一種基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周勝明

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的重要手段。分析了現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，并提出了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺概念。然后研究了基于此平臺的實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述各個功能模塊的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用Struts、Spring、Hibernate組合框架進(jìn)行開發(fā)，具有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性等特點(diǎn)，通過集成實(shí)驗(yàn)自動批改功能，為用戶提供了一個方便友好的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

Abstract： With the rapid development of network technology and virtual technology， virtual experiment teaching has become an important means to improve the quality of experimental teaching and strengthen practical teaching. This paper analyzes the existing problems in the teaching of virtual experiment， and puts forward the concept of virtual experiment teaching platform. Then the functional module structure of the experimental management system based on this platform is studied， and the design of each function module is described in detail. The system uses Struts， Spring， Hibernate combination framework to develop， and has good scalability and maintainability and other characteristics. Through the integrated experiment automatically modifcation function， it provides users with a convenient and friendly virtual experimental teaching environment.

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)管理；虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)；自動批改

Key words： virtual experiment；experimental management；virtual experiment teaching；automatic correction

中圖分類號：TP391.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0187-02

0 引言

近年來，由于虛擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為可能?，F(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏統(tǒng)一的平臺和標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展中存在許多問題：①目前的虛擬實(shí)驗(yàn)絕大多數(shù)針對某門課程進(jìn)行設(shè)計(jì)，同一學(xué)科內(nèi)沒有形成系列化的虛擬實(shí)驗(yàn)課程體系；②現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的共享還僅局限于較小的地域范圍和較窄的專業(yè)領(lǐng)域，開放性和實(shí)用性都還不夠；③各高校開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)操作真實(shí)感不強(qiáng)，難以展現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，缺乏沉浸感[1-2]。

針對以上不足，提出并設(shè)計(jì)了一種虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺（Virtual Experiment Education Platform）。該平臺具有良好的交互性、可擴(kuò)展和安全性，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)管理和智能指導(dǎo)功能，為教師和學(xué)生提供一個集成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)境[3]。

1 系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的主要任務(wù)就是整合各種實(shí)驗(yàn)并對實(shí)驗(yàn)資源統(tǒng)一管理，并為學(xué)生老師提供一個良好的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)如圖1。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)用戶主要有四類角色，學(xué)生、教師、教務(wù)員和管理員。管理員主要功能有實(shí)驗(yàn)資源管理，用戶管理和實(shí)驗(yàn)論壇管理；教務(wù)員主要負(fù)責(zé)班級實(shí)驗(yàn)課程分配和管理，預(yù)約實(shí)驗(yàn)管理和成績審核管理等；教師主要功能有發(fā)起學(xué)生的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，制定實(shí)驗(yàn)批改規(guī)則，批改和提交學(xué)生成績等。

2.1 實(shí)驗(yàn)資源管理

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的最大特點(diǎn)就在于它的開放性和可擴(kuò)展性，它將整合各種類型的虛擬實(shí)驗(yàn)。由于這些舊虛擬實(shí)驗(yàn)采用的開發(fā)技術(shù)是多樣的，在前臺與后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時就需要不同的接口處理；這些舊實(shí)驗(yàn)對瀏覽器的支持也是各不相同的，為了方便用戶操作，需要對舊實(shí)驗(yàn)的支持的瀏覽器進(jìn)行說明；而且有的實(shí)驗(yàn)是有后臺的，有的沒有，以及實(shí)驗(yàn)界面顯示時插件在瀏覽器中的高度和寬度都要在用戶調(diào)用實(shí)驗(yàn)時明確規(guī)定。

2.2 實(shí)驗(yàn)課程管理

實(shí)驗(yàn)課程管理系統(tǒng)的教務(wù)員、教師、學(xué)生的功能設(shè)計(jì)如圖2所示。學(xué)生的每次實(shí)驗(yàn)需要通過平臺的預(yù)約實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首先教務(wù)員發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)的預(yù)約信息，規(guī)定了實(shí)驗(yàn)名稱、班級、教師和時間等信息，然后該教師再發(fā)起該班級的實(shí)驗(yàn)，這樣這個班級的學(xué)生就可以完成此次實(shí)驗(yàn)任務(wù)了；教務(wù)員還需負(fù)責(zé)為每個班級的每門實(shí)驗(yàn)課程分配一名教師；教師通過自動批改系統(tǒng)批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)成績提交給教務(wù)員，教務(wù)員審核無誤后才是學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績。

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2.3 實(shí)驗(yàn)用戶管理

對于批量的注冊用戶，系統(tǒng)增添了用戶的批量導(dǎo)入功能，按照不同的角色劃分批量導(dǎo)入用戶信息，支持常用的Excel表格形式；管理員角色也可以對用戶實(shí)現(xiàn)增加、刪除、查找和修改基本操作，同時可以為每個用戶分配和修改角色。

2.4 實(shí)驗(yàn)自動批改

為了進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率，平臺提供了實(shí)驗(yàn)自動批改功能。實(shí)驗(yàn)自動批改的流程如圖3所示，分為以下步驟：首先教師根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)答案實(shí)驗(yàn)場景中構(gòu)件的屬性值和之間的連接關(guān)系等等來獲取評分點(diǎn)，然后選擇評分點(diǎn)并為這些評分點(diǎn)分配一定的分值，再將此評分規(guī)則保存到數(shù)據(jù)庫中，最后按照此評分規(guī)則來自動批改學(xué)生實(shí)驗(yàn)，并最終得到批改成績。

2.5 實(shí)驗(yàn)論壇

實(shí)驗(yàn)論壇為學(xué)生和教師提供了提問和解答的平臺，論壇版塊按照實(shí)驗(yàn)科目下的實(shí)驗(yàn)課程種類來劃分，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)遇到的問題都可以在相應(yīng)的版塊提出問題，老師登錄論壇后會對問題做出解答；并且論壇還提供了一個FAQ版塊，用戶可以在上面搜索常見到的問題及其解答。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的Web服務(wù)器操作系統(tǒng)采用的是Linux，Linux在很多方面具有優(yōu)良的特性。Web服務(wù)容器采用的是Apache+Tomcat分工協(xié)作服務(wù)器架構(gòu)，Apache作為服務(wù)器負(fù)責(zé)靜態(tài)內(nèi)容的分發(fā)，Tomcat作為WEB應(yīng)用服務(wù)器在幕后處理動態(tài)請求。為提高服務(wù)器和其他資源的利用效率，服務(wù)器采用了基于請求分配器（Dispatcher）的Web服務(wù)器集群[4]。

3.1 開發(fā)技術(shù)構(gòu)架

系統(tǒng)開發(fā)框架采用的是J2EE框架結(jié)構(gòu)下Struts+Spring+Hibernate組合框架，它具有三層結(jié)構(gòu)，分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和持久層。表現(xiàn)層采用的是傳統(tǒng)的JSP技術(shù)，并采用Struts的MVC結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)控制業(yè)務(wù)邏輯層與表現(xiàn)層的交互，調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的Service組件；業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，以DAO層為基礎(chǔ)，通過對DAO組件的正面模式包裝，完成系統(tǒng)所要求的業(yè)務(wù)邏輯；持久層，負(fù)責(zé)與持久化對象交互，該層封裝了數(shù)據(jù)的增、刪、查、改的操作。

3.2 自動批改實(shí)現(xiàn)技術(shù)

本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的自動批改系統(tǒng)將引入基于規(guī)則引擎的專家系統(tǒng)來提高自動批改的智能性，通過把數(shù)據(jù)、知識庫和程序控制進(jìn)行分離，使基于知識庫的規(guī)則部分獨(dú)立于計(jì)算機(jī)程序，降低了主觀題自動批改的復(fù)雜性。專家系統(tǒng)通常由人機(jī)交互接口、知識庫、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、黑板、推理機(jī)幾個部分構(gòu)成

4 結(jié)論

本文開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)為各個學(xué)科的實(shí)驗(yàn)資源整合提供了一種解決思路，采用Struts+Spring+Hibernate組合框架，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，解決了虛擬實(shí)驗(yàn)資源管理，課程管理和自動批改等一系列關(guān)鍵問題。

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[4]李剛.大型門戶網(wǎng)站是這樣煉成的[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：891-907.