基于Web 的水處理生物學(xué)課程線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉 瑩，陳麗珠，魏宏艷，李雪琪

1.長(zhǎng)春建筑學(xué)院城建學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130607；2.能源應(yīng)用與環(huán)境控制實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130607

通過(guò)線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)加強(qiáng)教師與學(xué)生之間的聯(lián)系，可以提升“水處理生物學(xué)”的課堂教學(xué)效果和教學(xué)效率，達(dá)到豐富學(xué)習(xí)過(guò)程中的微生物學(xué)習(xí)資源、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等目的[1]。利用互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展教學(xué)不僅可以讓學(xué)生自主參與到課程的學(xué)習(xí)當(dāng)中，還能在一定程度上方便教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，及時(shí)布置教學(xué)任務(wù)，對(duì)學(xué)生存在疑惑的題目予以解答；并且教師還能隨堂進(jìn)行階段性考核，了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用的能力[2]。文章為解決課堂教學(xué)過(guò)程中針對(duì)性考核和解答等相關(guān)功能缺失的困擾，運(yùn)用Web 技術(shù)增加對(duì)應(yīng)專(zhuān)業(yè)平臺(tái)功能的設(shè)計(jì)，旨在提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與教學(xué)效果。

1 線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于Web 模式的系統(tǒng)具有良好的跨平臺(tái)性，可以將Web 瀏覽器作為用戶(hù)與系統(tǒng)之間的交互窗口，運(yùn)用B/S 結(jié)構(gòu)對(duì)平臺(tái)的基本功能進(jìn)行應(yīng)用與展示[3]。在線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用三層C/S 架構(gòu)，能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)流量累積量的增加，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)更新與系統(tǒng)之間的連接。其中，三層C/S 架構(gòu)的示意圖如下所示。

圖1 C/S 架構(gòu)示意圖

2 線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

2.1 線(xiàn)上教學(xué)應(yīng)用Web+云計(jì)算技術(shù)

Web+云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用，有助于共享教學(xué)資源。其具體操作如下：運(yùn)用HDFS 對(duì)外聲明文件系統(tǒng)的命名空間，將用戶(hù)數(shù)據(jù)保存在命名空間中。在文件系統(tǒng)內(nèi)部，將保存的文件切割為數(shù)據(jù)塊，分別保存在不同的NODE 節(jié)點(diǎn)中。同時(shí)，設(shè)置應(yīng)用主機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行，加強(qiáng)數(shù)據(jù)服務(wù)器與主機(jī)之間的通信，減少由數(shù)據(jù)庫(kù)與用戶(hù)之間頻繁交流而造成的資源浪費(fèi)。用戶(hù)通過(guò)Web 訪問(wèn)服務(wù)器，提出學(xué)習(xí)請(qǐng)求，Web 服務(wù)器端應(yīng)用HTTP 協(xié)議將所需教學(xué)資料傳送到主機(jī)端，并呈現(xiàn)在Web 中。通過(guò)建立瀏覽器與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的聯(lián)系，完成主要的應(yīng)用教學(xué)任務(wù)。對(duì)第一層提出的請(qǐng)予以處理，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)操作后與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，將處理結(jié)果返回。通過(guò)中間控件將第二層與第三層連接起來(lái)，對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行整合更新與共享。運(yùn)用公開(kāi)網(wǎng)卡接口來(lái)執(zhí)行ASP 技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)分布式開(kāi)發(fā)與動(dòng)態(tài)更新[6]。如果存在大量教學(xué)資源，還需要抓取資源大數(shù)據(jù)。計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差，設(shè)定研究的數(shù)據(jù)樣本為，通過(guò)特征值對(duì)大數(shù)據(jù)分布關(guān)系進(jìn)行描述，公式為：

式中：α 為倍頻參數(shù)；i 為不同層分解的標(biāo)準(zhǔn)差；F 為擬合直線(xiàn)的斜率。

通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)差的大小，確定樣本的分布情況，從而抓取數(shù)據(jù)的關(guān)鍵特征。在抓取后通過(guò)云計(jì)算技術(shù)與SQL 的結(jié)合能夠更快速地部署在規(guī)模較大的計(jì)算機(jī)集群中，完成線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)對(duì)海量數(shù)據(jù)的共享。

2.2 線(xiàn)上教學(xué)考評(píng)

基于Web 的水處理生物學(xué)課程線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)可以進(jìn)行線(xiàn)上教學(xué)考評(píng)，其具體操作如下：將考核試卷保存在試卷庫(kù)中，使用C/S 架構(gòu)對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，以便及時(shí)管理調(diào)用考核試卷時(shí)的安全問(wèn)題。管理員通過(guò)管理入口和身份驗(yàn)證上傳教師上課需要用到的考核試卷[7]。每個(gè)考核試卷都以文件的形式共享，將相關(guān)信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中[8]。將考核結(jié)果存儲(chǔ)在考核庫(kù)中，將學(xué)生的相關(guān)測(cè)試成績(jī)進(jìn)行登記與存儲(chǔ)，并根據(jù)動(dòng)態(tài)評(píng)估、階段性考核等結(jié)果，形成學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)整理評(píng)價(jià)表，讓教師據(jù)此了解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況并進(jìn)行評(píng)價(jià)。將評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)形成評(píng)價(jià)集，對(duì)評(píng)價(jià)集進(jìn)行賦值，運(yùn)用平均加權(quán)法進(jìn)行結(jié)果運(yùn)算，計(jì)算公式為：

式中：Fi 為整體評(píng)價(jià)模型；f 為模糊評(píng)價(jià)矩陣。

對(duì)學(xué)生的在線(xiàn)學(xué)習(xí)成果和考核結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)有效性分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按照順序得到不同層次之間的模糊等級(jí)，完成對(duì)教學(xué)考核結(jié)果的評(píng)價(jià)。

3 測(cè)試與應(yīng)用

3.1 搭建測(cè)試環(huán)境

實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)環(huán)境為MyEclipse10，運(yùn)用Windows11操作系統(tǒng)，Tomcat-8.0，JDK6.6，結(jié)合云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)操作系統(tǒng)。在通信過(guò)程中，Client.java 負(fù)責(zé)采集信息數(shù)據(jù)，打包并按時(shí)傳輸；Server.java 負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)包，解析并共享到SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)表對(duì)應(yīng)的字段中，結(jié)束測(cè)試。

3.2 測(cè)試與分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用性測(cè)試。第一，在為不同教學(xué)要求分類(lèi)選擇對(duì)應(yīng)資源后，后臺(tái)能夠返回該資源的分類(lèi)信息；第二，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，測(cè)試能否在分類(lèi)列表中顯示出對(duì)應(yīng)的具體分類(lèi)信息；第三，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中能否運(yùn)用該功能正確顯示兩類(lèi)資源進(jìn)行試驗(yàn)。為保證測(cè)試結(jié)果的普遍性，共設(shè)置20 組實(shí)驗(yàn)，分別在類(lèi)別總數(shù)為1 000、2 000、3 000 時(shí)對(duì)平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中的分類(lèi)功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得響應(yīng)時(shí)間。將平臺(tái)響應(yīng)時(shí)間的閾值設(shè)定為0.8 s，響應(yīng)時(shí)間在0.8 s 以下方能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。測(cè)試得到對(duì)應(yīng)的具體結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，在對(duì)不同類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi)后，20個(gè)小組的響應(yīng)時(shí)間均在閾值以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足預(yù)期目標(biāo)。這就意味著在執(zhí)行教學(xué)資源分類(lèi)的工作任務(wù)時(shí)，設(shè)計(jì)的線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)擁有較高的分類(lèi)速度，應(yīng)用性能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

為測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性效果，需要以平臺(tái)高并發(fā)性能為測(cè)試對(duì)象，運(yùn)用測(cè)試工具Apache進(jìn)行性能測(cè)試。設(shè)置測(cè)試并發(fā)線(xiàn)程數(shù)量為5 000 個(gè)，平均響應(yīng)時(shí)間設(shè)定為0.3 s，平臺(tái)能夠承受的訪問(wèn)量在4 000QPS 以?xún)?nèi)。開(kāi)展10 組實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)承受訪問(wèn)量進(jìn)行測(cè)試，在超過(guò)平臺(tái)承受訪問(wèn)量，平臺(tái)發(fā)生卡頓現(xiàn)象時(shí)記錄數(shù)據(jù)表示為1，反之則記錄數(shù)據(jù)表示為0，得到如表2 所示的結(jié)果。

表2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，即使并發(fā)訪問(wèn)量不斷增加的情況下，平臺(tái)承受訪問(wèn)量均沒(méi)有發(fā)生運(yùn)行卡頓的現(xiàn)象。從不同小組的測(cè)試結(jié)果可知，此次設(shè)計(jì)的平臺(tái)具有較高的穩(wěn)定性，在時(shí)間一致的情況下能夠降低錯(cuò)誤率，減少運(yùn)行卡頓的情況，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。綜上所述，測(cè)試結(jié)果可以反映出基于Web 的水處理生物學(xué)課程線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)整體性能良好，在網(wǎng)絡(luò)情況良好的狀態(tài)下延遲較低，響應(yīng)及時(shí)，分類(lèi)速率高，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從課程線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)入手，探究了基于Web 的水處理生物學(xué)課程線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行深入研究，使水處理生物學(xué)課程在線(xiàn)上教學(xué)中更加趨于智能化、實(shí)時(shí)化。但是該平臺(tái)的設(shè)計(jì)還是存在不足，例如算法的更新問(wèn)題、時(shí)效性問(wèn)題、信息整體轉(zhuǎn)化問(wèn)題等。對(duì)此，今后應(yīng)更加完善計(jì)算，進(jìn)一步優(yōu)化課堂線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)教學(xué)信息的獨(dú)特化展現(xiàn)，促進(jìn)水處理生物學(xué)課程的良好應(yīng)用與普及。