基于SPOC平臺的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔義川

(保定市教師進(jìn)修學(xué)校，校長辦公室， 河北，保定 071000)

0 引言

在當(dāng)前實(shí)際的教學(xué)過程中，很多化學(xué)實(shí)驗(yàn)都存在一定的危險性，且實(shí)驗(yàn)教室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境相對較差，難以和專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室相比，讓教師不能將所有化學(xué)實(shí)驗(yàn)都教給學(xué)生[1-2]。因此，國內(nèi)外都十分重視教學(xué)培訓(xùn)研究，并取得了一定的研究成果。

目前，國外對教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)研究相對成熟，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，起到了至關(guān)重要的作用，文獻(xiàn)[3]通過集成該教學(xué)管理系統(tǒng)，O2O的學(xué)習(xí)模式被用來構(gòu)建以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)改革框架。該框架由O2O學(xué)習(xí)平臺支持，以主題實(shí)踐教學(xué)和O2O模型為主體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)調(diào)動了師生的積極性。文獻(xiàn)[4]提出了用于同步電機(jī)和電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)器運(yùn)行測試的實(shí)驗(yàn)和教育平臺的開發(fā)和應(yīng)用。可以在發(fā)電機(jī)定子開路，獨(dú)立運(yùn)行或并網(wǎng)運(yùn)行的情況下進(jìn)行運(yùn)行測試，并模擬系統(tǒng)中的干擾，以觀察電力系統(tǒng)的行為和控制性能。但這些系統(tǒng)制造價格昂貴。實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究及應(yīng)用在國內(nèi)尚處于發(fā)展階段，文獻(xiàn)[5]研制了數(shù)控LED恒流驅(qū)動實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，不同顏色LED光源的開關(guān)狀態(tài)及LED工作電流都可由上位機(jī)通過RS-232串口給微控制器發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可使學(xué)生了解并掌握利用微控制器產(chǎn)生數(shù)控恒流源。只在小范圍內(nèi)得到了應(yīng)用，且教學(xué)效果不明顯。綜合國內(nèi)外研究成果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)研究范圍較窄，存在較多的局限性。

SPOC平臺是一種具有線上線下混合教學(xué)模式的教學(xué)平臺，可以提高教師的教學(xué)效率與學(xué)生的學(xué)習(xí)效率[6]。為此，引入SPOC平臺，將混合教學(xué)模式引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提出基于SPOC平臺的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及通信方式設(shè)計(jì)

將系統(tǒng)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)分為有限網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)2種，設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)果，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將服務(wù)器端部署在B/S網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，并在客戶端上安裝SPOC移動學(xué)習(xí)平臺形成新的通信方式，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信方式

圖2中，Javaweb為B/S網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開發(fā)技術(shù)，由服務(wù)器決定是否同意發(fā)送請求的用戶進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)[7]。通過HTTP協(xié)議以JSON格式交換客戶端和服務(wù)端之間的數(shù)據(jù)[8]。

1.2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮系統(tǒng)功能，采用系統(tǒng)數(shù)據(jù)、管理、服務(wù)、應(yīng)用相分離的結(jié)構(gòu)原則，以SPOC平臺為基礎(chǔ)，選擇PHP和ActiveX開發(fā)技術(shù)[9]，設(shè)計(jì)系統(tǒng)管理單元，系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示，所設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)體系架構(gòu)由表示層、應(yīng)用層及數(shù)據(jù)層組成。表示層的主要作用就是展示數(shù)據(jù)，如化學(xué)實(shí)驗(yàn)理論知識、視頻、習(xí)題等，主要通過瀏覽器實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用層的主要作用就是展示數(shù)據(jù)，如化學(xué)實(shí)驗(yàn)理論知識、視頻、習(xí)題等，主要通過瀏覽器實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用層即是系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯層和部署層，且該層的運(yùn)行，依賴數(shù)據(jù)層所提供的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)數(shù)據(jù)，起到承上啟下的作用。數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫2個模塊，存儲化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)過程中所需要的數(shù)據(jù)。一旦系統(tǒng)數(shù)據(jù)層出現(xiàn)問題，系統(tǒng)邏輯層將無法為表示層提供數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)體系架構(gòu)

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

綜合上述內(nèi)容，確定的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信方式和系統(tǒng)體系架構(gòu)，將采用可靠性高、運(yùn)行速度快、使用簡便的MySQL數(shù)據(jù)庫，建立化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，采用PHP語言，作為數(shù)據(jù)庫開源語言，結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫和PHP語言，讓此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以采用Windows、Unix、Linux等操作系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)庫，增加數(shù)據(jù)庫的操作選項(xiàng)[10]。設(shè)計(jì)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫E-R圖

如圖4所示的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫E-R圖，根據(jù)系統(tǒng)功能，設(shè)置教師和學(xué)生登錄實(shí)體屬性、課程實(shí)體屬性、視頻播放實(shí)體屬性等4種數(shù)據(jù)庫實(shí)體屬性E-R視圖。其中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)課程實(shí)體屬性是按照化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)的理論和實(shí)踐兩方面內(nèi)容，將化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)課程分為多種，并設(shè)置不同的ID，降低課程在數(shù)據(jù)庫中的尋找難度。視頻播放實(shí)體屬性所展示的是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)中的教學(xué)培訓(xùn)視頻，其中存在的記錄視頻播放功能，可以直接幫助學(xué)生，記住上次播放位置，無需從頭觀看。

系統(tǒng)的登錄訪問，都需要通過數(shù)據(jù)庫才能實(shí)現(xiàn)，通過表示層，按照圖2所示的通信方式，將訪問請求發(fā)送給應(yīng)用層，由應(yīng)用層調(diào)取數(shù)據(jù)庫中，存儲的用戶信息，將登陸信息與訪問信息進(jìn)行對比，確定用戶ID是否正確，從而反饋到系統(tǒng)表示層，告知用戶是否通過系統(tǒng)登錄。

1.4 SPOC平臺的教學(xué)培訓(xùn)模型設(shè)計(jì)

根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)及原則，從教學(xué)任務(wù)、內(nèi)容、策略、階段性測試等幾個方面綜合課前活動、課后活動和課下活動設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)模型，如圖5所示。

圖5 化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)模型

2 系統(tǒng)測試

采用對比實(shí)驗(yàn)的方式，將所設(shè)計(jì)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)與文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)進(jìn)行對比，得出3組系統(tǒng)兼容性、運(yùn)行邏輯、CPU和內(nèi)存利用率及系統(tǒng)平均響應(yīng)時間測試結(jié)果。測試實(shí)驗(yàn)選擇的3組系統(tǒng)，按照表1所示的系統(tǒng)部署環(huán)境，統(tǒng)一部署3組系統(tǒng)。

表1 系統(tǒng)部署環(huán)境

2.1 系統(tǒng)兼容性及邏輯性測試

測試3組系統(tǒng)的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特性，查看系統(tǒng)中是否存在性能、初始化或終止性、信息訪問等錯誤，以及系統(tǒng)兼容性，黑盒子測試結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，A系統(tǒng)兼容性最優(yōu)，可同時運(yùn)行多個瀏覽器。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)與文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)兼容性較差。在邏輯性上，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯性能最優(yōu)，與系統(tǒng)正常結(jié)果一致，會出現(xiàn)相應(yīng)的錯誤提示，告知用戶哪些信息填寫錯誤。文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯性能最差。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)無法提示出全部錯誤。

圖6 兼容性測試結(jié)果圖

2.2 CPU利用率及系統(tǒng)響應(yīng)時間測試

采用Loadrunner壓力測試工具，導(dǎo)入錄制腳本，分別在文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)及所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置500 000條用戶記錄。設(shè)置參數(shù)分別為模擬100個、200個、300個用戶，以每隔3 s加載一個用戶的趨勢登錄系統(tǒng)，同時操作系統(tǒng)，每個用戶的操作執(zhí)行時間持續(xù)5 min，直至加載完畢。在正常情況下，用戶操作時系統(tǒng)的響應(yīng)時間應(yīng)維持在3 s內(nèi)(包括3 s)，CPU利用率應(yīng)低于85%。分別統(tǒng)計(jì)三組系統(tǒng)的CPU利用率及系統(tǒng)響應(yīng)時間測試結(jié)果，如表2所示。

表2 CPU利用率及系統(tǒng)響應(yīng)時間測試結(jié)果

從表2中可以看出，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的CPU利用率最低，系統(tǒng)響應(yīng)時間最短。文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的CPU利用率最差，僅支持100個虛擬用戶同時使用系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的響應(yīng)時間是3組系統(tǒng)中最長的。

綜合上述3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，更節(jié)約CPU空間，可支持600用戶并發(fā)使用，多種瀏覽器同時運(yùn)行，具有較高的兼容性，以及較優(yōu)的運(yùn)行邏輯性能。

3 總結(jié)

綜上所述，此次設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，在當(dāng)前化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)軟硬件研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，充分利用SPOC平臺的混合式教學(xué)模式，增加化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)效率。但所設(shè)計(jì)系統(tǒng)，未考慮化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方面的內(nèi)容。因此在今后的研究中，還需要深入研究化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核，進(jìn)一步提高系統(tǒng)應(yīng)用效果。