基于SSM框架的高校智能化實驗報告管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張弛 沈亦軍 張琛 孫欣欣

摘 要：為了解決傳統(tǒng)紙質(zhì)版和電子版實驗報告不易保存、不易管理、不易統(tǒng)分、內(nèi)容抄襲、樣式排版不統(tǒng)一等問題，結(jié)合實驗報告管理實際流程與內(nèi)容，設(shè)計并開發(fā)一款基于SSM框架的智能化實驗報告管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效融合空間向量模型算法對實驗報告文本進行相似度檢測，能夠有效地解決傳統(tǒng)教學(xué)中實驗報告內(nèi)容抄襲、分數(shù)匯總、格式排版、在線預(yù)覽、在線批改、在線評語反饋、可視化數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析等問題，極大地減輕了學(xué)生、教師和教務(wù)管理人員的工作負擔。實踐結(jié)果表明該系統(tǒng)的應(yīng)用是對高校實驗室信息化、智能化建設(shè)的補充，對提升實驗實踐教學(xué)管理水平提供了一定的理論與實踐參考價值。

關(guān)鍵詞：實驗報告;SSM;空間向量模型;抄襲檢測

中圖分類號：G642.0? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）01-0107-04

0 引言

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的大背景下，多種不同層次的教育教學(xué)管理模式借助網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢開始運轉(zhuǎn)，其中電子商務(wù)、電子政務(wù)管理系統(tǒng)的興起，為實驗實踐教學(xué)管理的自動化和智能化提供了可能。在2016年教育部印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》與2018年出臺的《教育信息化2.0行動》中[1]，明確提出通過深化信息技術(shù)與教育教學(xué)、教育科研與教育管理的融合，提升教育信息化與創(chuàng)新創(chuàng)造的深度融合發(fā)展，構(gòu)建“三全兩高一大”的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”智慧大平臺，擴大教育信息化覆蓋范圍，進一步提升教師、學(xué)生的信息化水平與信息素養(yǎng)，強化教育信息化對教學(xué)改革，尤其是課程改革的服務(wù)與支撐作用。因此，在實驗教學(xué)管理中引入智能化的信息管理系統(tǒng)對學(xué)生實驗報告進行有效管理，不但是教師實驗教學(xué)得以有效展開的前提，也是衡量實踐教學(xué)和實驗室管理水平的重要依據(jù)，更是培養(yǎng)和提高學(xué)生信息素養(yǎng)的重要手段和方法[2]。

目前，各高校的實驗報告管理以紙質(zhì)版與電子版混合的形式存在，紙質(zhì)版實驗報告延續(xù)以往的管理方式，電子版實驗報告則以word或pdf電子文檔形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)紙質(zhì)文檔[3，4]。雖然，在報告形式上發(fā)生了轉(zhuǎn)變，但是在報告批改、統(tǒng)計、分析等方面的弊端依然存在。因此，面對傳統(tǒng)紙質(zhì)與電子形式的實驗報告不易保存、不易管理、不易統(tǒng)分、內(nèi)容抄襲、樣式排版不統(tǒng)一等弊端[5-10]，雖然各高校在信息化建設(shè)中都將實驗報告管理系統(tǒng)納入智能化實驗室建設(shè)之中，但是具體到各個院校實際需求，現(xiàn)有的實驗報告管理系統(tǒng)在人工智能技術(shù)融合、校本適應(yīng)性方面還存在不少問題，需要進一步深入系統(tǒng)地研究與解決。傳統(tǒng)的實驗報告管理系統(tǒng)不但缺少對實驗報告內(nèi)容的抄襲自動檢測功能、師生評語交流互動功能、實驗項目總結(jié)與反思功能、數(shù)據(jù)智能可視化分析等功能[11]，還存在系統(tǒng)功能固定化，并發(fā)性不高、安全性不強，無法滿足高校實驗教學(xué)實際對于實驗報告的管理需求，最終導(dǎo)致高校引入的實驗報告管理系統(tǒng)不能滿足實際需要，使用流于形式以至于達不到預(yù)期的效果。

本系統(tǒng)采用SSM框架軟件開發(fā)技術(shù)，融合向量空間模型算法設(shè)計并實現(xiàn)了一款具備抄襲檢測、在線批改、數(shù)據(jù)自動分析與可視化、報告打包下載等功能的智能化實驗報告管理系統(tǒng)。以期實現(xiàn)對實驗報告的高效管理，減輕教務(wù)管理員、教師、學(xué)生的工作與學(xué)習負擔，實現(xiàn)對實踐實驗教學(xué)的可視化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理。

1 智能化實驗報告管理系統(tǒng)的背景和必要性

合肥學(xué)院人工智能與大數(shù)據(jù)學(xué)院實驗中心創(chuàng)建于2003年，擁有專業(yè)實驗教學(xué)人員11人，承擔院內(nèi)六個專業(yè)約1700人的實驗教學(xué)任務(wù)。傳統(tǒng)的實驗報告管理模式是以班級或小組為單位，由班長收集班級每位學(xué)生的紙質(zhì)或電子檔實驗報告，而后統(tǒng)一交給實驗任課教師;教師在收到報告以后以手工的方式逐一對電子版實驗報告分數(shù)批改、評語批注，并對每位同學(xué)的實驗報告成績逐一進行統(tǒng)計、匯總;最后，教師將分數(shù)、評語進行反饋，并對學(xué)生實驗報告和實驗操作過程中出現(xiàn)的問題進行分析總結(jié)、存檔等操作。這個完整的實驗報告處理過程包括實驗報告的收集、批改、統(tǒng)計、分析、反饋、存檔等環(huán)節(jié)，由于教師所帶課程數(shù)量和班級人數(shù)較多，且存在報告處理環(huán)節(jié)復(fù)雜、反饋周期長、存儲可靠性差、報告內(nèi)容抄襲、評語難反饋、存檔難查閱等問題，完成這一過程需要耗費教師大量的精力，而且效果往往也不好。學(xué)生由于每學(xué)期課程繁多，每門課都存在若干個實驗報告撰寫任務(wù)，對實驗報告的管理、問題的反饋、實驗結(jié)果的反思等都難以記錄，使得遇到問題不能得到及時解決，嚴重打擊了學(xué)生的實驗動手操作的積極性。另外，由于教務(wù)管理部門受各種因素的限制，對實驗教學(xué)缺乏長期、有效的監(jiān)控手段，導(dǎo)致學(xué)校實驗實踐教學(xué)質(zhì)量難以保障。因此，急需一款智能化的實驗報告管理系統(tǒng)來解決傳統(tǒng)方式管理中存在的問題。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 SSM框架

SSM框架是Spring、SpringMVC、Mybatis三種web軟件開發(fā)技術(shù)集成的簡稱[12，13]。該框架采用基于MVC的軟件架構(gòu)設(shè)計模式將系統(tǒng)劃分表示層（View）、業(yè)務(wù)邏輯層（Control）、數(shù)據(jù)持久層（Model）三個層次。其中Spring技術(shù)是一種輕量級、開源化的框架，通過控制反轉(zhuǎn)（IOC）和面向切片（AOP）兩個核心功能，對容器中的各個組件之間的調(diào)用和重用進行管理，為企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種輕量級解決方案;SpringMVC框架是集成于Spring組件的一部分，它作為系統(tǒng)的整體基礎(chǔ)架構(gòu)提供控制業(yè)務(wù)邏輯的跳轉(zhuǎn)，負責系統(tǒng)MVC層次的分離;Mybaitis是一種面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫表對象關(guān)系SQL語句映射框架，提供了對數(shù)據(jù)庫操作和訪問的輕量級參數(shù)和結(jié)果封裝，通過該框架能夠以面向?qū)ο蠛蚐QL語句結(jié)合的方式訪問結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。這三種框架技術(shù)相互搭配、靈活運用，能夠幫助程序開發(fā)人員進行快速系統(tǒng)開發(fā)。

2.2 向量空間模型算法

向量空間模型（Vector Space Model，VSM）是一種綜合利用文本局部和全局信息對文本進行向量化表示，并使用向量空間坐標中的夾角或位置關(guān)系來衡量文本間相似度的一種算法[14-16]。該算法自20世紀70年代由Salton等人提出后，已經(jīng)被成功地應(yīng)用于各種文本檢索系統(tǒng)中，算法的有效性得到進一步證明，實踐中得到較為理想的檢索結(jié)果[17]。

2.3 報告生成與預(yù)覽技術(shù)

系統(tǒng)主要功能圍繞對高校實驗報告的管理，使用百度開發(fā)的web前端富文本編輯技術(shù)（UEditor）實現(xiàn)實驗報告的在線錄入和編輯，該文本編輯器是一款輕量級、可定制、所見即所得的仿word編輯器在線文本編輯技術(shù);報告生成使用開源JsPDF插件，該插件能夠?qū)W(xué)生錄入的實驗報告內(nèi)容按照固定格式轉(zhuǎn)換為pdf文檔。教師端對報告批改采用了swfTools在線預(yù)覽技術(shù)，該插件可以自動將word、pdf轉(zhuǎn)化為swf格式的在前端以動畫方式進行預(yù)覽，為教師進行報告分數(shù)批改、評語錄入等操作提供方便。

3 系統(tǒng)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

本系統(tǒng)開發(fā)基于eclipse軟件開發(fā)工具進行，前端界面設(shè)計與實現(xiàn)采用基于W3C標準的html+css3+JavaScript的UI設(shè)計體系，并在設(shè)計中引入Jquery+layUI對UI界面進行優(yōu)化設(shè)計。用戶可以通過平板、電腦端瀏覽器即可打開系統(tǒng)，打開系統(tǒng)操作界面后，即可通過瀏覽器進行數(shù)據(jù)交互，服務(wù)器根據(jù)用戶從瀏覽器中傳遞的操作指令，對接收的指令進行解析、查找、返回等操作，最終將查找到的相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端瀏覽器，經(jīng)過客戶端瀏覽器渲染后展示給用戶，這個過程如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

智能化實驗報告管理系統(tǒng)作為高校實踐教學(xué)信息化系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)當能夠充分運用信息化和智能化的手段，以提高實驗教學(xué)與教務(wù)管理的工作效率。本系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)實中實驗教學(xué)存在的問題而設(shè)計，按照用戶角色將系統(tǒng)劃分為學(xué)生、教師、管理員和相似度檢測四個模塊，前三個模塊的功能根據(jù)實際用戶使用需求完成對應(yīng)操作，相似度檢測模塊為其他模塊提供相似度檢測接口，具體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2.1 學(xué)生模塊

學(xué)生在實驗前登錄系統(tǒng)查看要求，并在實驗結(jié)束后在線或離線完成實驗報告撰寫，其中離線撰寫的報告可以直接復(fù)制到系統(tǒng)中;學(xué)生端可以點擊重復(fù)率檢測按鈕，系統(tǒng)后臺會自動調(diào)用文本相似度檢測模塊對提交的報告進行相似度檢測，當重復(fù)率小于教師設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)將提交到服務(wù)器端，當重復(fù)率大于閾值時，學(xué)生可以在線修改，可以暫時保存供以后修改。當需要提交的實驗報告超過事先設(shè)定的截止日期以后，系統(tǒng)會將報告自動提交，以當前的重復(fù)率展示在教師端，為教師判定是否是抄襲提供依據(jù);并且在此模塊中學(xué)生還可以通過答疑互動功能對在實驗過程中遇到的問題與教師進行留言互動，查看、討論實驗報告批改評語。

3.2.2 教師模塊

教師登錄系統(tǒng)以后，可以通過任務(wù)錄入模塊選擇班級錄入相關(guān)實驗信息、發(fā)布實驗任務(wù)、設(shè)定實驗報告結(jié)構(gòu)等;在學(xué)生提交了報告以后，教師可以通過成績批閱模塊對實驗報告以班級、實驗名稱等條件進行刪、查、改以及存檔、恢復(fù)操作;通過swfTools技術(shù)提供的預(yù)覽功能，通過彈出框?qū)嶒瀳蟾孢厼g覽、邊批改和評語撰寫;通過成績分析功能可以按照班級、實驗名稱、課程名稱等條件查詢對應(yīng)的實驗成績，將結(jié)果以圖、表的形式進行展示;使用報告導(dǎo)出功能教師可以以班級、學(xué)生、實驗名稱進行打包下載pdf電子實驗報告;使用答疑互動功能可以及時查看學(xué)生的疑問留言，與學(xué)生進行互動交流。

3.2.3 管理員模塊

通過該模塊管理員不但可以對教師、學(xué)生的個人基本信息進行管理，也可以按照二級學(xué)院、班級對師生個人信息進行批量增、刪、查、改操作，還可以將教師和學(xué)生登錄系統(tǒng)的時間、地點、主機IP，停留時間等以圖表的形式呈現(xiàn);可以通過課程管理功能實現(xiàn)對相關(guān)的實驗課程開展情況的監(jiān)測，監(jiān)測實驗課程的進度，以及學(xué)生的報告提交情況、教師的報告批改情況;通過成績管理功能可以實現(xiàn)以年級、班級為單位導(dǎo)出實驗成績分析表，對年級、班級的歷史成績進行在線對比分析，并且可以進行成績分析的在線打印和導(dǎo)出。

3.2.4 相似度檢測模塊

服務(wù)器在接收到學(xué)生端提交的實驗報告文本數(shù)據(jù)后，自動將報告內(nèi)容與數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存在的與實驗項目名稱相同的報告進行文本相似度計算，返回文本間相似度最大的值作為學(xué)生實驗報告的最終重復(fù)率結(jié)果，以供在其他模塊中調(diào)用顯示。該模塊算法的實現(xiàn)步驟包括對報告內(nèi)容的分詞、去停用詞、非中文字符過濾、TF-IDF統(tǒng)計、文本向量化表示、文本相似度計算、返回結(jié)果等操作，如圖3所示。

其中該系統(tǒng)的分詞采用了中科院研發(fā)的NLPIR-ICTCLAS2015漢語分詞系統(tǒng)[18]。該系統(tǒng)具備專業(yè)的中英文混合分詞功能，具有強大的兼容性，可以無縫嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，且其本身是基于Java語言的開源代碼，所有的功能和操作都已經(jīng)被封裝為標準的Java API接口。系統(tǒng)采用哈工大整理的具有767個停用詞，每次相似度計算的文本向量長度采用兩個文本中所包含詞的總數(shù)，這里使用的實驗報告相似度計算方法為向量間的余弦相似度計算公式，該公式能夠有效地計算文本向量間的相似度[5，19]，如公式1所示。

其中D1、D2表示兩個文本，di、dj分別為文本D1、D2的句子i和j的詞頻-逆文本頻率向量化表示，表示在文本i和j中第t個詞出現(xiàn)的詞頻-逆文本頻率值。

4 系統(tǒng)平臺應(yīng)用

基于SSM框架的智能化實驗報告管理系統(tǒng)于2018年初安裝部署在院實驗中心服務(wù)器上，面向人工智能與大數(shù)據(jù)學(xué)院全體教務(wù)管理員、教師和學(xué)生使用（見圖4所示）。自上線以來先后有186門課程的使用記錄，系統(tǒng)訪問量突破10萬人次，特別是2020年上半年在COVID-19新型冠狀病毒肺炎的疫情背景下，全院122名教師、94門課程全部采用本系統(tǒng)對所授實驗課程的實驗報告進行管理，較好地解決了線上實驗教學(xué)中對實驗報告的收集、批改、保存、進度監(jiān)測等問題，獲得了教師和學(xué)生的一致好評。他們表示該系統(tǒng)的設(shè)計非常符合實驗報告管理工作的特點，能夠極大地提高學(xué)習和工作效率，在一定程度上解決了實驗報告內(nèi)容抄襲、不易保管、不易統(tǒng)分、樣式排版等問題。目前本系統(tǒng)已經(jīng)獲得校教務(wù)處的支持，在全校范圍內(nèi)進行推廣使用。同時，本課題組也將針對部分教師和學(xué)生在使用中的反饋，也將在后期進行相應(yīng)的完善，并及時對系統(tǒng)進行升級和更新，以期在全校，甚至是向全國的高校進行推廣和使用。

5 結(jié)語

基于SSM框架的智能化實驗報告管理系統(tǒng)，有效融合了人工智能領(lǐng)域空間向量模型算法和較先進的軟件開發(fā)技術(shù)，能夠有效地對實驗報告的文本相似度進行檢測，避免學(xué)生之間報告的抄襲，彌補了傳統(tǒng)紙質(zhì)或電子版實驗報告的不足，方便了學(xué)生和教師對實驗報告的管理，簡潔、友好地操作界面大大提高了教師開展實驗教學(xué)的工作效率，大大提升了實驗室管理工作的信息化和智能化水平。

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