高職實操課程交互式教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計＊

王禾玲

(咸陽師范學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

1 引言

交互式教學(xué)的特點是著眼于培養(yǎng)學(xué)生特定的、具體的用來促進理解的策略，靈活利用學(xué)生的理解能力與所學(xué)知識聯(lián)系在一起。目前國內(nèi)外已經(jīng)涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的教學(xué)系統(tǒng)，但在職業(yè)院校中只有針對理論開發(fā)設(shè)計的簡單匹配程序[1]。國內(nèi)大多構(gòu)建基于APP 的交互式移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)以滿足“課堂教學(xué)+交互式移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)運用”的混合式教學(xué)模式，如文獻[2]根據(jù)教學(xué)交互理論中提出的即時反應(yīng)、自動調(diào)節(jié)信息、自動反饋、選擇性、雙向通信、自定步調(diào)等計算機課件交互類型，在交互式教學(xué)視頻中設(shè)計標(biāo)簽、反饋、分支、嵌入四種交互功能，可錄制操作過程及在視頻中嵌入問題，輕松創(chuàng)建具有反饋選項的復(fù)雜分支場景，鏈接多種格式媒體文件，創(chuàng)建各種交互式的遠程學(xué)習(xí)內(nèi)容；文獻[3]建立復(fù)合式互動評價機制，依靠“云平臺”智能化設(shè)計，包括完成數(shù)統(tǒng)計、程序自動解析等，將管理加入人性化考量，采用模塊參與度及項目完成質(zhì)量與在線評價相結(jié)合的方式。國外高等教育機構(gòu)則采用基于學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)的混合學(xué)習(xí)，在支持LMS 的混合學(xué)習(xí)環(huán)境中，根據(jù)技術(shù)相關(guān)的刺激響應(yīng)理論框架設(shè)計系統(tǒng)。

以上各有特色的設(shè)計大多缺乏多模式設(shè)計及各模塊的整合，因此此類系統(tǒng)設(shè)計均存在各自問題，如交互式教學(xué)模塊建設(shè)仍然不夠完善，離散結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)模塊開發(fā)的需求分析過分依賴網(wǎng)絡(luò)互動，考慮到目前的教學(xué)系統(tǒng)主要以傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式為主，系統(tǒng)在運行過程中存在交互性低的問題，因此本文從硬件、數(shù)據(jù)庫和軟件三個方面實現(xiàn)對高職實操課程交互式教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，以期提升教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)功能以及應(yīng)用性能。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件設(shè)備的選型要遵循技術(shù)上先進、經(jīng)濟，課程中適用的原則，以及可行性、維護性、操作性等需求，以確定設(shè)備的最優(yōu)方案[3-4]。硬件設(shè)備為教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲以及教學(xué)功能的實現(xiàn)提供支持，并實現(xiàn)教學(xué)過程的可視化。為了提升系統(tǒng)的教學(xué)功能以及運行性能，在傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對通信網(wǎng)絡(luò)、微處理器、存儲器等進行模塊優(yōu)化與改裝，并對硬件系統(tǒng)的連接接口與電路進行調(diào)整。

2.1 交互通信網(wǎng)絡(luò)

交互通信網(wǎng)絡(luò)搭建的目的是為教學(xué)資源、實時教學(xué)數(shù)據(jù)以及最新的動態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸提供技術(shù)支持，提升通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和傳輸速率，進而提高系統(tǒng)的交互效率[5]。通信網(wǎng)絡(luò)主要由客戶端、服務(wù)器端和連接鏈路三個部分組成，具體的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)果如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

在通信網(wǎng)絡(luò)中客戶端也就是教學(xué)信息的主要接收端，客戶端沒有安裝與形式的要求，可以在Web 服務(wù)器登錄后通過內(nèi)嵌的插件實現(xiàn)系統(tǒng)的登陸，具有實時教學(xué)視頻播放、教學(xué)資源接收等功能。同時客戶端也具有教學(xué)訊息發(fā)送、作業(yè)提交等功能，通常在客戶端口安裝數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以保證系統(tǒng)的安全運行，在HTTP 協(xié)議的約束下，客戶端可以穿過防火墻將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器中。通信網(wǎng)絡(luò)采用基于Windows的IIS服務(wù)器，被用于負責(zé)系統(tǒng)用戶的注冊、登陸、用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)管理以及信息發(fā)布等任務(wù)。在預(yù)設(shè)的管理機制下，客戶端可以向系統(tǒng)提出任務(wù)調(diào)度申請，當(dāng)服務(wù)器通過申請后網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部自動生成一條傳輸鏈路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸與交互。另外還需要對網(wǎng)絡(luò)中的交換機設(shè)備進行配置，分別定義2 個VLAN，改變其IP 地址但不修改掩碼、接著在2個VLAN 之間增加路由，并使用“enable”命令激活路由功能。最后為交換機增加默認網(wǎng)關(guān)，輸入“default”定義缺省路由，此地址也就是交互通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)路由器的IP地址。

2.2 微處理器

根據(jù)內(nèi)核、工作頻率、芯片片內(nèi)存儲容量來選擇微處理器型號，系統(tǒng)微處理器內(nèi)核的選擇注定要是根據(jù)交互式教學(xué)系統(tǒng)要運行的操作系統(tǒng)要求，而系統(tǒng)的工作頻率則很大程度上決定了微處理器的數(shù)據(jù)處理能力。常見的微處理器芯片系統(tǒng)主時鐘頻率的波動范圍為20MHz-133MHz，不同的芯片對時鐘的處理方式和效果不同[6]。一般來講芯片內(nèi)的存儲容量都較小，需要在系統(tǒng)設(shè)計的過程中安裝外廓存儲器設(shè)備，因此在不考慮芯片片內(nèi)存儲容量的前提下，選擇型號為S3C4510B 型號的ARM 微處理器，作為教學(xué)系統(tǒng)的中央處理器設(shè)備。

2.3 接口與電路設(shè)計

由于交互式教學(xué)硬件系統(tǒng)中的部分硬件設(shè)備的型號和運行機理可能會發(fā)生改變，有時需要調(diào)整硬件系統(tǒng)中的接口和電路的連接方式，保證硬件系統(tǒng)中的各個設(shè)備能夠正常、協(xié)同運行。

2.3.1 微處理器芯片接口電路

選擇的S3C4510B 微處理器芯片上共有208 只引腳，且每一個引腳均采用QFP封裝，S3C4510B芯片引腳大體涵蓋輸入、輸出和輸入/輸出三種類型，其中輸出型引腳主要用于微處理器對外設(shè)定的控制或通信，而輸入/輸出類型的引腳是微處理器芯片與外設(shè)的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道。

2.3.2 電源電路

電源電路的設(shè)置目的是為硬件系統(tǒng)中的多個硬件設(shè)備提供穩(wěn)定的電力支持，在交互式教學(xué)系統(tǒng)中結(jié)合各個設(shè)備的選型結(jié)果，需要使用5V和3．3V的直流電源。那么就需在傳統(tǒng)電源電路的基礎(chǔ)上安裝一個變壓器設(shè)備，實現(xiàn)5V 電壓和3．3V電壓之間的相互轉(zhuǎn)換。

2.3.3 晶振電路

晶振電路主要提供工作時鐘給系統(tǒng)CPU以及其他電路設(shè)備，晶振電路的設(shè)計連接結(jié)果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的晶振電路圖

在晶振電路的作用下，硬件系統(tǒng)以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，進一步有效控制由于高速開關(guān)時鐘所產(chǎn)生的高頻噪聲。

2.3.4 其他接口電路

其他接口電路具體包括存儲器接口電路、串行接口電路、JTAG接口電路、擴展板卡接口電路等。例如，串行接口電路為例使用RS-232-C標(biāo)準，為串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準，采用的是9芯D型插頭進行連接。

3 高職實操課程交互式教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫為教學(xué)功能的實現(xiàn)提供充足的數(shù)據(jù)支持，是交互式教學(xué)系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計的合理規(guī)范流程大致可劃分為需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)模型建立和數(shù)據(jù)庫實施與維護四個步驟[7]。依據(jù)教學(xué)系統(tǒng)的需求，設(shè)計各個數(shù)據(jù)表用于保存相關(guān)數(shù)據(jù)，確立各個模塊之間的實體關(guān)系，并得出數(shù)據(jù)庫中各個主要數(shù)據(jù)模塊的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)表關(guān)系圖

數(shù)據(jù)庫表會按照類型存儲對應(yīng)的所有數(shù)據(jù)，此次設(shè)計的高職實操課程交互式教學(xué)系統(tǒng)中建立的數(shù)據(jù)庫表包括學(xué)生用戶信息表、實操課程介紹信息表、課程表信息表、信息公告信息表、例題講解信息表、教學(xué)進度信息表、教師用戶信息表、管理員用戶信息表以及實操視頻與音頻資源信息表等。以教學(xué)系統(tǒng)中的問題答疑類型數(shù)據(jù)為例，該數(shù)據(jù)庫表被用于保存學(xué)生在實操課程教學(xué)過程中提出的問題信息以及教師在后臺管理回復(fù)的答疑信息，具體的設(shè)計情況如表3所示。

表3 問題答疑數(shù)據(jù)庫表

同理可以得出其他類型數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計結(jié)果，將系統(tǒng)中產(chǎn)生的實時教學(xué)數(shù)據(jù)按照其類型，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的格式，并存儲到相應(yīng)的存儲空間中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新[8]。

4 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

在高職實操課程交互式教學(xué)過程中，系統(tǒng)的主要功能有：課程學(xué)習(xí)、討論問題、作業(yè)練習(xí)、遠程視頻課程、課程作業(yè)布置與提交。在軟件系統(tǒng)中不同的用戶具有不同的功能權(quán)限，具體設(shè)計的系統(tǒng)軟件功能框架如圖4所示。

圖4 教學(xué)系統(tǒng)軟件功能框圖

結(jié)合不同用戶角色設(shè)置對應(yīng)的功能權(quán)限，并按照高職實操課程體系確定教學(xué)系統(tǒng)的課程內(nèi)容。

按照實際操作的環(huán)境搭建對應(yīng)的三維模型，采用3Ds MAX 8．0完成各種場景的建模工作。例如工業(yè)自動化設(shè)備的實際操作，需要在實驗環(huán)境中搭建實操工作環(huán)境，并將操作界面與外設(shè)設(shè)備產(chǎn)生連接，當(dāng)點擊或敲擊外設(shè)即可實現(xiàn)對虛擬場景的調(diào)度和操作，從而實現(xiàn)對操作過程的控制。

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試將全面對系統(tǒng)中的各個模塊進行測試，具體實現(xiàn)過程可以分為進度測試、測試人員、測試環(huán)境等步驟，最終得出關(guān)于系統(tǒng)功能和性能的測試結(jié)果。

5.1 系統(tǒng)開發(fā)工具與測試環(huán)境

高職實操課程交互式教學(xué)信息的發(fā)布與交流暫時托管于校園網(wǎng)絡(luò)的Web 服務(wù)器上，該服務(wù)器型號為Windows 2000 Advanced Server+SQL Server 2000，服務(wù)器中的CPU設(shè)備和網(wǎng)卡設(shè)備分別為奔騰VI 2．4GHz 和10/100/1000M自適應(yīng)網(wǎng)卡。實驗中使用的系統(tǒng)客戶終端的型號以中文Windows95/98/2000/NT/XP 的計算機設(shè)備為主，同時設(shè)置部分移動終端作為教學(xué)系統(tǒng)的客戶端。設(shè)計的高職實操課程交互式教學(xué)系統(tǒng)一般在Windows XP Professional 環(huán)境下開發(fā)，在系統(tǒng)發(fā)布過程中將其移植到Windows2000 Advanced Server 環(huán)境中。對于交互式教學(xué)系統(tǒng)中軟件部分的ASP文件代碼，可以直接導(dǎo)入到記事本中進行辯解，最終存儲為*asp格式的文件，而對于系統(tǒng)界面的制作與修飾，使用Macromedia Studio工具對系統(tǒng)前端顯示效果的動畫、頁面和圖形等效果進行專業(yè)加工并提供可視化的頁面環(huán)境。另外為了保證系統(tǒng)軟件程序的穩(wěn)定運行，在主測計算機中安裝C++運行工具，該工具可以調(diào)用*asp格式的文件，通過程序代碼的讀取實現(xiàn)系統(tǒng)的運行。

5.2 系統(tǒng)測試過程

此次實驗分為兩個部分，即系統(tǒng)功能的測試及系統(tǒng)性能的測試，其中功能測試的內(nèi)容是測試用戶登錄、用戶信息修改、管理員權(quán)限授予、教師開設(shè)實操課程、教師課程進度控制、學(xué)生選課、學(xué)生課程資源調(diào)用、學(xué)生虛擬實操環(huán)境控制、學(xué)生在線測試以及在線交互等功能的實現(xiàn)情況，并統(tǒng)計系統(tǒng)各個功能實現(xiàn)的成功率。而系統(tǒng)的性能測試目標(biāo)是在不同數(shù)量用戶同時在線的情況下，系統(tǒng)的功能運行速率的變化情況。結(jié)合此次系統(tǒng)測試的實驗?zāi)康模O(shè)置系統(tǒng)測試的并發(fā)用戶，在實驗環(huán)境中導(dǎo)入教學(xué)數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫中，用戶的基本信息如圖5所示。

圖5 交互式教學(xué)系統(tǒng)用戶信息數(shù)據(jù)表

為了形成實驗對比，還需在設(shè)計高職實操課程交互式教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)置傳統(tǒng)的教學(xué)系統(tǒng)和高職信息化教學(xué)中交互式學(xué)習(xí)平臺作為實驗對比，在系統(tǒng)的運行過程中保證系統(tǒng)開發(fā)工具、測試環(huán)境、用戶并發(fā)數(shù)量以及用戶操作的一致性。

5.3 系統(tǒng)功能測試結(jié)果

為了保證系統(tǒng)功能的正常運行，對系統(tǒng)中設(shè)置的所有功能進行測試。例如，人機交互功能和教師教學(xué)進度控制功能，其中交互功能就是學(xué)生與系統(tǒng)界面之間的人機互動，學(xué)生點擊教學(xué)視頻，觀察系統(tǒng)界面的是否實現(xiàn)教學(xué)視頻的播放與暫停；學(xué)生在虛擬實操環(huán)境下敲擊鍵盤或鼠標(biāo)，觀察虛擬環(huán)境中的設(shè)備的運行狀態(tài)或所在位置是否出現(xiàn)變化；學(xué)生在系統(tǒng)中的答疑模塊留言，系統(tǒng)是否能夠上傳問題信息。

表4 系統(tǒng)功能測試結(jié)果

綜合上述多步操作，4個交互式系統(tǒng)模塊均可以顯示輸出預(yù)期的變化效果，即測試系統(tǒng)的交互功能運行正常。而教師對教學(xué)進度的控制可以分為教學(xué)安排的修改、教學(xué)內(nèi)容的刪改等，同理，統(tǒng)計記錄所有的功能測試的輸出結(jié)果與預(yù)期的結(jié)果作比對，便可得出功能測試結(jié)果。經(jīng)過測試與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)4種系統(tǒng)模塊均能夠順利實現(xiàn)信息管理、交互等功能。

5.4 系統(tǒng)性能測試結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)性能測試的目的，分別設(shè)置6 組實驗，并設(shè)置實驗中用戶同時在線的數(shù)量分別為10、20、30、50、100 和200，在不同的系統(tǒng)負載壓力下，調(diào)取系統(tǒng)后臺的運行數(shù)據(jù)，監(jiān)測學(xué)生作業(yè)上傳所需消耗的時間變化情況。為了保證實驗變量的唯一性，學(xué)生上傳作業(yè)的文件大小與內(nèi)容均相同，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計與對比得出的性能測試結(jié)果如表5所示。

表5 系統(tǒng)性能測試結(jié)果

從表5中的數(shù)據(jù)中可以看出，隨著系統(tǒng)中并發(fā)用戶數(shù)量的逐漸增加，功能運行的平均時間開銷逐漸增加，其中傳統(tǒng)系統(tǒng)和高職交互平臺設(shè)計系統(tǒng)的平均時間開銷分別為26．35s和24．08s，而設(shè)計交互式教學(xué)系統(tǒng)的平均時間開銷為19．48s，即設(shè)計系統(tǒng)在運行性能方面更加具有優(yōu)勢。

6 結(jié)束語

設(shè)計與開發(fā)高職實操課程交互式教學(xué)系統(tǒng)，不僅能夠為學(xué)生的實踐操作提供更多的機會和平臺，同時也能夠降低實操設(shè)備被損壞的概率，減輕教師以及設(shè)備管理人員維護設(shè)備的壓力，改變原本被動的實操教學(xué)模式，充分提升實操課程教學(xué)的積極性和有效性。