開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張廣斌,王長順,袁 婷,吳 婧,凌 駿,武升宇

(南京航空航天大學(xué) 物理學(xué)院,江蘇 南京 211100)

中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》重點(diǎn)部署了面向教育現(xiàn)代化的十大戰(zhàn)略任務(wù),其中包括加快信息化時(shí)代教育變革,建設(shè)智能化校園,統(tǒng)籌建設(shè)一體化智能化教學(xué)、管理與服務(wù)平臺,利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式改革,實(shí)現(xiàn)規(guī)模化教育與個性化培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。在教育領(lǐng)域,打破傳統(tǒng)教學(xué)觀念,充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢,大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的應(yīng)用,促進(jìn)信息技術(shù)與課程的融合,近年來成為教育研究和探索的熱點(diǎn)[1-5]。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校理工科類專業(yè)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程,在引導(dǎo)學(xué)生掌握物理知識與技能、培養(yǎng)實(shí)踐動手能力、提高科學(xué)研究素養(yǎng)、提升參與實(shí)踐與科學(xué)研究內(nèi)驅(qū)力、建立科學(xué)的世界觀、人生觀和價(jià)值觀方面具有非常重要和深遠(yuǎn)的作用。實(shí)驗(yàn)課程的性質(zhì)和重要性決定了其排課方式、上課形式、教學(xué)模式和考核方法不同于一般的理論課程,在課程種類多、學(xué)生體量大,課堂次數(shù)多、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全、實(shí)驗(yàn)室場地有限的前提下,教學(xué)的組織和實(shí)施越來越依賴于信息技術(shù)的支持[6-10]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)依托于計(jì)算機(jī)使用,在時(shí)域和空域上受到一定的限制,隨著移動互聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展和5G時(shí)代的到來,智能手機(jī)逐漸超越了電腦的使用范圍,智能手機(jī)已成為當(dāng)代大學(xué)生日常生活和學(xué)習(xí)必不可少的工具,其在智慧教學(xué)、智慧管理中的作用也愈加明顯。

南京航空航天大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)長期實(shí)行開放式管理模式,依據(jù)課程教學(xué)要求和培養(yǎng)計(jì)劃安排實(shí)驗(yàn)開放課堂,學(xué)生可以根據(jù)所在專業(yè)、個人興趣和空余時(shí)間,利用選課系統(tǒng)靈活自主地預(yù)約實(shí)驗(yàn)課堂。在原有管理模式下,我校物理實(shí)驗(yàn)中心融合現(xiàn)代技術(shù)手段,與徐州柏拉圖科技有限公司合作完善了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)功能,形成了以物理實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站和物理實(shí)驗(yàn)中心微信公眾號為依托的智慧教學(xué)綜合管理體系,充分發(fā)揮了智能手機(jī)在選課、報(bào)告下載、上課提醒、智能考勤、報(bào)告上傳、成績反饋等一系列教學(xué)環(huán)節(jié)中的便捷作用,受到學(xué)生普遍好評。

1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

教學(xué)管理系統(tǒng)包括前臺和后臺兩個部分。后臺主要包括系統(tǒng)設(shè)置、課程管理、用戶管理、預(yù)約管理、綜合查詢等模塊,前臺包括信息查詢、用戶預(yù)約、課堂管理等模塊。按使用對象,綜合管理系統(tǒng)分為管理員、教師和學(xué)生三類用戶。管理員通過電腦后臺系統(tǒng)管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù),學(xué)生和教師既可以在電腦端登錄使用,又可以利用智能手機(jī)在微信端實(shí)現(xiàn)移動操作。

教學(xué)管理系統(tǒng)的主要功能體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)課程信息管理:主要包括開課學(xué)期設(shè)置、課程類別及要求的設(shè)置、學(xué)生信息導(dǎo)入等。系統(tǒng)管理員首先要將當(dāng)前學(xué)期設(shè)置為開課學(xué)期,并編輯開課學(xué)期的課程類別和課程要求。學(xué)生信息導(dǎo)入系統(tǒng)后,管理員以班級為單位將其劃分在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程下,以便學(xué)生查看到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程和具體要求。

(2)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理:主要包括項(xiàng)目編輯和實(shí)驗(yàn)室編輯。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是在實(shí)驗(yàn)室完成教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)的必備環(huán)節(jié),管理員首先要編輯所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目信息和實(shí)驗(yàn)室信息(房間號),其次根據(jù)課程要求對其添加開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)室信息,以便對課程學(xué)生實(shí)施開放排課或整班排課,也可按項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)室查詢相關(guān)開課信息。

(3)實(shí)驗(yàn)開放預(yù)約:主要包括管理員排課管理和學(xué)生選課管理。實(shí)驗(yàn)預(yù)約可以針對不同課程提前選擇和安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,教師根據(jù)教學(xué)進(jìn)度表,實(shí)驗(yàn)室空閑情況以及學(xué)生人數(shù)安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生根據(jù)自身情況和課程要求,自主預(yù)約選擇難易度不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,循序漸進(jìn)的選擇和完成實(shí)驗(yàn)。而管理系統(tǒng)會根據(jù)以上的預(yù)約情況實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫信息,不斷為實(shí)驗(yàn)人員提供最新的課堂信息。

(4)報(bào)告管理與成績評定:主要包括報(bào)告上傳、報(bào)告批閱和報(bào)告管理三部分。學(xué)生選課后可以自行下載并打印該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,完成實(shí)驗(yàn)和報(bào)告后,按照要求將報(bào)告拍照上傳至選課系統(tǒng)。教師則根據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)查看、批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告,并予以成績反饋,對于問題報(bào)告教師可做退回處理。

(5)課堂管理與服務(wù):主要包括消息提醒、課堂考勤派位、綜合查詢等。消息提醒功能適時(shí)為學(xué)生選課、退課和上課推送消息,同時(shí)為教師發(fā)送上課提醒;課堂考勤功能便于課堂出勤統(tǒng)計(jì)和自動派位;綜合查詢功能為管理員、學(xué)生和教師提供了便捷的查詢服務(wù),包括開課情況查詢、工作量統(tǒng)計(jì)、課堂查詢、成績查詢、報(bào)告查詢及各類匯總等。

2 主要技術(shù)

2.1 開發(fā)環(huán)境

教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行在Linux環(huán)境,由前端和后端兩個部分組成,均采用開源技術(shù)開發(fā)。后端利用JAVA語言編寫,將MySQL作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)與持續(xù)改進(jìn);前端使用JavaScript語言開發(fā),基于Html5和Css3技術(shù)構(gòu)建交互頁面與視覺效果,其主要功能包括信息展示和用戶交互兩部分,通過訪問后臺接口完成具體業(yè)務(wù)流程。系統(tǒng)的開發(fā)工具采用了微軟提供的開源軟件Visual Studio Code,開發(fā)和部署使用了Docker容器技術(shù)。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

為便于部署與維護(hù),系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)[11-12]設(shè)計(jì),用戶可以直接通過瀏覽器和微信使用。PC端和微信端教學(xué)系統(tǒng)采用前端技術(shù)實(shí)現(xiàn),通過nginx提供訪問,后端API部署在Servlet容器Glassfish上,通過nginx反向代理提供訪問。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 技術(shù)架構(gòu)圖

后端所有功能皆以REST-API的形式提供,包括登錄認(rèn)證、角色的權(quán)限管理服務(wù)以及教學(xué)相關(guān)的各類業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)(例如查看開放課堂和預(yù)約情況、下載實(shí)驗(yàn)報(bào)告文件、實(shí)驗(yàn)考勤、上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖片、批閱報(bào)告、查詢成績以及各類管理與統(tǒng)計(jì)等)。前端代碼通過訪問接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、創(chuàng)建、更新與刪除。前端主要負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù),響應(yīng)用戶的操作以及發(fā)起對接口的請求并處理返回的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動以開放預(yù)約的形式進(jìn)行組織,由管理員發(fā)布開放的場次,設(shè)定時(shí)間、地點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)科目和任課教師,學(xué)生則可以選擇預(yù)約某一個具體的場次。管理員若不指定任課教師,可由任課教師自行選擇上課場次。主要的教學(xué)流程如圖2所示。

圖2 教學(xué)流程

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)涉及實(shí)驗(yàn)開放教學(xué)的每個環(huán)節(jié),主要包括發(fā)布實(shí)驗(yàn)場次、學(xué)生選課、簽到實(shí)驗(yàn)、提交報(bào)告、學(xué)生評教、批閱報(bào)告(打分)。系統(tǒng)主要涉及兩個核心業(yè)務(wù)關(guān)系,一個是發(fā)布場次,一個是選課。在數(shù)據(jù)庫中以場次表(lesson)和選課表(elect)來表述這兩個業(yè)務(wù)關(guān)系,其他諸如人員、部門、班級、科目、時(shí)間、地點(diǎn)等等都以實(shí)體表進(jìn)行表述,通過外鍵關(guān)聯(lián)與核心業(yè)務(wù)表建立聯(lián)系。主要的數(shù)據(jù)庫關(guān)系的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 實(shí)體關(guān)系圖

3.2 后臺管理的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)后臺由一組基于遵循JSR311規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的接口構(gòu)成,即所謂的REST API,每個接口相互獨(dú)立,并定義特定的訪問權(quán)限,各自完成一部分系統(tǒng)功能。因此各接口之間沒有耦合,可獨(dú)立替換而不造成影響。

接口的實(shí)現(xiàn)在JAVA代碼中以三個層級的對象完成,資源對象響應(yīng)HTTP請求,通過響應(yīng)的業(yè)務(wù)對象執(zhí)行具體流程,通常需要通過數(shù)據(jù)訪問層的數(shù)據(jù)訪問對象進(jìn)行持久化操作,具體的數(shù)據(jù)庫交互是由Dbutils對象完成。如圖4所示。

圖4 業(yè)務(wù)對象關(guān)系

以下載報(bào)告為例,用戶請求接口/report_paper/{rptNum}傳遞報(bào)告編號,系統(tǒng)由Report Paper Resource對象響應(yīng)請求,通過Jasper對象生成pdf文件返回,該過程通過ReportDao查詢相關(guān)信息置入報(bào)告模板對象。實(shí)際查詢數(shù)據(jù)由Dbutils封裝JDBC來實(shí)現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)前臺的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的用戶交互實(shí)現(xiàn)分為PC端和微信端,均采用前端技術(shù)實(shí)現(xiàn),分別適配電腦和手機(jī)屏幕尺寸。PC端設(shè)計(jì)采用Dojo(1.x)框架實(shí)現(xiàn),微信端使用Vue實(shí)現(xiàn)。兩者都是模塊化、組件化設(shè)計(jì),通過Ajax請求與后臺接口進(jìn)行交互。系統(tǒng)主要功能在兩個終端都有實(shí)現(xiàn),區(qū)別在于學(xué)生上傳報(bào)告圖片時(shí)依賴于手機(jī)拍照功能,只能在微信端使用,而教師批閱報(bào)告則需要較大的畫面顯示,只能在PC端實(shí)現(xiàn),這里僅以微信端為例介紹主要的程序構(gòu)成。

微信端教學(xué)系統(tǒng)程序功能包含查詢實(shí)驗(yàn)、選課/取消/改選實(shí)驗(yàn)、下載報(bào)告紙、上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖片、查看批閱和實(shí)驗(yàn)成績等等。每個功能在一個或多個頁面中實(shí)現(xiàn),頁面之間的切換通過前端路由實(shí)現(xiàn)。整個微信端教學(xué)系統(tǒng)程序的狀態(tài)統(tǒng)一由Store對象管理,并負(fù)責(zé)發(fā)起對后臺接口的請求,獲取數(shù)據(jù)響應(yīng)更新狀態(tài)變量。各頁面元素與狀態(tài)變量綁定,當(dāng)數(shù)據(jù)變化時(shí)將自動更新頁面顯示(vue響應(yīng)式編程設(shè)計(jì))。

基于這種設(shè)計(jì)思想,整個教學(xué)前端程序就拆分成若干個組件單元,包含頁面模板的UI組件或者僅實(shí)現(xiàn)特定功能的非交互組件。

4 系統(tǒng)界面

以學(xué)生手機(jī)微信端和教師電腦端顯示為例,簡單介紹一下系統(tǒng)界面。學(xué)生登錄系統(tǒng)后,可以查看到課程的相關(guān)要求,并根據(jù)具體要求自由選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對于預(yù)約選課或取消已預(yù)約課堂,系統(tǒng)會在操作后推送消息,上課前一天,系統(tǒng)會定時(shí)發(fā)送上課提醒。報(bào)告下載、預(yù)習(xí)測試、報(bào)告提交、課堂評價(jià)、成績查看、信息反饋、出勤記錄和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展的查看等均可通過手機(jī)微信端實(shí)現(xiàn),部分微信端界面如圖5所示。另外,教師可以通過電腦端登錄系統(tǒng),查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、測試情況、評教情況、各個數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)情況等,并通過報(bào)告批改系統(tǒng)在線批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師電腦端的開課項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)和報(bào)告批改界面如圖6所示。

圖5 學(xué)生微信端界面

圖6 教師電腦端界面

5 系統(tǒng)運(yùn)行

歷經(jīng)5年探索和持續(xù)改進(jìn),開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)運(yùn)行效果顯著,經(jīng)過近20 000余名學(xué)生檢驗(yàn),實(shí)踐效果顯著,學(xué)生高度認(rèn)可。多次通過校內(nèi)外座談和成果匯報(bào)推廣建設(shè)成效,受到業(yè)內(nèi)同仁、工程教育專業(yè)認(rèn)證專家和學(xué)校主管部門的高度贊揚(yáng)。江蘇省物理學(xué)會對教改成果給予“為其他高校深入推進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革指明了方向”的高度評價(jià)。

開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的教學(xué)管理理念先進(jìn),組織靈活,該系統(tǒng)除了在本校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程和應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)課程使用外,在國內(nèi)高校中已推廣到河海大學(xué)、南京信息工程大學(xué)、江蘇師范大學(xué)等10余所高校使用或試用。

6 結(jié) 論

本文介紹的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng),充分發(fā)揮了智能手機(jī)的巨大潛力,學(xué)生通過微信公眾號登錄教學(xué)管理系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)移動學(xué)習(xí)、移動查詢、實(shí)時(shí)選退課、上課提醒、遠(yuǎn)程提交報(bào)告、成績查詢等功能,提高了實(shí)驗(yàn)課程的管理水平和課堂管理效率,教學(xué)和管理效果受到行內(nèi)專家和校內(nèi)師生的普遍好評,為深層次開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了必要的信息化條件支撐。