實(shí)驗教學(xué)過程管理平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

馬漢達(dá)，方 偉，洪華劍

（江蘇大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

實(shí)驗教學(xué)是提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的有效途徑，也是培養(yǎng)綜合素質(zhì)人才的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗教學(xué)目標(biāo)能否達(dá)成直接決定了人才培養(yǎng)質(zhì)量［1］。建立科學(xué)的管理與評價機(jī)制，是進(jìn)一步提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。為了提高學(xué)生實(shí)驗教學(xué)工作質(zhì)量，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗教學(xué)活動過程監(jiān)控，將實(shí)驗各環(huán)節(jié)納入考核范疇，為科學(xué)地進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)評價提供依據(jù)［2］。因此，分析實(shí)驗教學(xué)中存在的問題，規(guī)范實(shí)驗教學(xué)流程，開發(fā)通用的精細(xì)化實(shí)驗教學(xué)過程管理平臺以加強(qiáng)實(shí)驗教學(xué)過程監(jiān)控，是提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量和實(shí)驗教學(xué)管理信息化水平的必然趨勢。

1 實(shí)驗教學(xué)過程管理現(xiàn)狀

本文實(shí)驗教學(xué)過程指實(shí)驗預(yù)習(xí)、實(shí)驗操作過程、實(shí)驗報告，是實(shí)驗教學(xué)中的3 個階段［3］，并不包括實(shí)驗計劃下達(dá)、實(shí)驗教學(xué)任務(wù)落實(shí)、實(shí)驗課程排課等環(huán)節(jié)。目前，大多數(shù)高校也認(rèn)識到過程管理的重要性，但管理方法陳舊，依然是利用紙質(zhì)簽到本進(jìn)行簽到、簽退，對整個實(shí)驗過程的掌控也只是依靠實(shí)驗教師人工進(jìn)行，沒有使用管理平臺實(shí)現(xiàn)實(shí)驗過程的監(jiān)控管理。部分高校雖使用管理系統(tǒng)加強(qiáng)實(shí)驗教學(xué)過程管理，但不具通用性，只是針對某個具體課程。

侯燕芝等［4］制定了教學(xué)過程規(guī)范化管理方案并加以實(shí)施，優(yōu)化了實(shí)驗教學(xué)活動各環(huán)節(jié)；田福平等［5］以加強(qiáng)實(shí)驗過程管理和實(shí)驗過程指導(dǎo)、強(qiáng)化實(shí)驗教學(xué)過程評價、實(shí)驗教學(xué)目標(biāo)達(dá)成；李新偉等［6］分析目前本科實(shí)驗教學(xué)過程中普遍存在的實(shí)驗過程設(shè)計不盡合理、實(shí)驗數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗報告質(zhì)量等問題，提出了強(qiáng)化與規(guī)范實(shí)驗教學(xué)過程的改進(jìn)方法；呂念玲等［8］針對我國目前主要依靠教師進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)活動過程管理現(xiàn)狀，通過對過程要素的凝練及實(shí)驗過程檢測點(diǎn)的定位，提出使用人臉識別信息技術(shù)進(jìn)行身份識別，研制智能電源，根據(jù)預(yù)習(xí)情況決定實(shí)驗臺電源的通斷，從而提高學(xué)生實(shí)驗預(yù)習(xí)效果。

實(shí)驗報告作為實(shí)驗教學(xué)重要的一環(huán)，很多高校依然使用實(shí)驗報告紙?zhí)顚懀瑳]有根據(jù)具體實(shí)驗課程和實(shí)驗項目定制實(shí)驗報告模板，而且紙質(zhì)的實(shí)驗報告保存比較麻煩。有的高校雖然采用電子版的實(shí)驗報告，但實(shí)驗報告批改基本都是無痕的，學(xué)生只看到自己實(shí)驗報告的分?jǐn)?shù)，不知道自己的報告存在什么問題，這種無痕批改的報告不利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2 實(shí)驗教學(xué)過程管理系統(tǒng)需求分析

2.1 實(shí)驗教學(xué)過程管理必要性與可行性

在現(xiàn)有的實(shí)驗教學(xué)模式下，教師對學(xué)生實(shí)驗預(yù)習(xí)的評價主要是課前利用幾分鐘時間抽查，不可能了解每個學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，因而考核不夠全面準(zhǔn)確；對實(shí)驗操作過程的考核，通過指導(dǎo)教師根據(jù)實(shí)驗過程的表現(xiàn)和對實(shí)驗結(jié)果的質(zhì)詢加以考核，但由于教師要同時負(fù)責(zé)指導(dǎo)一個班或兩個班的學(xué)生，無法關(guān)注到每一個學(xué)生在實(shí)驗過程中的表現(xiàn)，且檢查的先后順序、質(zhì)詢的問題等對學(xué)生們而言也不是十分準(zhǔn)確和公平；對實(shí)驗報告的考核，主要通過實(shí)驗報告的總結(jié)書寫情況進(jìn)行評定，由于存在抄襲情況，使得實(shí)驗報告的評價也存在不合理現(xiàn)象。綜上所述，在實(shí)驗教學(xué)過程中，教師不能有效地跟蹤學(xué)生的實(shí)驗情況，缺少實(shí)驗過程記錄，沒有規(guī)范的評價標(biāo)準(zhǔn)，給出的實(shí)驗成績區(qū)分度也不高，這樣無疑會影響學(xué)生科學(xué)的實(shí)驗態(tài)度。因此，亟需采用實(shí)驗教學(xué)過程管理系統(tǒng)以改變實(shí)驗教學(xué)評價現(xiàn)狀［8］。

實(shí)驗教學(xué)的重要性體現(xiàn)在對理論知識的驗證、掌握和運(yùn)用上，實(shí)驗教學(xué)具有實(shí)踐性、載體性、重復(fù)性及資源依賴性的特點(diǎn)，因此實(shí)驗教學(xué)是一個重在過程的教學(xué)工作［9-10］。目前，計算機(jī)類專業(yè)的所有實(shí)驗均以計算機(jī)或以計算機(jī)+相關(guān)實(shí)驗設(shè)備為載體，因此在實(shí)驗教學(xué)活動中，利用瀏覽器訪問實(shí)驗教學(xué)過程管理系統(tǒng)，對實(shí)驗預(yù)習(xí)、實(shí)驗操作過程、實(shí)驗報告整個實(shí)驗教學(xué)過程進(jìn)行監(jiān)控和公平公正評價是可行的［11］。

2.2 實(shí)驗教學(xué)過程流程分析

實(shí)驗教學(xué)過程管理系統(tǒng)有學(xué)生用戶和教師用戶，流程分析可分為學(xué)生實(shí)驗過程流程和教師管理實(shí)驗教學(xué)流程。本文以學(xué)生實(shí)驗為例進(jìn)行說明，學(xué)生登錄系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗簽到、實(shí)驗預(yù)習(xí)測試、實(shí)驗操作過程、完成實(shí)驗報告、實(shí)驗完成后簽退等功能，學(xué)生實(shí)驗流程如圖1 所示。在整個流程中，實(shí)驗預(yù)習(xí)測試、實(shí)驗操作、完成報告并提交是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)驗教學(xué)評價考核點(diǎn)。系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)習(xí)測試通過與否決定是否進(jìn)入下一流程，實(shí)驗操作主要根據(jù)操作是否熟練、實(shí)驗完成時間等評價實(shí)驗操作過程；學(xué)生完成實(shí)驗后，根據(jù)實(shí)驗報告的要求回答實(shí)驗中的相關(guān)問題并對實(shí)驗進(jìn)行總結(jié)；最后提交報告后簽退。

Fig.1 The process of students’experiment圖1 學(xué)生實(shí)驗過程流程

3 實(shí)驗教學(xué)過程管理系統(tǒng)設(shè)計

針對上述實(shí)驗教學(xué)過程管理需求分析，使用流行的開發(fā)技術(shù)，按照B/S 三層架構(gòu)式設(shè)計思想，將前后端完全分離，前端與后端通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)架構(gòu)清晰、易于理解、可擴(kuò)展性強(qiáng)，也減少了后期維護(hù)成本。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

實(shí)驗教學(xué)過程管理系統(tǒng)整體架構(gòu)可分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。①數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它支撐著整個系統(tǒng)的運(yùn)行，主要包括學(xué)生數(shù)據(jù)、實(shí)驗課程和實(shí)驗項目相關(guān)內(nèi)容而構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫選用MySQL；②服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、信息反饋、數(shù)據(jù)管理五大功能，起承上啟下作用；③應(yīng)用層主要包含兩大部分，分別是學(xué)生用戶和教師用戶功能。學(xué)生用戶模塊功能主要包括實(shí)驗課程查看、實(shí)驗簽到、簽退、預(yù)習(xí)測試、實(shí)驗原理查看、實(shí)驗報告填寫等；教師用戶模塊功能主要有學(xué)生基礎(chǔ)信息管理、學(xué)生考勤管理、學(xué)生實(shí)驗報告管理、實(shí)驗內(nèi)容管理等。應(yīng)用層重點(diǎn)是將學(xué)生端和教師端的各種管理功能展現(xiàn)給用戶供其操作，也即前端頁面顯示，如圖2 所示。

Fig.2 System architecture圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是Web 信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對于一個Web的應(yīng)用系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)庫設(shè)計是針對給定的應(yīng)用需求，根據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計原則和規(guī)范建立數(shù)據(jù)庫，使其能夠有效地存儲數(shù)據(jù)，滿足其應(yīng)用需求。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計得好壞直接影響到整個系統(tǒng)的性能，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計原理和實(shí)際應(yīng)用場景，從表設(shè)計規(guī)范、索引設(shè)計規(guī)范以及SQL 編寫規(guī)范等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如數(shù)據(jù)表表名、字段命名要規(guī)范，字段類型和寬度設(shè)計需合理，以及主鍵和外鍵設(shè)置、索引建立等應(yīng)科學(xué)規(guī)范。為了保證數(shù)據(jù)的一致性、完整性，設(shè)計數(shù)據(jù)庫時必須遵循一定的步驟、范式理論和基本原則，這樣可避免數(shù)據(jù)冗余和增、刪、改、查的異常。為避免數(shù)據(jù)冗余，必然會導(dǎo)致過多的表間關(guān)聯(lián)，這也增加了表間連接查詢等操作的開銷［12］。因此，為了提高運(yùn)行效率，有時適當(dāng)?shù)娜哂嗍窃试S的，只要在數(shù)據(jù)冗余和處理速度之間找到平衡點(diǎn)即可。通過分析系統(tǒng)需求和功能，在設(shè)計該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫時，從數(shù)據(jù)的高效性、可靠性和實(shí)用角度出發(fā)，設(shè)計了12個表。系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)表及其功能描述如表1 所示。

Table 1 System design data表1 系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)表

3.3 系統(tǒng)主要功能設(shè)計

系統(tǒng)主要功能有學(xué)生端功能和教師端管理功能兩部分。學(xué)生用戶登錄系統(tǒng)，可以進(jìn)行個人信息管理、課程查看、實(shí)驗簽到、實(shí)驗預(yù)習(xí)測試、實(shí)驗內(nèi)容查看、實(shí)驗報告填寫、實(shí)驗報告提交，以及查看實(shí)驗成績和下載實(shí)驗報告等。教師用戶登錄系統(tǒng)，可進(jìn)行學(xué)生信息管理、測試題管理、實(shí)驗項目管理、實(shí)驗報告批改、實(shí)驗課程管理、學(xué)生成績管理等。系統(tǒng)主要功能如圖3 所示。

Fig.3 Main functions of the system圖3 系統(tǒng)主要功能

4 實(shí)驗過程管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了滿足系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)后端采用PHP 語言的CI 框架。CI 框架是一個小巧但功能強(qiáng)大的PHP 框架，它基于MVC 結(jié)構(gòu)、超輕量級、表單與數(shù)據(jù)驗證、安全性與XSS 過濾、Session 管理等特性優(yōu)點(diǎn)，可以方便地為設(shè)計人員開發(fā)功能完善的Web 應(yīng)用程序。前端界面是人機(jī)交互接口，其設(shè)計好壞直接影響了使用者的用戶體驗。因此，前端采用HTML5+CSS3 技術(shù)，同時選用Vue.js［13］框架，vue.js 是構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的漸進(jìn)式Web 頁面框架，它不僅易于使用，也很容易與第三方庫集成，具有簡單易用、靈活、高效等特點(diǎn)。

4.1 系統(tǒng)學(xué)生端功能實(shí)現(xiàn)

學(xué)生用戶在瀏覽器中輸入網(wǎng)址，在系統(tǒng)主界面上，點(diǎn)擊“登錄”按鈕，輸入用戶名、密碼，選擇課程、實(shí)驗項目即可進(jìn)入實(shí)驗教學(xué)過程管理系統(tǒng)，學(xué)生在系統(tǒng)監(jiān)控下依次完成實(shí)驗簽到、預(yù)習(xí)測試、實(shí)驗操作、報告書寫與提交和簽退全過程。在預(yù)習(xí)測試時，系統(tǒng)為每個實(shí)驗設(shè)置了若干道測試題，在測試時，系統(tǒng)自動隨機(jī)出題，并要求在規(guī)定時間內(nèi)完成預(yù)習(xí)測試，測試通過后，才可進(jìn)入下一步，否則退回重新預(yù)習(xí)再測試。實(shí)驗操作時，根據(jù)每一個實(shí)驗的實(shí)驗原理和操作步驟，完成實(shí)驗操作。對操作過程的評價由兩部分構(gòu)成：一是系統(tǒng)將反映過程的提交順序與實(shí)驗時間要素納入評價指標(biāo)，使用算法對操作過程進(jìn)行客觀評價；二是教師根據(jù)實(shí)驗現(xiàn)場的學(xué)生操作表現(xiàn)，如實(shí)驗操作的熟練程度、實(shí)驗檢查驗收時回答問題情況和實(shí)驗結(jié)束后儀器設(shè)備整理情況作出主觀評價。對實(shí)驗報告的評價，主要是根據(jù)實(shí)驗報告的模板要求回答實(shí)驗報告中的問題，使用在線批改方法進(jìn)行批改。在整個學(xué)生實(shí)驗過程中，系統(tǒng)會記錄實(shí)驗簽到時間、預(yù)習(xí)測試成績、實(shí)驗報告完成情況等。此外，學(xué)生可以在已完成的實(shí)驗中查看每個實(shí)驗的實(shí)驗預(yù)習(xí)得分、實(shí)驗操作得分和實(shí)驗報告得分，查看實(shí)驗報告時可看到教師的評閱痕跡，有助于下次實(shí)驗報告書寫更規(guī)范。

4.2 系統(tǒng)教師管理端實(shí)現(xiàn)

教師端的管理功能有很多，本文以實(shí)驗項目管理、實(shí)驗報告批改、實(shí)驗成績管理為例簡單說明實(shí)現(xiàn)方法。

4.2.1 實(shí)驗項目管理

通過設(shè)計一個表單將實(shí)驗項目有關(guān)屬性，如項目名稱、項目介紹、項目學(xué)時、預(yù)習(xí)測試時間、報告提交時限等按要求輸入。實(shí)驗項目管理界面詳見OSID 碼，點(diǎn)擊實(shí)驗項目后的“編輯”按鈕可修改實(shí)驗項目具體信息，還可以對實(shí)驗內(nèi)容進(jìn)行編輯，修改和增加實(shí)驗報告中需要完成和思考的內(nèi)容；新增測試題和管理測試題，可以對實(shí)驗預(yù)習(xí)測試的客觀題進(jìn)行管理。點(diǎn)擊實(shí)驗項目管理界面上的“開課”按鈕，為該實(shí)驗項目設(shè)置預(yù)習(xí)測試題數(shù)和分值，選擇開課班級，則該班級的學(xué)生即可開始實(shí)驗，單擊“刪除”按鈕，則刪除該實(shí)驗項目，這些初始化的工作一般在實(shí)驗開始前完成。

4.2.2 實(shí)驗報告批改留痕

實(shí)驗報告批改模塊是采用在線留痕批改，實(shí)現(xiàn)方法是將實(shí)驗報告中需要批改的題目裝載到指定div 中，使用Ja?vaScript 技術(shù)，利用開源工具h(yuǎn)tml2canvas 對指定頁面元素截圖，生成canvas 畫布。在頁面中添加按鈕，點(diǎn)擊“批改”觸發(fā)批改模塊。此時鼠標(biāo)默認(rèn)為畫筆，可以進(jìn)行圈圈點(diǎn)點(diǎn)；“前進(jìn)”“后退”按鈕用于批改過程中的撤銷與恢復(fù)；鼠標(biāo)在編輯區(qū)雙擊，彈出輸入框，即可在輸入框中輸入批改的信息，輸入完在編輯框外點(diǎn)擊，即增加批注成功；點(diǎn)擊“保存”將當(dāng)前批改留痕。教師批改頁面詳見OSID 碼。

4.2.3 實(shí)驗成績管理

實(shí)驗成績管理是本系統(tǒng)的一個重要功能，系統(tǒng)在處理學(xué)生實(shí)驗成績時強(qiáng)調(diào)過程考核的理念，因此按照規(guī)范化的實(shí)驗教學(xué)過程處理學(xué)生每項實(shí)驗成績，按照系統(tǒng)設(shè)定關(guān)于實(shí)驗教學(xué)過程的考核點(diǎn)并按考核要素完成實(shí)驗預(yù)習(xí)、實(shí)驗操作過程、實(shí)驗報告3 項成績，按照事先設(shè)定的權(quán)重和規(guī)定格式要求自動生成評價數(shù)據(jù)，極大方便教師對實(shí)驗成績的處理。在成績查詢與統(tǒng)計上，教師可通過系統(tǒng)按學(xué)期、班級、課程、實(shí)驗項目等各種組合進(jìn)行模糊查詢，充分了解學(xué)生在實(shí)驗中的學(xué)情信息，以便更好地改進(jìn)教學(xué)。

5 結(jié)語

實(shí)驗教學(xué)過程管理系統(tǒng)已應(yīng)用于江蘇大學(xué)2018 級計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)4 個班的數(shù)字邏輯課程實(shí)驗和通信工程專業(yè)3 個班的數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗教學(xué)。實(shí)踐表明，實(shí)驗教學(xué)過程管理平臺規(guī)范了實(shí)驗教學(xué)從簽到、預(yù)習(xí)測試、實(shí)驗操作、填寫實(shí)驗報告到簽退的整個實(shí)驗流程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗教學(xué)全過程的自動化管理。它可以有效監(jiān)控學(xué)生實(shí)驗教學(xué)全過程，促進(jìn)了學(xué)生對實(shí)驗的深度預(yù)習(xí)，規(guī)范實(shí)驗操作過程，提高了實(shí)驗效率；同時教師通過該平臺可有效地監(jiān)控學(xué)生的整個實(shí)驗過程，適時地為學(xué)生提供針對性指導(dǎo)，能更客觀地評價學(xué)生的實(shí)驗，有助于學(xué)生形成良好的學(xué)習(xí)氛圍，調(diào)動學(xué)生實(shí)驗興趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗態(tài)度；實(shí)驗報告的批改留痕，可以指導(dǎo)學(xué)生如何寫好實(shí)驗報告，提高問題分析和解決能力，這也是本系統(tǒng)的一個重要創(chuàng)新；實(shí)驗結(jié)束后的實(shí)驗成績自動生成，然后通過導(dǎo)入操作完成教務(wù)系統(tǒng)的成績錄入，以前在實(shí)驗教學(xué)結(jié)束需要幾天才能完成的實(shí)驗成績處理工作，使用該過程管理平臺后只需幾分鐘，即可完成所有實(shí)驗成績處理工作，極大提高了教師的工作效率。