基于J2EE的上機實驗CAI系統設計與開發

張永恒+艾曉燕+劉紅霞

摘 要： 為滿足計算機課程實驗教學需要，改善上機實驗效果，提高學生實驗課時間利用率，減輕教師指導學生實驗的工作強度，設計了基于Web的上機實驗CAI系統。分析了系統的功能模塊，設計了系統的數據模型和功能結構，并基于J2EE技術SSH框架（Struts + Spring + Hibernate）實現系統。應用結果表明，該方案便于教師下發實驗任務，實現在線指導和作業統計，便于學生查看實驗任務并提交實驗報告，能有效提高計算機課程的上機實驗教學質量和指導效率。

關鍵詞： CAI； J2EE； 上機實驗； SSH

中圖分類號： TN915.02?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0129?04

Design and development of J2EE?based computer experiment CAI system

ZHANG Yongheng， AI Xiaoyan， LIU Hongxia

（School of Information Engineering， Yulin University， Yulin 719000， China）

Abstract： To satisfy the demands of experiment teaching in computer courses， improve the effect of computer experiment， raise students′ time utilization to experiment courses， reduce teachers′ work intensity for guiding students experiment， the computer experiment CAI system based on Web was designed. In which the function module was analyzed， and system data model and function structure were designed. The system is implemented based on J2EE technology SSH （Struts+ Spring+ Hibernate） framework. Application results show that this scheme is convenient for teachers to assign experimental tasks， implement online guidance and work statistics， and also convenient for students checking experiment tasks and submitting experiment reports. The system can improve the quality of computer experiment teaching and guidance efficiency availably.

Keywords： CAI； J2EE； computer experiment； SSH

0 引 言

上機實驗是培養學生實際動手操作能力的重要環節，在計算機課程的實驗教學中，教師們普遍使用多媒體電子教室軟件進行輔助教學。教師在實驗課上首先通過多媒體電子教室軟件下發實驗題目或作業，并進行一定的示范，然后讓學生按照實驗輔導書操作，在實驗過程中教師指導學生，并且往往要重復某些相雷同的解釋，學生在下課時通過多媒體電子教室軟件要提交實驗作業，上機實驗課全部環節一般都必須在不到兩小時的時間內完成，這一方面加大了教師的工作量，提高了工作難度，另一方面，對于學生來說，諸如熟悉實驗、等待指導、交作業、填寫完成實驗報告等擠占了寶貴的上機時間[1]。隨著學校的發展、招生人數的增加，本校各個機房上機人數往往超過80人，最多的近120人，此時還使用這種管理方式已經不能滿足教學需要。

目前，國內外關于計算機CAI系統的研究應用主要有三類：即基于實驗室的實驗輔助系統，基于計算機類課程的實驗學習支持系統，基于課程輔助教學的多媒體電子教室軟件。其中，基于實驗室的實驗輔助系統以實驗室為研究對象，主要目標是實現實驗室的有效使用，關心的是實驗時間和地點的安排、實驗室的使用效率和如何提高等[2]；基于計算機類課程的實驗學習支持系統以學生為中心，主要目標是幫助學生進行某一門計算機類課程的實驗，關心的是如何對學生實驗過程進行支持與幫助，促進學生獨立學習并完成實驗任務[3]；多媒體電子教室軟件對實驗教學的支持手段較為缺乏，而且基于C/S結構的限制其一般僅能在機房使用。總之，這些實驗教學輔助系統對實驗教學過程及管理的支持考慮較少。為有效提高學生上機時間的利用率，提高教師實驗教學管理效率，減輕教師的工作負擔，需要開發一個基于Web的計算機課程上機實驗CAI系統，解決多媒體電子教室軟件輔助實驗教學的不足，實現實驗過程的系統化、網絡化管理。一方面可以解決課堂效率低下及時間不足的缺點，另一方面可以在服務器上客觀記載實驗過程，并實現實驗結果數據的長期保存，為進一步進行統計分析和計算機自動閱卷提供基礎數據，并且使實驗拓展至校園網，而不再局限于某一實驗室，為教師和學生的使用提供方便。

本文根據對計算機課程上機實驗過程和現有教學輔助軟件的深入理解，結合本校實際情況，改進了多媒體電子教室軟件輔助教學方法的不足，應用先進的設計理念和開發技術，介紹了基于B/S結構的上機實驗輔助教學系統框架結構設計，以及采用Java輕量級框架技術進行功能實現的關鍵技術。構建的計算機課程上機實驗CAI系統，既能滿足師生實驗教學業務的當前需求，又著眼于未來其他課程輔助上機實驗業務的需要，同時也能滿足實驗教學管理的進一步擴展需求。

1 系統的主要功能模塊分析

1.1 系統總體功能分析

本CAI系統由基礎信息管理、實驗任務管理、實驗報告管理及實驗成績管理4個子系統構成。基礎信息管理用于設置學生、教師、課程、專業班級等相應的基本信息；實驗任務管理用于教師填寫實驗內容和要求、上傳實驗素材文件以及發布實驗題目、網上答疑等業務需求；實驗報告管理是實現對學生上傳實驗結果文件的管理、提交實驗報告的管理、教師對實驗結果檢驗的管理、教師評判實驗報告等業務的管理；而實驗成績管理則是對實驗成績的查詢、統計分析與導出。系統實現的具體功能如圖1所示。

圖1 功能組成圖

1.2 系統的業務流程

在上機實驗教學活動中，主要的角色是教師和學生，各項業務活動都圍繞著教師和學生這兩個主體進行，此外，上機實驗輔助系統還有管理員這一角色，這些角色在登錄后分別進入不同的界面具有不同的操作功能。教師登錄后可修改基本信息、定制和下發實驗任務、上傳實驗素材文件、批改和查看實驗報告、評定和查看實驗成績、回答學生問題、實驗成績分析和導出等。管理員成功登錄后能夠初始化教師、學生、專業班級和課程的信息。學生登錄后可修改自身信息、查看實驗任務、向老師提問、查看老師回答、完成實驗后上傳實驗成果文件、提交實驗報告、查看實驗批語和實驗成績等。

根據以上流程分析，進行系統的主要用例圖設計，用例圖主要的角色（Actor）包括教師、學生和管理員，教師用例圖如圖2所示，學生用例圖如圖3所示，系統管理員用例圖如圖4所示。

圖2 教師用例圖

圖3 學生用例圖

圖4 管理員用例圖

2 系統功能結構設計

2.1 系統的架構設計

上機實驗CAI系統采用B/S開發模式，系統架構基于J2EE技術體系設計，將系統劃分為表現層、業務邏輯層和數據層，并從有效提高系統的開放性、可維護性出發，嚴格遵循MVC設計模式，將中間層細化設計為業務層、DAO層和持久化對象層。CAI系統架構模型如圖5所示。

其中，表現層（Web層）采用Struts2框架，MVC的控制器既不參與業務邏輯的實現，也不允許對持久層訪問，從而構造一個層次清晰、可讀性較好的表現層。持久化對象層采用Hibernate框架將關系數據庫的數據（實體）映射成對象，從而以面向對象的方式操作數據庫[4]。系統通過采用Spring框架技術無縫整合Web層、業務邏輯層、DAO層以及持久化對象層，其作用貫穿于整個中間層[5]。

圖5 CAI系統架構模型圖

2.2 系統的數據模型設計

系統的業務實體用于實現不同層之間的數據交互和傳遞，其在數據庫中表現為關系數據。通過分析，上機實驗CAI系統應用中涉及到的業務實體共有14個，具體為教師信息實體、實驗任務實體、實驗素材實體、學生信息實體、課程信息實體、實驗問題實體、問題回答實體、實驗報告實體、實驗成績實體、實驗批語實體、實驗作品實體、實驗日志實體、專業班級實體、管理員用戶實體等。下面介紹主要的實體模型含義。

（1） 學生：主要屬性有學號、姓名、專業班級編號、訪問密碼、電子郵件、QQ號碼、聯系電話等。

（2） 教師：主要屬性有教師編號、教師姓名、密碼、電子郵件、聯系地址、聯系電話等。

（3） 管理員用戶：主要屬性有管理員用戶名、管理員密碼。

（4） 課程：主要屬性有課程編號、課程名稱等。

（5） 專業班級：主要屬性有專業班級編號（取自學號前6位）、所屬院系、上機課程編號等。

（6） 實驗任務：主要屬性有實驗編號、實驗類型（分驗證性、設計性、綜合性）、實驗難度、所屬課程、實驗標題、實驗知識點、實驗目的、實驗內容、實驗教師、實驗專業班級、發布時間、實驗素材編號等。

（7） 實驗素材：主要屬性有實驗素材編號、文件存儲路徑、所屬實驗任務。

（8） 問題：主要屬性有問題編號、學號、問題主題、標題、內容、提問時間、回答編號等。

（9） 問題回答：主要屬性有回答編號、問題編號、教師編號、回答內容、回答時間等。

（10） 實驗報告：主要屬性有實驗報告編號、實驗任務編號、學號、所屬專業班級、實驗結果文檔名稱、實驗總結、提交時間等。

（11） 實驗評語：主要屬性有教師編號、實驗評語、批閱時間、實驗報告編號等。

（12） 實驗成績：主要屬性有實驗報告編號、實驗作品編號、學號、成績。

（13） 實驗日志：記載實驗監控信息，主要屬性有學號、課程號、計算機IP地址、訪問時間、保存時間、提交時間、實驗報告編號等。

（14） 實驗作品：主要屬性有實驗作品編號、學號、實驗報告編號、文件存儲路徑等。

3 系統實現關鍵技術

3.1 業務系統實現

依據上述設計，上機實驗CAI系統遵循面向接口編程的原則并應用自底向上的開發方法，即由數據層開始依次向上開發，其實現的核心關鍵為中間層，中間層的開發應用了Spring + Hibernate框架。

（1） 實現數據庫服務層：通過MySQL數據庫完成數據的存儲和組織、數據庫的分布式管理、數據庫的備份和同步等。

（2） 實現持久化對象層：將關系型數據庫的數據映射成對象，采用Hibernate框架實現O/R Mapping[6]。

（3） 實現DAO層（數據訪問層），包含DAO的接口類與DAO的實現類，負責與持久化對象交互，封裝數據的“增刪改查”操作[7]。

（4） 實現業務邏輯層：通過對DAO對象進行正面模式的封裝并實現具體的業務邏輯[8]。業務邏輯層進一步劃分為業務邏輯接口類、業務邏輯實現類兩類。

業務邏輯組件的實現類必須依賴DAO接口類提供DAO方法。DAO組件由Spring容器注入，因此在業務邏輯層中需要定義依賴注入的DAO組件所必須的setter方法[9]。

（5） 實現Web層：采用Struts2框架實現MVC模式里的“控制器”，完成業務邏輯層與表示層之間的信息交互，通過對業務邏輯層的調用，將得到的業務數據信息返回給表現層進行顯示。

（6） 實現：采用標準的JSP技術，并結合Struts2標簽庫實現。

3.2 用戶合法性訪問控制

SSH框架中對用戶合法性訪問的控制一般通過Spring的Action來實現，即需要繼承Spring的Action基類并且重新構造其execute方法，在execute方法中再調用業務邏輯組件的具體業務方法[10]。在上機實驗CAI系統中，由于每一個Action都需要調用業務邏輯組件，因此可以構造一個工廠類ManagermnetFactory，將業務邏輯組件進行統一封裝，并且使得每一個Action都派生自BasicAction基類。實現BasicAction基類的關鍵代碼[11]如下：

public class BasicAction extends Action {

//定義工廠類屬性，面向接口編程

protected ManagermentFactory managermentfactory；

//依賴注入業務邏輯組件必需的setter方法

public void setmanagermentfactory（ManagermentFactory mag） {this.managermentfactory = mag；}

public ActionForward execute（ActionMapping mapping，ActionForm form，HttpServletRequest request，HttpServletResponse response） throws Exception

{return super.execute（mapping，form， request， response）；}}

在上機實驗CAI系統中，由于絕大多數模塊都需要判斷用戶是否已經登錄系統，為了驗證用戶訪問的合法性，設計了一個公用的安全控制基類SecureAction，該基類為每個需要進行登錄驗證的Action服務[11?12]。在SecureAction類中定義了一個檢驗用戶是否已經登錄的方法execute，該方法的邏輯是：如果用戶沒有登錄，就將用戶重定向至登錄頁面，如果用戶已經登錄則調用該SecureAction類中的另一個方法toExecute。toExecute屬于抽象方法，和一般的Action類中的execute方法有些類似，而且參數也完全相同，SecureAction的實現類則實現toExecute方法，不再需要調用執行execute方法。

4 結 論

上機實驗CAI系統基于J2EE平臺設計并開發，實現了用戶登錄、實驗任務發布模塊、實驗報告生成模塊、實驗評價模塊、在線答疑模塊、實驗成績分析輸出模塊等。目前該系統已經通過了測試，并在部分課程的實驗教學中使用，學生在校園網環境中通過使用該系統，可在實驗前查詢實驗任務，進行實驗任務預研并與教師互動交流，有效地提高了上機實驗效率，并實現了實驗成果和實驗報告的電子化保存；教師通過使用該系統減輕了工作負擔，有效地提高了實驗指導工作效率，提升了實驗教學管理的信息化水平。

參考文獻

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