【毕业学位论文】（Word原稿）高校实验教学管理信息系统的设计与实现-软件工程

第 3 章 系统开发的理论与技术基础 高校实验教学 管理 信息系统的 设计 与实现 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 摘 要 随着 21 世纪我国教育的改革，各大高校都把创新教学模式，培养创新人才作为学校的重要使命。而高校实验室正是培养学生实践和创新能力的重要 场所，实验教学是高等学校实现素质教育和创新人才培养这一中心工作不可缺少的重要组成部分，它在培养学生的动手能力、科研能力和创新能力方面都具有理论教学不可替代的作用。在教育部本科教学质量水平评估的促动下，高校实验室信息化建设越来越受到各所高校的重视。 本文 以某高校的实验室管理信息系统为研究背景， 对国内外实验教学管 理现状充分分析、研究的基础上，结合高校的实际需求，设计并实现了一个 高效、实用 实验 室 教学管理信息系统。 本文研究了现有管理体制及方法下存在的问题，并对问题提出一些设想。本文所实现的实验室教学管理信息系统主要涉及实验室基础管理、实验教学管理、实验室建设管理、实验室数据统计上报等功能， 不仅减轻了实验教学管理者的工作强度，打通了校级管理层与学院实验室之间的 协作通道， 同时具备 与校内其他部门数据共享的 一个具有实用性的实验教学管理平台。 首先，本文简要描述了系统需要解决的主要问题，概要描述了系统的整体情况，分析了系统的功 能性需求，并对系统 的 需求进行了 分角色、分模块地 详细描述。其次，在需求分析的基础上，进行了 系统的总体设计，进而对系统的各模块的实现进行了详细的描述。最 后是结论，对本文所做的开发、设计工作进行了总结，并阐述了进一步开发、扩展该系统所需的工作。 关健字： 实验室教学，管理信息系统，数据共享 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 目 录 第 1 章 引言 . 6 校实验室教学 . 6 国际高校实验室教学管理 . 7 国内高校实验室教学管理 . 8 文的研究内容及创新点 . 9 存在问题 . 9 研究任务 . 10 文结构 . 10 第 2 章 相关理论知识与技术 . 12 学管理理论 . 12 术 . 12 架技术 . 13 架研究 . 16 架技术 . 17 数据库理论和技术 . 19 系数据库 . 19 据库 . 21 第 3 章 高校实验教学管理信息系统需求分析 . 28 究背景 . 28 园网实施概况 . 28 园教学网相关子系统 . 28 验教学概述 . 30 验教学组织构架 . 30 验教学管理流程 . 31 统用例分析 . 32 统角色 . 32 统总用例 . 34 验室基础信息管理用例 . 35 验室管理子用例 . 36 验室人员管理子用例 . 37 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 验室用房管理子用例 . 38 验教学管理用例 . 39 验课程管理子 用例 . 40 验项目管理子用例 . 41 验教学计划管理子用例 . 42 验教学进度管理子用例 . 42 验教学排课表管理 . 43 验教学调课管理 . 44 放任务管理 . 45 验教学检查子用例 . 45 验室建设项目管理用例 . 46 科教学实验室建设规划子用例 . 47 品实验项目子用例 . 48 验教学改革子用例 . 50 级示范性实验中心建设子用例 . 50 验教学成果管理子用例 . 50 计上报用例 . 51 第 4 章 高校实验教学管理信息系统设计 . 54 实验教学协同模型 . 54 总体设计 . 54 络构架 . 54 件构架 . 55 据接口设计 . 56 据库设计 . 57 据表设计 . 57 验教学信息管理系统功能模块划分 . 63 统模块 . 64 验室基础信息管理模块 . 64 验教学管理模块 . 65 验室建设项目管理模块 . 66 计上报模块 . 67 第 5 章 高校实验教学管理信息系统实现 . 69 验室基础信息管理模块实现 . 69 验室管理功能实现 . 69 验室人员管理 . 71 验室用房管理功能实现 . 73 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 验教学管理模块实现 . 74 验课程管理功能实现 . 74 验项目管理功能实现 . 75 验教学计划管理 . 77 验教学进度管理功能实现 . 77 验教学排课表 . 79 课管理功能实现表 . 81 计上报模块实现 . 82 验教学任务统计 . 82 验课程人时数情况统计表 . 83 验室人员情况分析表 . 84 验室综合信息统计表 . 84 第 6 章 总结与展望 . 86 结 . 86 一步的工作方向 . 86 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 第 1 章 引言 校实验 室 教学 随着 21 世纪我国教育的改革，各大高校都把创新教学模式，培养创新人才作为学校的重要使命。而高校实验室正是培养学生实践和创新能力的重要 场 所，实验教学是高等学校实现素质教育和创新人才培养这一中心工作不可缺少的重要组成部分，它 在培养学生的动手能力、科研能力和创新能力方面都具有理论教学不可替代的作用。不论哪种类型、规模的高校都应重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神。在当前教学改革的新形势下，实践教学面临新的挑战和严峻的考验。 同济大学 作 为一所具有深厚工科背景的百年老校，实验教学更是具有举足轻重地位。随着学校的不断发展和壮大，实验室的功能不断的加强，实验教学得到了进一步的规范 和重视 ，同时校级的实验教学管理工作也变得 异常繁重 和复杂 。 而在教育部本科教学质量水平评估的促动下，高校实验室信息化建设越来越受到各所高校的重视。 高校的实验 室 管理涉及到实验室的建制、实验室人员、实验室用房 、实验室设备 、实验课程、实验项目、实验教学排课表、实验教学检查等一系列与实验室相关 的项目。而国内绝大部分高校在实验室信息化建设中都是将实验室设备管理 作为重点， 或是 侧重于开发 实验室的开放 管 理 系统 ， 对于类似 实验室的人员、实验室用房等作为一些辅助数据进行简单的记录，而对于实验教学排课表 则 很少有涉及，即使有涉及到教学排课的系统也大多是立足于某一学院的实验室管理 系统 ，而很少有立足于全校的作为一个校级的实验教学管理 系统。如现在国内高校普遍使用北京化工大学开发的实验室 管理 系统，就是针对教育部要求的一些统计报表中的数据录入及报表生成功能，而 不是一个 作为校 级 的对 全校 实验 室的实验 教学 有一个规范化、流程化和信息化的管理系统。 我们通过各种学术交流的机会，走访和参观了国内多所 “211”、 “985”学校，学习到了一些宝贵的教学经验和管理方法：一是参观的高校管理规范，制度严格；二是设备先进，台套数多，有规模，人员素质高；三是社会信任度高，社会贡献率大；四是学生学习兴趣高，课时设置灵活，如有学校设小学期集中上第 3 章 系统开发的理论与技术基础 综合性实验课；五是课题较多，学生参与程度高，成为小助手，小专家。 1 国际高校实验室教学管理 实验室信息管理系统 “ 缩写。 实验室的分析仪器通过计算机网络连起来，采用科学的管理思想和先进的数据库技术，实现以实验室为核心的整体环境的全方位管理。它集样品管理，资源管理，事务管理，网络管理，数据管理 (采集、传输、处理、输出、发布 )，报表管理等诸多模块为一体，组成一套完整的实验室综合管理和产品质量监控体系，既能满足外部的日常管理要求，又能保证实验室分析数据的严格管理和控制。 术提供了实验室各种信息存储、交换和统计分析的网络化平台，可促进实验室高效、科学运作和规范化管理，通过它，实验室可以达到自动化运行、信息化管理和无纸化办公的目的，对实验室提高工作效率，降低运行成本起到至关重要的作用。 早于 20 世纪 60 年代末提出，当时由于实验室的需要和计算机的出现，使人们对自动化控制和自动化计算有强烈的奢望，到如今经历了几十年的发展，就其主要特征来说，大致可以分为 3 个阶段：第一阶段的 于初级产品，最早见于各个用户自行开发的 由有关计算机软件公司为某个用户特别定 制的。也就是说由某个用户提出自己实验室的具体要求，然后由有关的计算机编程人员将这些功能实现。这类的 缺点是非常明显的，即单个用户不可能将自己的所有需求考虑周全，这种特别定制的 无法满足用户不断变化的需求。在 20 世纪 80 年代中期以后，这种 国际市场已经基本绝迹。 第二阶段的 是完全商品化的软件，即软件开发商考虑到各个实验室的不同要求，把各种实验室所需要的功能尽可能多地设计到自己的 品中去。这种 优点是不需要用户提出太多自己具体的要求，而且软件的技术支持和版本升级 都非常容易，所以有很长的使用寿命。缺点是在安装之后需要做大量的用户化（ 作，即编写一些程序满足用户特定的需求，而且用户的这些要求往往是需要经常改变的，这就需要专业人员作为 章 系统开发的理论与技术基础 用户的系统管理员（ 时编写相关程序，这就带来了人员流动性大，使得 统管理员的稳定性不高的问题。 第三阶段的 在克服了第二阶段的 缺点而开发出来的完全面向实验室工作人员的产品，即该类 安装后不需要用户化工作，只需要按照用户的具体要求进行 简单的设置（ 可以将整个系统正式投入。再设置过程中，用户不需要编写任何程序，而只需要进行鼠标的点击。这类 前国际市场上的代表性产品有英国实验室系统公司的（ 近几年来，采用 术，统一的浏览器界面和以务器为中心的分布式管理体系，代表了最新的计算机网络技术在 据处理能力得到显著的提高，再加上采用 试和校准实验室能力的通用要求）先进的管理思想，使得 功能更加强大，基本满足了现代实验室的管理要求。 2 国内高校实验室教学管理 国家中长期教育改革和发展规划纲要（ 2010）中提出要“充分利用优质资源和先进技术，创新运行机制和管理模式，整合现有资源，构建先进、高效、实用的数字化教育基础设施”。然而，由于种种原因，高校实验教学和管理的方法普遍落后，许多高校的实验教学管理工作仍沿用传统的手工和文档管理方式，极大地限制了实验教学硬件建设的投入效果，也影响了实验教学的质量。为了适应教学改革的形势，高校必须加强实验教学管理信息化建设，增强实验教学和实验室的管理能力。 教育部修定的“高等学校实验室信息统计”指标体系于 2006 起正式启用，高等学校实验室信息统计工作的完成必须首先建立与之相适应、规范、科学的实验室日常管理软件平台，即高校实验室管理系统。目前教育部推荐的软件是由北京化工大学研制的实验室系统。该系统包括仪器设备管理子系统和实验项目人员管理子系统，此系统不仅能够生成高等学校实验室信息统计的九个报表，还包含了实验室其它的一些基本数据，可做随机查询各项统计数据工作，实现了对实验室的宏观、动态管理。 3 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 文的研究内容及创新点 存在问题 实验教学管理是高等院校工作的重要组成部分，是高校搞好实验教学，建立高水平的实验室，是提高人才培养质量的需要。 实验室是实践教学的主要阵地，本身就是一个很复杂的系统，信息在实验室内部是相当分散的， 而 且信息总是处在不断流动变化的状态中，有大量的信息需要搜集、整理、汇总、上报 4。普遍存在的主要问题 : 1、 实验教学管理协同不足 。 实验教学涉及教务课时安排和学院的实验教学安排，因为受到实验场地和实验设备的制约，变化比较多， 实验室 主管部门与学院实验室之间缺乏方便快捷的协作通道， 对教学过程没有建立详细的信息管理记录，从而无法保证教学效果；特别是现在高校不断发展，出现了多校区教学，在校院两级之间的沟通更需要一个基于网络的平台。 2、 数据共享 机制缺乏规范 。 与企业信息化建设的进程相比，虽然信息技术在高校各项工作中的应用已经十分普遍，但鲜有类似 统的集成管理系统。现有高校除 教务 管理系统外，一般分别建有 人事 管理系统、 资产管理系统、学生管理 系统 等，而这些系统 中的数据 往往是实验室教学管理信息的数据来源 。比如，教务管理系统中的课程信息，人事系统 中的人员信息等。同时实验室教学管理信息中的数据又是其他部门所需要的信息，如独立设置的实验课程可提供给教务管理系统，每学年的实验室任务统计数据可提供给 资产管理系统等 。现阶段，高校众多系统虽然已能够进行共享，但共享不规范，影响到数据共享的效率和质量。 3、 工作强度大 。 而 传统的实验教学管理一般 由学校的实验教学管理人员 下到校内各家实验室收集 数据再整理，或是要求各学院实验室上报到校实验教学管理部门，再集中处理，最后 以手工记录或计算机简单记录为主。实验课程、实验项目、实验教学进度表、实验教学排课表、实验室任务统计等这些 数据的记录、转换、更新都给实验教学管理工作者带来繁重的工作负担； 4、 缺乏辅助决策的功能 。无法利用积累的数据，进行辅助决策，提高管理效率、管理水平、服务质量。 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 研究任务 1、 研究 实验教学管理的协同 。 解决同 教务处和学院实验中心的协同 。 教务处有一整套的系统对全校的课程进行排课，但是在实验排课方面是存在不足的。相比较理论课程，实验课程会受到更多的限制，如设备复套数、实验用房、实验指导教师等。理论课程可以一次安排所有学生听课，但是实验课程受制于设备复套数的原因，经常需要将学生分批才能完成，这就需要实 验室在教务排课时间之外另外安排时间开课，这就需要实验教学管理处、教务处同学院实验中心之间进行深入沟通、协作。 2、 探索 数据的共享规范 。 通过 校园网的信息化建设，建成一个数据共享平台，各部门经由数据共享平台交换数据，达到数据共享。实验室教学管理信息系统可直接从共享平台取得教务管理系统中关于实验课程、培养计划的相关数据，人事管理系统中取得实验人员的相关数据，同时又经共享平台向教务管理系统提供关于独立设置的实验课程的信息，给资产管理系统提供实验室任务的信息。 3、 探索 辅助决策 。 在系统减轻了实验教学管理人员繁重的工作 负担之后，管理人员可将更多时间放到系统中 所积累的 历年数据的分析，根据数据 的比较、变化作出各种决策，而不是仅仅着眼于当年的数据。 4、建立实验室教学管理系统。 基于高校实验教学管理的校院两级两级管理要求，希望能将管理深入到实验教学的整个过程中。能够从实验教学的计划入手，经过排课、教学检查、反馈、整改等手段提高实验教学的质量。而且这些手段的执行不能仅仅依靠管理部门的几个人员就能完成，同时要求学院的配合才能达到理想的目标。这就要求系统能够联网，以方便学院与管理部分的联系。 随着计算机及网络技术的快速发展，以及同济大 学信息化基础建设工作的逐步完善，为进一步提高工作效率，简化工作流程，更好更及时的做到信息公开，更有序有效的展开实验室建设与管理的各项工作，最大限度的减少跨校区办公带来的不便之处，并有利于实验室管理与仪器设备管理过程中各类数据的汇总与上报，建设“实验室管理系统”显得十分必要。 文结构 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 引言部分对高校实验教学管理信息系统的开发背景进行了简要的介绍，分析了国内外高校实验教学法管理的现状及特点。 第二章介绍了系统设计所涉及到的理论知识与相关技术要点。 第三章以上海同济大学生为背景分析了高校实验教学管理信息系 统的需求，为设计和理论应用程序做了铺垫。 第四章全面介绍了系统的 开发，设计了系统的框架和数据库结构，并介绍了数据共享的接设计及各模块的设计。 第五章介绍了高校实验教学管理信息系统的实现。 总结部分指出了系统设计中的不足和需改进的方向。 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 第 2 章 相关理论知识与技术 学管理 理论 实验教学管理系统是一个人机系统。利用计算机强大的处理能力和存储能力，这既是管理现代化的客观要求，也是实验教学管理系统的基本特点。但是，人在利用计算机的同时，必须要考虑到各自的特长，使实验教学管理系统成为一个人机协调的系统。 实验教学管理系统是一个人机一体化的集成系统。实验教学管理系统是以系统思想为指导进行设计和建立的。因此保证了整个系统的统一和协调，使得系统中的数据具有一致性和共享性。现代的网络技术和数据库技术是实现实验教学管理系统一体化的重要技术基础。 实验教学管理模块对实验项目进行信息化管理易于实现资源共享。多年来，各高校都非常重视实验室信息收集和整理工作，有相关的实信息收集和整理制度，从而保证了实验室的信息准确全面。使学生更易获得实验室信息，大大提高实验室利用率。 实验设备管理模块对实验室的各项仪器进行信息化管理提高了利 用率。通过网络使仪器设备和实验室管理的科学性得到为提高。通过实验室信息系统中仪器管理库的建设，使得不同的用户能根据自己要速地查询全校仪器设备信息，既方便、又直观，实验管理员登录仪器管理子后，能快速地传递仪器设备在使用中信息的变化 (增减值、调拨、报废、升降这样就保证了仪器设备及实验室管理系统中信息的及时、准确，也就保证的科学性和实用价值，仪器设备通过网络共享，还能提高其利用率。 术 司推出的一种利用 言来进行企业级应用系统开发、部署相关复杂问题的体系结构。 一种技术规范，它给开发人员提供了一种部署和运行的平台。在这个体系结构中，底层的服务问题 (事务管理、安全机制、网络数据传输 )由 用服务器来完成，开发人员的注意力仅仅集中在业务逻辑的开发上，从而减轻了开发人员的负担。 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 台是一个由多个厂商提供服务、集成开发出的企业级应用产品，然而这个平台并不是所有用户需求都满足的，其中的 器存在一些不足。各大容器厂商为了赢得竞争，纷纷都对 准进行了扩展，这就使得应用程序在不同服务器之间部署差别很大，可移植性也不好。 有如下缺点： (1)型过于复杂，部署描述复杂而且容易出错，虽然设想是降低设计复杂度、方便地实现业务逻辑，但实际上在这方面它并没有成功。 (2)来是为内部分布式的事务性应用程序设计的，但是几乎所有重要的应用程序都是事务性的，而分布式不应该成为基本组件模型的组成部分。 可见在很多的实际项目中运用 重量级 架并不是首选，为了降低 发的复杂性，开发人员不断寻找更简单的 代品，使开发人员可以构建一种轻量级的 架。所以轻量级框架应运而生，使得 开发朝着简单的方向发展。 轻量级 框架是相对于重量级框架比较而言的，重量级的典型代表就是 量级框架可以很好地解决 器所带来的缺陷，并且融入了新的模式为应用程序的开发提供更加灵活的服务。 相对于传统重量级框架来说，轻量级框架具有如下特点： (1)轻量级框架不强迫开发人员使用指定的编程模型，它鼓励人们使用本 象 )，再将 对象模型绑在一起，这样使应用程序不依赖于特定的容器，提高了开发调试效率和移植性。 (2)轻量级框架将业务逻辑处理或者其它对象注入某个 创建和管理所有对象实例，使得所有 实现最大化的松耦合。 架 技术 随着 发技术的同益成熟，在 发领域出现了很多设计良好、方便实用的软件开发框架， 是一种基于 计模式的框架。 承了 式的各种特性，并根据 术的发展作了相应的变化和扩展，并很好地帮助 发人员开发 。 构模式由 司在 1980 年提出，主要用于处理用户界面开发第 3 章 系统开发的理论与技术基础 中存在的问题。 含三类 对象，即 象、 面显示对象、制逻辑业务处理的流程。 系结构如图 2示： 图 2系结构 心思想是将整个程序的流程代码分成相对独立而又能相互协同的三个组成部分，其目的就是实现 统的职能分离，降低系统的复杂度与维护难度。 应用程序划分为业务逻辑层、表示层、控制层。 (1)务逻辑层，实现具体的业务逻辑、状态管理，包含应用程序的核心功能，封装了应用程序的状态。 (2)示层，即程序与用户实现交互的界 面，提供模型的表示。 (3)制层，起到控制业务流程的作用，实现 协同工作， 并对用户的输入做出反应。 件基金下 目的一部分。 承了 计模式的特性，使得我们使用 可以将业务逻辑层和表示层进行分离。 用提供了通用的框架，使得开发人员可以将主要精力集中在解决逻辑问题上。 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 为 计模式的一种体现， 架实际上是建立在 计模式基础上的，对 提供了现成的实现组件。 系结构如图 2 2所示： 图 2系结构 上图从 度显示了 架的核心组件。 (1)分：在 架中使用 提供具体的业务逻辑，这种业务逻辑可以增强代码的可重用性。 (2)分： 分采用 实现，此 #提供了丰富的自定义标签库， 分使用这些自定义标签同样可以实现与 分的有效交互并增强显 示功能。 (3)分： 部分由两部分组成， 制器通过专门的 提供的型实例。 架很好的实现了 计模式，使得业务逻辑层和表示层进行分离，使每个模块可以独立的完成单一的功能，便于开发与维护工作； 良好的文档，便于开发人员学习。 为一个 优秀 的 用开发框架，第 3 章 系统开发的理论与技术基础 也有其不足之处： (1)架 有一定的使用范围。 一种基于 决方案，所以必须用 件和 实现。 (2)架没有事件模型。 H 订 P 请求响应模型结合紧密，这限制了开发人员更好地处理事件。 架研究 002年 2书中，在该书中， 作者 倡导 用主义的设计思想，而 架正是 用主义设计思想的更全面和具体的实现。 架是一个轻量级框架，是为了解决企业级开发的复杂性而设计出的，其目的就是使得整个应用程序框架的设计与构架更加合理。 架解决了在 发中常见的问题，为 应用系统提供了一站式解决方案。 核心概念是 转控制 ) 或赖注入 )，它可以帮助程序设计人员完成组件之间的依赖注入，使得组件之间的依赖关系达到最小，进而提高组件的重用性。同时 是一种非侵入式的框架，它的非侵入式特点，体现在它是完全基于，它的组件并不会意识到它正置身于 架中，这使得组件可以轻易地从框架中脱离而几乎不用作任何修改。 提供了事务管理、访问、邮件服务等功能。 架是一个分层架构，由七个定义良好的模块组成： (1)有模块都是建立在 的， 是 基本组成部分，提供 了 架的核心功能，它提供 了 性以及 器管理。 (2)构建于 之上， 展 加了对系统生命周期以及验证的支持。 (3)供了与 向方面的编程 )联盟兼容的 现，允许定义方法拦截器、切入点等。允许开发者不需要使 )羽 第 3 章 系统开发的理论与技术基础 器，只需借助于 事务抽象便能够在 器外使用事务管理服务。 (4)提供 了 象，它消除了冗长的 码和解析数据库厂商特有的错误编码。 (5)供了对其它一些 象关系数映射 )框架的支持，例 如 ， 务管理支持所有这些 架以及 (6)块建立在 基础上。 提供了面向 综合特 性 ， 如 使 用 听 器 的 始 化 、 面 向 件上传等功能。 (7)供了面向 计模式的实现。 器紧密整合，提供了一种领域