设计的好坏将直接对应用系统的效率以及实现的效果产生影响。

数据库设计中, 根据系统需求以及数据库运行环境, 设计出合理的数据模式, 确定数据库选型, 提高数据库的安全性和数据访问效率。

3.1 开放式实验室管理系统数据库的建立

通过对系统总体结构与功能模块分析, 结合Web技术的特点, 在My SQL建立olms数据库, 根据开放式实验室管理系统的核心目标和主要任务、系统结构和模块功能, 分析系统的数据需求, 设计olms数据库。

数据库部分结构如图7所示。

3.2 项目数据库访问

项目采用Nutz框架将数据库连接配置放在json文件中,采用淘宝提供的连接池来访问数据库, 具体配置如下:

4 结语

开放式化学实验设计 篇9

随着对本科生自身素质培养的日益重视, 今后的工作岗位上对学生的动手能力越发看重, 使得学生主动学习的趋势日益明显, 抛弃传统的、效率低下的、封闭式的实验室管理模式势在必行, 本科生毕业设计的管理方式必须转型为开放式的管理, 这必然对当前学院实验室管理系统在新的条件下提出更高的要求[3]。实验室要实行开放式的毕业设计管理, 既需要在时间上和空间上满足开放的条件, 还要能提供一定比例的自主创新的实验项目, 加强对学生自主创新的课题要鼓励, 并积极提供力所能及的技术指导和试验辅助, 同时对实验房间和现有仪器设备进行更加有效地管理, 提高它们的使用效率, 从而提高学生在实验室完成本科毕业设计的质量。

一、毕业设计前的准备工作

学生是本科毕业设计过程中的主角, 这一阶段完成的设计任务的质量好坏, 将对学生今后能否快速、顺利地适应新的工作岗位产生深切的影响, 因此实验室必须充分做好学生的思想准备工作以及场地、仪器和物质保证工作。实验室内的仪器设备应在学生毕业设计前完成检修、调试, 设备的使用状态应在实验室网站上实时更新, 从而保证毕业设计正常进行。实验室教师和技术人员都应充分认识到毕业设计的重要性, 积极投入到这一教学活动中去[4]。在准备进入实验室完成毕业设计前, 学生需将指导老师制定的毕业设计中的实验内容大纲通过实验室管理系统网上提交给实验室管理员, 由管理员结合实验室现状指出试验大纲中的问题并给出批示和指导, 告知学生所选课题的难点与工作量, 要与毕业设计的周期相适合, 随后提前准备和制定该本科生毕业设计的培训方案, 对存在危险性的实验项目进行单独的实验方案设计和探讨, 确保本科生在毕业设计期间的人身安全。在学生开始着手毕业设计前应该进行相应的试验安全培训和相关仪器设备的使用操作培训, 经实验教师考核合格并颁发相应安全证书后方可进行网上预约相应的试验项目。在毕业设计的进程中, 实验室教师要起到日常监督、指导和提示的作用, 这是试验教师义不容辞的分内本职工作。在对学生进行毕业设计动员时要多多介绍历届毕业设计中的学生们总结的宝贵经验和可能存在及容易忽略的问题, 以免学生多走弯路, 增加不必要的工作量。开放式实验室管理平台是一个以本科生实验教学和研究生科研试验管理系统为基础的网络化实验室综合管理平台, 通过计算机网络将各实验室的实验项目管理、仪器设备管理、实验室人员管理有机地结合起来, 从而建立起一套完整的体系, 利用计算机数据库技术实现了试验资源的综合化、效率化管理, 它打破了传统实验的教学模式和管理模式, 能够更加有效地培养毕业生自己动手的能力和自主学习的态度, 从而简化了传统实验室烦琐的管理工作, 解放了实验室教师时间上的束缚, 提高了他们的工作质量, 有助于提高实验室的教学和管理水平。

二、毕业设计期间的管理工作

1.仪器设备的使用安全。学生进行毕业设计期间, 往往会根据自己选择的课题使用各种不同的仪器设备。对于常规的仪器设备, 学生一般在大三和大四时期的开放性与基础性实验课程中就已经接触过了, 通过实验室教师的操作培训和考核后就能基本掌握它们的操作方法和注意事项;但对于大型、非常规的仪器设备, 短期内无法熟练掌握, 因此特地设立了研究生实验员助理, 实行专机专人负责, 学生只需将试件准备好并将实验方案交给实验员助理, 由实验员助理指导操作, 共同完成实验项目, 期间实验员助理也能介绍自己总结的经验, 提高本科生毕业设计的准确性和规范性。

2.设备使用的预约和记录。由于本科生毕业设计的时间较为集中, 实验室空间和设备数量都会趋于紧张, 这就需要实验教师结合开放式管理系统进行合理化的管理, 所有学生进行任何试验项目都需要提前网上预约, 让管理员做到心中有数, 统筹安排, 错开大量的交叉试验, 提高实验效率。学生可通过实验室开放网站预约各自需要进行的实验项目, 网上填写预约单, 内容主要包括:学生姓名、专业班级、指导教师姓名、实验起止时间、主要设备、实验内容、联系方式等。道路实验室内例如烘箱等一些基础性设备由于不同的实验要求需设置不同的温度, 无法满足所有学生的要求, 总是供不应求, 常常出现后来的学生擅自改动温度, 使得前面学生的保温效果降低。通过实验室管理员合理的管理和分配, 规定大体积的烘箱用作常规材料保温, 学生根据各自的需要将材料放入相应的烘箱, 小体积的烘箱用作非常规实验的备用, 这样在不增加设备台数的情况下同样满足学生们的要求。

3.基础实验教学的保障。在毕业设计期间, 大二、大三年级学生的基础实验教学课程也必须按照教学计划如期开出, 这两者必然会产生一定的冲突和矛盾。这时实验预约管理系统就能起到相当重要的作用, 实验室可以根据本科生实验教学计划提前在上课时间预留好房间, 在此期间提前通知本科毕业生调整试验时间, 合理调配各自的试验计划, 保证各项工作的顺利进行。

4.实验室开放时间与安全问题。每年毕业设计的时间一般是3月中旬至6月上旬, 这段时间内学生纷纷忙于找工作就业, 从而使得毕业设计的时间得不到保证, 很难完成教学计划所制定的目标[5]。于是学生做实验的时间就会变得非常不规律, 往往在非正常的工作时间会有大量学生赶试验进度。实验室针对这种情况, 专门制定了一个非工作时间使用实验室的加班申请制度。由于客观条件确实需要加班的学生必须额外填写申请单, 写明所用实验室、设备、时间跨度等, 并附带一份由学生和指导教师共同签字的保证书, 同时实验室也会根据学生加班申请的实验项目相应地安排管理员值班, 对于设立研究生实验员助理的大型设备, 明确要求助理在本科生做实验时一定要到岗, 绝对不能由本科生单独操作大型设备, 以免对实验室以及学生造成巨大的损失。同时, 鼓励学生在大学三年级就通过各种科技大赛及开放性实验课程参与教师的科研课题, 利用课余时间在实验室进行研究, 提早为后面的毕业设计积累经验和数据。有了开放式实验室管理系统做基础, 学生完全可以根据自己正在学习或者已经学过的课程、个人兴趣来设计自己的实验方案, 通过实验教师的悉心指导和亲自动手实验摸索来不断完善, 为毕业设计打下坚实的基础。

5.实验室卫生管理。毕业设计期间实验室是学生学习和工作的主要场所, 如何创造一个安全、卫生、文明的实验室, 为学生的毕业设计提供良好的环境, 是一项不容忽视的重要工作[6]。学生毕业设计期间, 每天都要产生很多实验垃圾, 但观察发现, 少有学生会主动清扫实验室。为此, 根据实验室管理系统中学生提交的实验方案编排不同房间的值日表并下发给各个小组的学生。轮到值日的学生不管当日是不是在此实验室工作, 都要在下午5点前到该实验室打扫卫生。

6.提高实验人员素质。学生毕业设计期间, 指导教师既要指导毕业设计工作, 又要完成繁重的课程教学任务和科研任务, 以致投入到指导毕业设计工作的时间和精力有限[7]。学生由于经验不足, 在实验的过程中非常容易出现各种问题。比如实际操作方面的问题就需要马上解决, 这时就需要有知识面广、经验丰富的实验教师来帮忙解决。因为大多数实验室都不是为某一个方向专门建立的, 如土工实验室、力学实验室、集料实验室都是各个道路方向的学生共用的, 这就要求分管这些实验室的教师对相关方向的知识都要精通, 才能指导不同方向的学生完成毕业设计和实验课中不同方面的要求。同时, 实验室也要与时俱进, 吸引很多优秀的具有一定工程背景的专业人才加入师资队伍, 才能更好地掌握和熟练操作日益先进、精密的仪器设备。此外, 实验教师还需掌握一定的设备维修技巧, 因为一般小设备出现故障都是由实验教师自己动手修, 不但及时, 而且是免费的, 只有比较精密、复杂的仪器设备坏了才请厂家来修, 但需要大量的时间和金钱, 难免影响毕业生本来就很紧张的宝贵时间。

7.实验教师的权利。毕业设计期间, 学生是否按照网上提交的试验大纲完成了相应的实验内容, 是否遵守实验室的规章制度, 是否态度端正, 实验教师要比指导教师更清楚, 更有发言权。所以, 应该赋予实验教师一定的权限帮助指导老师更好地监督和管理学生在毕业设计期间的表现。比如, 在实验室完成毕业设计的学生总评分里设置25分的平时分, 交由试验教师统一评定。这样对于实验教师管理学生实验过程有很大好处, 对于提高毕业设计的质量也有帮助。

8.毕业设计质量控制方法。针对实验室内本科毕业设计质量难以控制的状况, 主要采用以下三个方面加以控制:第一是试验方法的确认, 只有采用了正确的实验方法才能得到真实的实验数据, 实验教师在学生进行实验时需采用旁站、巡视的方法对其试验方法进行实时指正。第二是实验设备记录的管理, 实验教师应核对学生网上申请和实验过程中填写的纸质实验记录, 确保实验内容与学生的实验大纲一致, 从而判断是否存在遗漏实验项目和实验内容不真实的情况。第三是试验样品的管理, 通过样品管理可以知道学生在进行每项实验内容时采用的平行试验数量, 评价试验结果的可靠度, 必要时还可以采用平行检验的方法判断学生实验数据的准确性。由于本科毕业设计时间比较紧张, 对于实验经验欠缺的本科生来说, 毕业设计的质量不能单单由论文中数据的准确性或质量来评价, 而应该结合学生完成毕业设计的真实性、独立性、积极性来综合评定, 这样更加符合当前对高素质大学生的培养要求。

毕业设计期间的实验室管理工作千头万绪、任务繁重, 开放式实验室管理系统能高效、合理地利用实验室内各项资源, 通过合理的规章制度能充分发挥实验室在毕业设计中的作用, 为提高毕业设计质量起到积极和保障作用。由此在毕业设计的实验过程中, 学生将获得今后实际工作所必需的基本训练和进行科研工作的初步能力, 这对培养学生的创新精神和实践能力具有重要意义。

摘要：针对实验室内本科毕业设计完成质量难以控制的现象, 建立了开放式的实验室管理系统, 它能高效、合理地利用实验室内各项资源, 并通过合理的规章制度充分发挥实验室在毕业设计中的作用, 为提高本科生的毕业设计质量起到促进作用。

关键词：实验室,毕业设计,开放式管理系统

参考文献

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开放式化学实验设计 篇10

随着交换技术的发展,目前各大运营商通过大规模使用软交换系统进行通信核心网的改造,逐步向NGN网络过渡。与此相适应,各高校也开始进行软交换课程的教学,但目前市面上还没有开放性的软交换教学实验系统。传统教学实验设备都是封闭式的商用产品,开放性差,只局限于外部参数配置或者仿真实验,学生难于在实验上学习和深入掌握软交换的内部工作流程和控制方法。

为了将基于SIP的软交换服务器的内部工作过程开放出来,本文对软交换实验系统的重要组成部分———开放式SIP服务器提出了具体的设计方案,并实现了下位机模块化SIP服务器和上位机控制系统软件。经测试,系统稳定、实用,可以满足相关实验教学的要求。

2 系统设计思想

开放式SIP服务器的要求:服务器工作流程开放,学生可以自己组合服务器模块,甚至编写服务器模块代码,服务器按照学生自己搭建的方式运行。学生通过自己组建服务器,来更深一步地掌握SIP服务器内部各项功能的实现方法和原理。

开放式SIP服务器的思想:用简化的SDL图形表示法来描述SIP服务器的行为,将SIP服务器的工作流程拆分为几十个基本操作,即向学生开放了几十个相对独立的、由学生调用的SIP服务器基本操作。这些操作在软件实现时对应于各个API函数,API函数是预先设计好的,每一个相当于一块SIP服务器子功能的积木,如此构成SIP服务器子功能积木堆,进而实现SIP服务器的开放。

3 系统构架

软交换实验系统由上位机和下位机组成。其组织结构如图1所示。

其中,上位机是一台普通的实验用PC机,负责运行客户端软件,对整个交换实验系统的呼叫处理流程起到一个中心控制作用。它负责提供用户界面给使用者,让学生以SDL流程图的方式动态搭建模块化SIP服务器,编译该SDL流程图生成运行表,并保存到数据库供下位机读取。该运行表做为上位机和下位机之间的接口,通过该运行表进而控制整个交换系统,保证交换系统按照使用者构建的流程来运行。

下位机是模块化的SIP服务器系统,除了实现基本的用户注册、呼叫代理、授权认证的功能,并开放SIP服务器工作流程,以dll文件保存服务器工作模块,根据上位机保存的运行表来调用dll模块,以自由组合SIP服务器。

4 开放式SIP服务器系统的实现

根据SIP服务器工作流程分为主流程模块和子模块,子模块是对主流程模块的进一步开放,以细化服务内的具体工作。

4.1 SIP服务器主流程模块

本系统服务器采用o SIP协议栈来实现,该协议栈主要包括对SIP消息剖析、事务状态记录、调用接口、状态机的执行等,向应用层提供SIP信令层的类库或标准API接口。SIP服务器工作主流程模块拆分如图2所示。

服务器首先实现初始化工作,包括加载配置参数、读取服务器运行表、导入各子模块dll文件。初始化o SIP协议栈及其回调函数,这些CALLBACK回调函数是协议栈与应用程序之间的通信接口,当协议栈接收到消息时,用回调函数以事件的形式来通知应用程序。

“轮询数据库”模块为从数据库加载用户信息,并保存到user_infos链表中。user_infos链表保存了能注册到SIP服务器的用户名、密码、域名、IP地址和注册等信息。该模块设置定时器,服务器每2s加载一次用户信息表。

在“主循环”模块,服务器开启一个监听线程,以接收到来的SIP消息。发送、接收SIP消息是通过Csocket类的子类sipsSocket来实现,接收采用select非阻塞模型。收到的SIP消息均为字符串,“解析sip消息”模块调用o SIP协议栈函数_osip_message_parse来解析SIP消息,将字符串转化为标准SIP请求和响应消息格式。

若通过“确认请求的有效性”模块,则“构造请求”模块调用函数_osip_find_transaction()匹配事务类型,根据事务类型构造相应请求。判断请求是否register请求,是注册请求则由函数sips_register()调用注册模块。若非注册请求则由函数sips_proxy()调用代理模块。消息处理完后,调用传输模块,由回调函数sips_cb_snd_message()将SIP消息发送到目标地址。这样服务器完成对一个SIP消息的处理,再回到主循环模块监听消息。

4.2 SIP服务器子模块

服务器子模块是对主模块进一步的开放,将主模块分解为更小的子模块,并封装为dll动态链接库文件,使用时独立调用。开放的主模块包括确认请求的有效性模块、注册模块和代理模块。

4.2.1 确认请求的有效性子模块

请求在进行注册和代理之前,必须通过消息的合法性检查。一个合法的消息必须经过如下的检查:合理的语法、URI方案检查、最大转发数检查、proxy_require检查等,若任何一步未通过检查,则返回一个错误码来应答。划分确认请求的有效性模块,包括各头字段语法检查、URI方案检查、最大转发数检查、proxy_require检查等7个子模块。

4.2.2 注册子模块

注册模块,如果服务器不需要鉴权,则不调用鉴权模块。如果需要鉴权,函数cb_auth_validate_credentials()判断该注册消息是否携带鉴权码,然后调用函数auth_validate_credential_for_user()以判断鉴权码是否正确。鉴权成功,新用户记录登记到链表urltable,完成注册绑定。若expires等于0,则注销该用户注册消息。调用构造响应消息模块,生成响应消息,并发送给UAC。构造响应消息模块又细分为8个子模块,包括设置to、from、via、call_id、cseq头字段等子模块。

4.2.3 代理子模块

代理子模块功能分为构造转发消息和处理响应消息。若服务器需要鉴权,当UAC发送一个请求到代理模块,代理模块会先调用鉴权模块验证原始请求的认证。若不需要鉴权,则直接转发消息。将构造转发消息分解为7个子模块,包括复制原始请求、增加各头字段、路由处理等子模块;处理响应消息分为4个子模块,包括处理各头字段、更新有效性值等子模块。

4.2.4 子模块的调用

在本系统中,各子模块对应dll文件,采用回调函数的方式为应用程序提供接口。预先将各子模块函数封装在dll文件中,服务器初始化时,根据运行表调用LoadLibrary()以加载需要的dll文件,并装入其相应的回调函数指针,用来调用相应的回调函数。当服务器处理SIP消息时,读取运行表mode_config[]每一位值,指针函数process_list[mode_config[]](request)调用运行表需要的回调函数。使用回调函数机制,服务器根据运行表灵活地调用各子模块,以组成学生自己配置的服务器。

4.3 上位机实验端子系统的实现

上位机软件系统由初始化模块、SDL图形绘制模块、流程识别模块、SDL流程信息库、通信模块5大模块组成。

初始化模块负责提供一个作图界面给用户,使其可以选择已经制定好的图元。CSplashWnd类为绘制屏幕类,调用ShowSplashScreen()产生一张新的空白画面,等待用户绘制SDL流程图。

SDL图绘制模块的功能则是提供一种SDL图形的绘制方法给用户,并将用户的绘图信息保留下来。用户选择一个图元,即新建一个图元对象CEntity*myEntity,对图元进行移动、删除等操作,均是对对象my Entity的改变。

流程识别模块则是识别SDL图绘制模块所保留下来绘图信息,并将其翻译成交换机的运行信息,再将运行信息保留起来,供运行模块调用。查找SDL图形绘制模块所输出的图形构建信息是否存在不满足SDL流程图语法的地方,如果不满足则必须提示用户修改SDL图。对SDL图形绘制模块所输出的图形构建信息进行识别,将其信息组织形式由“图”转换为交换系统运行时便于查找的“表”。它将用户对SDL图形的绘制信息以运行表形式保存到SDL流程信息库中,运行表中保存着所有图元的信息。

通信模块则是上位机与下位机之间的通信接口,它向运行模块提供通信API函数。SIP服务器的运行情况,会通过通信API函数发送给上位机软件,上位机再显示在软件信息栏,便于学生观察服务器的状况。

5 系统测试

图3为上位机软件的模块搭建界面,该图搭建了一个实现注册功能的服务器流程图。深绿色模块为主流程模块,浅绿色为子模块。该SDL图中未搭建代理模块,故此方式搭建的服务器只能实现注册功能,而不能正常呼叫。

使用SIP软电话X-Lite进行呼叫测试。设定客户端A(用户名为62480008,IP地址为172.22.141.123)和客户端B(用户名为62480002,IP地址为172.22.141.126),通过本开放式SIP服务器(IP地址为172.22.141.150,端口为5061)进行通信。在上位机的主机上同时运行本软交换实验系统中的捕获软件进行信令追踪测试,图4为由捕获到的数据包图绘制的呼叫流程图。如图4所示,客户端A和客户端B均能注册到SIP服务器,但是不能正常呼叫。与上位机搭建的结果一致。

经测试,该系统有上百种搭建方式可实现注册和代理功能,搭建方式灵活,非常适合教学的多样性、灵活性。

6 结束语

本文提出了一种开放式SIP服务器模型,并详细描述了模块化SIP服务器的实现。该系统将SIP服务器工作流程开放出来,让学生能更直观、更深刻地学习SIP协议和软交换技术。在投入实际使用中,该系统运行稳定正常,达到了用户的要求,具有很高的使用价值。

摘要：为了在实验教学中让学生深刻理解SIP软交换服务器内部的工作流程,本文设计和实现了一种开放式SIP服务器系统,包括上位机的实验端子系统和下位机的模块化SIP服务器子系统,并给出了详细的系统模块设计及实现方法。测试结果表明,该系统稳定、实用,满足相关实验教学的要求。

关键词：软交换实验系统,开放式,SIP服务器,模块化

参考文献

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