一種基于Web的虛擬實驗教學平臺的設計與實現

周勝明

摘要：隨著網絡技術和虛擬技術的快速發展，虛擬實驗教學已經成為提高實驗教學質量、加強實踐教學的重要手段。分析了現有虛擬實驗教學中存在的問題，并提出了虛擬實驗教學平臺概念。然后研究了基于此平臺的實驗管理系統的功能模塊結構，并詳細闡述各個功能模塊的設計。系統采用Struts、Spring、Hibernate組合框架進行開發，具有良好的可擴展性和可維護性等特點，通過集成實驗自動批改功能，為用戶提供了一個方便友好的虛擬實驗教學環境。

Abstract： With the rapid development of network technology and virtual technology， virtual experiment teaching has become an important means to improve the quality of experimental teaching and strengthen practical teaching. This paper analyzes the existing problems in the teaching of virtual experiment， and puts forward the concept of virtual experiment teaching platform. Then the functional module structure of the experimental management system based on this platform is studied， and the design of each function module is described in detail. The system uses Struts， Spring， Hibernate combination framework to develop， and has good scalability and maintainability and other characteristics. Through the integrated experiment automatically modifcation function， it provides users with a convenient and friendly virtual experimental teaching environment.

關鍵詞：虛擬實驗；實驗管理；虛擬實驗教學；自動批改

Key words： virtual experiment；experimental management；virtual experiment teaching；automatic correction

中圖分類號：TP391.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0187-02

0 引言

近年來，由于虛擬技術和網絡技術的飛速發展，通過信息網絡構建的虛擬實驗室已經成為可能。現有虛擬實驗教學缺乏統一的平臺和標準，發展中存在許多問題：①目前的虛擬實驗絕大多數針對某門課程進行設計，同一學科內沒有形成系列化的虛擬實驗課程體系；②現有實驗設備的共享還僅局限于較小的地域范圍和較窄的專業領域，開放性和實用性都還不夠；③各高校開發的虛擬實驗平臺，實驗操作真實感不強，難以展現真實的實驗環境，缺乏沉浸感[1-2]。

針對以上不足，提出并設計了一種虛擬實驗教學平臺（Virtual Experiment Education Platform）。該平臺具有良好的交互性、可擴展和安全性，實現了實驗管理和智能指導功能，為教師和學生提供一個集成實驗設計環境[3]。

1 系統的模塊結構

實驗管理系統的主要任務就是整合各種實驗并對實驗資源統一管理，并為學生老師提供一個良好的虛擬實驗教學環境，系統的模塊結構如圖1。

2 功能模塊設計

實驗管理系統的實驗用戶主要有四類角色，學生、教師、教務員和管理員。管理員主要功能有實驗資源管理，用戶管理和實驗論壇管理；教務員主要負責班級實驗課程分配和管理，預約實驗管理和成績審核管理等；教師主要功能有發起學生的實驗任務，制定實驗批改規則，批改和提交學生成績等。

2.1 實驗資源管理

虛擬實驗平臺的最大特點就在于它的開放性和可擴展性，它將整合各種類型的虛擬實驗。由于這些舊虛擬實驗采用的開發技術是多樣的，在前臺與后臺進行數據交換時就需要不同的接口處理；這些舊實驗對瀏覽器的支持也是各不相同的，為了方便用戶操作，需要對舊實驗的支持的瀏覽器進行說明；而且有的實驗是有后臺的，有的沒有，以及實驗界面顯示時插件在瀏覽器中的高度和寬度都要在用戶調用實驗時明確規定。

2.2 實驗課程管理

實驗課程管理系統的教務員、教師、學生的功能設計如圖2所示。學生的每次實驗需要通過平臺的預約實驗系統，首先教務員發布實驗任務的預約信息，規定了實驗名稱、班級、教師和時間等信息，然后該教師再發起該班級的實驗，這樣這個班級的學生就可以完成此次實驗任務了；教務員還需負責為每個班級的每門實驗課程分配一名教師；教師通過自動批改系統批改學生的實驗，并將實驗成績提交給教務員，教務員審核無誤后才是學生的最終實驗成績。

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2.3 實驗用戶管理

對于批量的注冊用戶，系統增添了用戶的批量導入功能，按照不同的角色劃分批量導入用戶信息，支持常用的Excel表格形式；管理員角色也可以對用戶實現增加、刪除、查找和修改基本操作，同時可以為每個用戶分配和修改角色。

2.4 實驗自動批改

為了進一步提高實驗教學的質量和效率，平臺提供了實驗自動批改功能。實驗自動批改的流程如圖3所示，分為以下步驟：首先教師根據標準答案實驗場景中構件的屬性值和之間的連接關系等等來獲取評分點，然后選擇評分點并為這些評分點分配一定的分值，再將此評分規則保存到數據庫中，最后按照此評分規則來自動批改學生實驗，并最終得到批改成績。

2.5 實驗論壇

實驗論壇為學生和教師提供了提問和解答的平臺，論壇版塊按照實驗科目下的實驗課程種類來劃分，學生做實驗遇到的問題都可以在相應的版塊提出問題，老師登錄論壇后會對問題做出解答；并且論壇還提供了一個FAQ版塊，用戶可以在上面搜索常見到的問題及其解答。

3 系統實現技術

實驗管理系統的Web服務器操作系統采用的是Linux，Linux在很多方面具有優良的特性。Web服務容器采用的是Apache+Tomcat分工協作服務器架構，Apache作為服務器負責靜態內容的分發，Tomcat作為WEB應用服務器在幕后處理動態請求。為提高服務器和其他資源的利用效率，服務器采用了基于請求分配器（Dispatcher）的Web服務器集群[4]。

3.1 開發技術構架

系統開發框架采用的是J2EE框架結構下Struts+Spring+Hibernate組合框架，它具有三層結構，分為表現層、業務邏輯層和持久層。表現層采用的是傳統的JSP技術，并采用Struts的MVC結構負責控制業務邏輯層與表現層的交互，調用業務邏輯層的Service組件；業務邏輯層負責實現業務邏輯，以DAO層為基礎，通過對DAO組件的正面模式包裝，完成系統所要求的業務邏輯；持久層，負責與持久化對象交互，該層封裝了數據的增、刪、查、改的操作。

3.2 自動批改實現技術

本系統要實現的自動批改系統將引入基于規則引擎的專家系統來提高自動批改的智能性，通過把數據、知識庫和程序控制進行分離，使基于知識庫的規則部分獨立于計算機程序，降低了主觀題自動批改的復雜性。專家系統通常由人機交互接口、知識庫、解釋器、綜合數據庫、黑板、推理機幾個部分構成

4 結論

本文開發的虛擬實驗管理系統為各個學科的實驗資源整合提供了一種解決思路，采用Struts+Spring+Hibernate組合框架，提高了系統的可擴展性和可維護性，解決了虛擬實驗資源管理，課程管理和自動批改等一系列關鍵問題。

參考文獻：

[1]李耀麟，張呂彥.虛擬實驗的研究現狀及其發展前景[J].隴東學院學報.2009，20（2）：118-121.

[2]孫燕蓮，文福安.虛擬實驗教學的探索與實踐[J].現代教育技術，2009，19（4）：131-132.

[3]蔣文斌，金海.面向服務架構的虛擬實驗教學研究，中國計算機學會通訊，2010.

[4]李剛.大型門戶網站是這樣煉成的[M].北京：電子工業出版社，2010：891-907.