基于Web技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)設計

殷建軍，尹 令

（華南農(nóng)業(yè)大學 數(shù)學與信息學院，廣東 廣州 510642）

0 引 言

為了創(chuàng)新教育模式，提升教育系統(tǒng)，我國利用計算機技術構(gòu)建遠程輔助教學系統(tǒng)，發(fā)揮計算機的優(yōu)勢，輔助教師和學生進行教學和學習[1]。Web技術是一種應用廣泛的分布式應用解耦，用于實現(xiàn)客戶端和服務端之間的信息交流，采用應用程序、腳本程序、插件技術實現(xiàn)更強大的信息交流[2]。

傳統(tǒng)的輔助教學系統(tǒng)故障較多，連接不穩(wěn)定，因此為優(yōu)化傳統(tǒng)遠程輔助教學系統(tǒng)的不足，本文以Web技術為基礎，設計一種基于Web技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)，從硬件和軟件兩個角度出發(fā)，詳細地設計了系統(tǒng)的物理設備和應用程序，對于提升教學效果、加強教師對學生的評估、為學生提供良好的遠程教學網(wǎng)絡環(huán)境具有重要意義，更能促進Web技術的進一步發(fā)展。

1 基于Web技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)硬件設計

計算機是實現(xiàn)基于Web技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)是物質(zhì)基礎，在進行遠程輔助教學的過程中，計算機是教師與學生之間的交流媒介。計算機遠程輔助教學邏輯如圖1所示。

圖1 計算機輔助教學邏輯圖

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 存儲器設計

存儲器即為指令保存器，主要用于存儲教師所發(fā)出的多條指令與學生所回復的多條指令，因此該硬件分為教師端存儲器與學生端存儲器兩種，但作用卻是相同的。存儲器的主要作用為增強嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)的整體續(xù)航能力與抗干擾能力。在該系統(tǒng)的應用過程中，存儲器首先會將接收到教師所輸入的代碼指令進行依次排版與復刻，然后傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)的下一硬件中，當所接收到的代碼指令過多或者過于繁瑣而無法一次性地進行傳輸時，存儲器則會對沒有完成傳輸?shù)拇a指令進行保留，并時刻把持這些代碼指令的完整性與活躍性。在正在傳輸?shù)拇a指令完成傳輸后，存儲器才會將保留的代碼指令依次地再次進行傳輸，并保證前后二者的完美銜接，其銜接誤差不會高于0.001 s，因此不會對本文設計的遠程輔助教學系統(tǒng)造成影響。而針對學生的代碼指令，該硬件也會起到相同的作用，即在完成代碼指令完全傳輸?shù)耐瑫r保證所有指令的完整性與連續(xù)性[3-4]。存儲器參數(shù)如表1所示。

表1 存儲器參數(shù)

1.2 中央處理器

中央處理器又名CPU，是本文設計系統(tǒng)的核心硬件之一，該處理器主要由三個單元組成，分別為算術邏輯單元（ALU）、控制單元、輸入/輸出單元。CPU的具體組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 中央處理器組成結(jié)構(gòu)

該硬件處理器在工作的過程中，首先會通過算術邏輯單元（ALU）不斷地接收兩端存儲器所發(fā)送的代碼指令，并將這些指令單元化，而之所以會單元化是因為經(jīng)過單元化的指令會更好地融入到中央處理器的整體運行當中，大大地提高中央處理器的整體運行與工作效率[5-6]。

處理器參數(shù)如表2所示。

表2 處理器參數(shù)

算術邏輯單元（ALU）的主要作用是對所有的單元化代碼指令進行運算與比較，最終進行排版的功能模塊，它會在計算的過程中先逐步列出該單元化代碼指令的所有可能項，再進行逐步地排除，最終得到最為確定的單元化代碼指令可能項。當所有的單元化代碼指令都確定完畢后，算術邏輯單元（ALU）會將這些單元化代碼指令進行整合得到集合M，再將集合通過傳輸/輸入單元交給控制單元進行處理[7]。

控制單元是主要負責管理單元化代碼指令的整體動作的功能模塊，當控制單元接收到單元化代碼指令集合M后，它會根據(jù)順序?qū)⒓螹中的單元化代碼指令進行分解與剖析。最終將得到的數(shù)據(jù)進行動作化處理進而得到最為明確的單元化代碼指令，再傳輸給兩端的存儲器以供雙方接收與回應[8]。

1.3 輸入設備和輸出設備

本文所設計的計算機遠程輔助教學系統(tǒng)中的輸入設備和輸出設備分別為教師端輸入/輸出設備與學生端輸入/輸出設備，輸入設備的主要作用為將存儲器的代碼指令傳輸給該系統(tǒng)的中央處理器供其進行計算分析，而輸出設備的主要作用則為將中央處理器的單元化代碼指令集合M傳輸給存儲器，與輸入設備不同的是輸出設備具有將單元化代碼指令集合M轉(zhuǎn)化為代碼指令集合N的數(shù)集化轉(zhuǎn)換器[9]。

2 基于Web技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)軟件設計

程序是基于Web技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)的主導，學生和教師通過運行在計算機中的程序?qū)崿F(xiàn)交互，通過編寫程序可以對整個輔助教學流程進行控制，從而實現(xiàn)教學功能。因此本文在系統(tǒng)硬件的基礎上，設計相關的軟件配合硬件協(xié)同工作，其中主要的軟件設計包括基于Web技術的Web服務器和基于Web技術的數(shù)據(jù)庫[10-11]。

Web服務器是目前使用最廣泛、性能最全面的一種服務器，以Web技術為基礎，指在相應網(wǎng)絡環(huán)境下為基于Web技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)提供教學信息瀏覽的一種計算機程序，學生與教師之間可以通過服務器發(fā)送教學請求、教學文件等數(shù)據(jù)信息。一般來說，Web服務器包括建立連接、發(fā)送請求、發(fā)出響應以及關閉連接等四個工作過程，其工作原理如圖4所示。

圖4 Web服務器的工作原理

圖4中，建立連接是通過網(wǎng)絡協(xié)議連接Web服務器和瀏覽器，用戶可以登錄瀏覽器查看是否建成連接[12]。發(fā)送請求是指用戶通過瀏覽器向Web服務器發(fā)送請求，例如登錄請求、訪問請求、教學請求等各種所需要的請求。Web服務器在接收到請求后，利用相關算法對請求進行計算和處理，最后將結(jié)果通過網(wǎng)絡協(xié)議傳輸?shù)綖g覽器中，并在顯示結(jié)果的同時顯示請求內(nèi)容。在結(jié)束響應后，斷開Web服務器與瀏覽器之間的連接，對Web服務器進行維護和升級[13]。

數(shù)據(jù)庫是存儲教學相關信息的電子化文件柜，教師端和學生端可以對數(shù)據(jù)庫中的文件進行增加、下載、更新以及刪除等操作，根據(jù)系統(tǒng)需求可將數(shù)據(jù)庫分為在線學習數(shù)據(jù)庫和在線考試數(shù)據(jù)庫兩種形式，分別存儲學生和教師的在線學習數(shù)據(jù)和在線考試數(shù)據(jù)。為了更清楚地展示數(shù)據(jù)庫各類信息之間的屬性，使其概念化，采用E-R圖對其基本屬性進行描述。具體的基于Web技術在線學習數(shù)據(jù)庫E-R圖如圖5所示。

圖5 基于Web技術在線學習數(shù)據(jù)庫E-R圖

通過觀察圖5可以清楚地了解到，在線學習子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由較多的表組成，分別為班級、測驗、答案、公告、管理、教程、教程編號、教師、問題、系統(tǒng)設定、用戶、資料表[14]。其中“班級”每個表都具有特殊的意義，這些表分別代表學生的個人信息、平常測驗成績、教師教學筆記等一些必要的資料。每張表的數(shù)據(jù)管理員都可以根據(jù)學生的學習情況進行數(shù)據(jù)的增加與刪減?；赪eb技術的獨特優(yōu)勢是，在學生學習過程中，如果中途出現(xiàn)其他屬性的改變，通過進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，更改相對應的屬性特征，就可以保留之前學習過程中的數(shù)據(jù)，又可以繼續(xù)進行新模式的學習[15]。

基于Web技術的在線考試數(shù)據(jù)庫E-R圖如圖6所示。

圖6 基于Web技術在線考試數(shù)據(jù)庫E-R圖

本文設計的基于Web技術遠程輔助在線考試子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由12個表組成，如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)表格

考試子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和學生在線學習子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫具有相同的特性，管理員可以隨時更改各個表的屬性、數(shù)據(jù)內(nèi)容，以便達到基于計算機技術遠程輔助的目的。其中，學生考試子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫最獨特的優(yōu)勢是對于存儲系統(tǒng)內(nèi)部的考試題，自由管理員通過指紋認證才可以查看，通過密碼是不可以查看的，這樣就保證了學生考試的公平。另一方面基于Web技術的學生考試子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可以對學生考試卷子的部分客觀題進行批閱，減少了教師的工作，提高教師教學的效率。

3 實驗研究

為了驗證本文提出的基于Web技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)的有效性，將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)和基于信息分析的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)進行實驗，對比教學范圍和輔助時間。

設定實驗參數(shù)如表4所示。

表4 實驗參數(shù)

根據(jù)上述實驗參數(shù)進行對比實驗，分別針對不同的難度比例進行教學輔導，對比輔助范圍。得到的實驗結(jié)果如表5～表7所示。

表5 知識點難度較難時教學系統(tǒng)范圍 %

表6 知識點難度適中時教學系統(tǒng)范圍 %

表7 知識點難度較易時教學系統(tǒng)范圍 %

根據(jù)表5～表7可知，本文提出的基于Web技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)能夠有效擴大系統(tǒng)輔助范圍，針對不同的知識點采取不同的輔助方式，知識點難度不同時，傳統(tǒng)的輔助系統(tǒng)輔助范圍遠遠小于本文提出的輔助范圍。

本文提出的教學系統(tǒng)與另外兩種對比系統(tǒng)的輔助時間實驗結(jié)果如圖7所示。觀察圖7可知，相較于傳統(tǒng)輔助教學系統(tǒng)，本文提出的輔助教學系統(tǒng)輔助時間更短，能夠在短時間內(nèi)分辨信息，實現(xiàn)輔助，具有極強的輔助能力，輔助效果更好，更適用于實際應用。

圖7 輔助時間實驗結(jié)果

4 結(jié) 語

本文以Web技術為基礎，設計一種基于Web技術的嵌入式計算機遠程輔助教學系統(tǒng)，以計算機為媒介，以軟件程序為主導，詳細設計了存儲器、中央處理器、輸入/輸出設備等物理基礎以及Web服務器和數(shù)據(jù)庫等應用程序，實現(xiàn)了遠程嵌入式輔助教學系統(tǒng)，為學生遠程在線考試、在線學習提供了便捷，不僅使教師更準確清楚地了解學生的真實能力，對其進行準確評估以便制定合理的教學方案，更使學生在家就能夠獲得更好的教育資源，為其提供良好的教學環(huán)境。