基于SSM的“C++微課堂”在線實驗平臺的設計與實現

姜麗莉 孫自梅

摘? 要：為了保證C++程序設計課程的在線實驗教學的質量，文章設計并實現了一個C++在線實驗平臺。平臺采用B/S架構、SSM框架、Tomcat服務器、MySQL數據庫等開發工具與技術。系統分為教師端與學生端。教師可以發布實驗任務與資源，并實時監督學生的學習進度。學生可以在線觀看視頻、編輯和編譯代碼、提交成果等。該系統可以為教師的實驗課堂管理提供幫助，同時可以督促學生學習，也為學生實驗提供資源和平臺。

關鍵詞：SSM;在線學習平臺;在線編譯

中圖分類號：TP311;G434 ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）03-0036-03

Design and Implementation of “C++ Micro Classroom” Online Experimental Platform Based on SSM

JIANG Lili， SUN Zimei

（Nanjing Tech University Pujiang Institute， Nanjing? 211200， China）

Abstract： In order to ensure the quality of online experimental teaching of C++ programming design course， this paper designs and implements a C++ online experimental platform. The platform adopts B/S architecture， SSM framework， Tomcat server， MySQL database and other development tools and technologies. The system is divided into teacher client and student client. Teachers can release experimental tasks and resources， and monitor students learning progress in real time. Students can watch videos online， edit and compile code， submit results， etc. The system can provide help for teachers experimental classroom management， supervise students learning at the same time， and provide resources and platforms for students experiments.

Keywords： SSM; online learning platform; online compilation

0? 引? 言

在國內高校，目前交互平臺主要用于遠程教學，例如超星學習通、雨課堂、中國大學MOOC等平臺[1-3]。平臺的功能適合大部分傳統課程，但針對具有編程類的實驗課程則并沒有提供足夠的支持。

實驗教學對程序設計類課程的教學質量具有至關重要的作用[4]，教學效果最終要體現在學生的編程能力上。對實驗課程來說，單純的直播、錄播并不能滿足教師和學生的需求。教師端需要及時發布實驗內容，并能監督學生實驗，及時獲取學生的實驗成果和進度。學生端需要及時提交學習成果，并在實驗過程中與教師進行交互。

“C++面向對象程序設計”是計算機科學與技術相關專業一門重要的專業基礎課。為解決上述問題，結合C++語言的特性，本文設計并開發了C++線上實驗平臺。

1? 系統分析與技術方案

1.1? 系統分析

系統分為教師端與學生端，不同使用者給予不同功能入口。教師端需要具有發布信息并對其進行管理的功能，教師可以根據實際教學進度，發布實驗與作業，同時也可將課程資源進行上傳以供學生下載。學生端可以通過網頁進行對應課程與實驗視頻的觀看，也可在網頁中編寫代碼并進行作業的提交，在網頁中實現C++代碼編譯、運行并查看結果，對于簡單的課后作業不需要打開ide即可完成。

系統基于B/S架構進行開發，通過Maven進行jar包版本管理，針對用戶的要求并不高，大多數Windows系統都可通過瀏覽器正常進行訪問與使用。對Windows系統，服務器端要配置數據庫和C++編譯環境即可。若在Linux系統上運行，則可使用Docker配置容器并拉取對應環境，即可進行項目部署。因此，在技術上系統開發是可行的。

1.2? 技術方案

1.2.1? 在線編譯功能

本系統的在線編譯功能擬采用GCC編譯器[5]實現。Linux系統下的GCC（GNU C Compiler）是GNU推出的功能強大、性能優越的多平臺編譯器，是GNU的代表作品之一。GCC是可以在多種硬體平臺上編譯出可執行程序的超級編譯器。

GCC提供了多條警告信息以及多個警告級別，方便用戶調試時查找原因，通過它們可以增強程序穩定性和可移植性[6]。此外，GCC還對標準C/C++語言進行擴展，提高了程序的執行效率，有助于編譯器進行代碼優化，可以減輕編程工作量。

1.2.2? 在線視頻學習功能

本系統的在線視頻播放功能擬采用開源的多媒體框架FFmpeg和網絡視頻播放器Chimee實現[7]。2BE22783-D69A-47F0-93D0-1EB02B3C6EA3

FFmpeg采用LGPL或GPL許可證。可用于對媒體文件進行記錄、轉換并將其轉化為流，按照用戶的功能需求進行訂制。它可以在各種系統、構建環境、機器架構和配置下編譯運行，對于視頻來說其自帶庫libavcodec提供了常見的視頻文件處理的完整方案，能滿足大多數處理需求。自帶的各種庫可以被應用程序使用，也可依據其進行二次開發擴展功能，保證了編解碼質量的同時還具有高可移植性。

Chimee是Qiwoo團隊創建的網絡視頻播放器，是一套基于video視頻元素的組件框架，可直接用于H5頁面中，無須安裝，引入組件庫即可使用。大多數情況下，對于視頻的處理如果僅限于使用video元素編寫那不利于維護與擴展。所以可以使用Chimee，它支持mp4、m3u8、flv等多種媒體流，因為本質上還是video元素，所以并不會有太大的兼容性問題，同時也擴展出各種插件可用于滿足大多數交互，如透明效果插件、穿透插件、內外部插件等，這些插件可以直接使用在video元素上，除了解決常見的視頻需求以外，也可以將復雜功能拆分為多個插件，通過這種開發方法可以相對容易的實現其他功能。

2? 系統設計與實現

2.1? 架構設計

系統基于SSM框架進行開發，選擇B/S架構，開發語言為JavaEE，數據庫使用MySQL。系統采用三層結構，分別是表示層、Web應用層和數據層。

2.2? 功能設計

根據需求分析，本系統分為教師端與學生端。教師端可分為學生管理模塊、微視頻管理模塊、實驗管理模塊、作業管理模塊、課程資源管理模塊。學生端可分為個人信息模塊、在線學習模塊、實驗模塊、作業管理、課程資源下載模塊。系統功能模塊圖如圖1所示。

2.3? 關鍵功能實現

2.3.1? 微視頻管理

微視頻管理模塊可對視頻文件進行管理，實現對視頻的上傳、信息編輯、刪除等功能。下面以視頻上傳為例，介紹系統的處理流程。

首先選擇所需上傳的一個或多個視頻文件，再對文件大小進行判斷，若超出設定的上傳大小，則拋出異常并結束流程，若滿足大小則將其轉化為二進制數據傳入。

接著，對文件存放目錄進行檢測，若不存在則創建文件存放目錄，并配置對應的虛擬目錄，可用于訪問服務器上的視頻文件。在目錄中創建File，將二進制數據寫入標準File類中，然后對其進行視頻編碼格式的判斷，若不符合要求則先對其進行編碼格式的轉換，再判斷編碼格式是否可被轉換，對于可直接轉換的編碼格式直接將其轉換為符合要求的格式，對于不可直接轉換的編碼格式（wmv9，rm，rmvb等）可通過其他工具（mencoder）先將其轉換為可直接轉換的格式（如avi），之后再進行二次轉換，然后再進行下一步，若是mp4、flv等符合要求的視頻編碼格式便可通過FFmpeg截取視頻封面，使用抓取器FFmpegFrameGrabber抓取視頻特定幀生成圖片作為視頻封面。

最后再將對應屬性存入數據庫，即可實現視頻上傳功能。

視頻管理界面如圖2所示，預覽視頻信息如圖3所示，可以查看視頻的標題、簡介、封面等信息。

2.3.2? 在線實驗功能

學生在使用作業模塊或實驗模塊時可在網頁中進行代碼的編寫，并實現在線編譯、運行并查看結果。

代碼編寫完畢后點擊編譯按鈕，發送編譯請求，檢測目錄是否存在，若不存在則創建臨時文件目錄，用以存放對應生成的文件，如源文件以及可執行程序等。

將代碼內容寫入文件作為源文件，通過字符串拼接將編譯命令構造出來，通過JAVAAPI創建進程，調用CMD，將構建好的編譯命令傳入并執行，通過抓取異常判斷是否出現錯誤，如程序中斷、超時、執行錯誤等，若出錯則返回錯誤碼以及對應的錯誤原因，結束流程。

若編譯成功即運行生成的可執行文件，同樣的通過抓取異常判斷是否出現錯誤，如gcc調用出錯以及C程序運行出錯等，若出錯則返回錯誤碼及對應的錯誤原因，結束流程。

運行成功時返回標準輸出，并且繼續調用CMD將對應exe的進程殺掉，如果不對其進行處理再次發送請求則會提示權限問題，因為之前運行的exe程序并未停止。即每次提交編譯請求便創建進程調用CMD，直到流程結束時再將對應進程殺死，只保留輸出結果。

學生在線實驗的界面如圖4所示。

2.3.3? 課程資源下載

課程資源下載模塊主要實現資源下載功能。學生選擇所需下載的文件，點擊按鈕后將文件名與url等信息傳入后臺，之后通過File類獲取到存放目錄中的對應文件，而后通過springmvc實現文件下載，設置好對應屬性后將其封裝入ResponseEntity返回瀏覽器，瀏覽器將收到的請求解析處理以實現瀏覽器的文件下載。

文件加載到內存中，轉換為字節數組作為響應體，設置響應頭，其中包含MIME協議擴展出的Content-disposition以及Contetnt-Type，設置對應的編碼、文件名、擴展名等信息，再加上響應狀態，封裝為ResponseEntity返回即可在瀏覽器中獲取到文件下載請求，在瀏覽器中使用mime類型application/octet-stream進行傳輸。

對于學生來說可下載教師發布的各種資源，點擊對應資源可進行下載，瀏覽器通過解析返回的http請求將返回的響應體轉化為對應文件，進行下載。

課程資源下載界面如圖5所示。

3? 結? 論

“C++微課堂”在線實驗平臺可以對學生的任務完成情況進行實時查詢和統計。教師可在課后根據統計數據，了解學生的學習狀態和掌握情況，得到及時的反饋信息。根據反饋信息，教師調整教學方法和教學內容，對進度落后的學生，也可以進行督促。

通過該系統，可以實現C++實驗課的線上教學。在線下教學時，也可以使用該系統進行線上線下的混合式教學，教學方式靈活，保證教學效果。

參考文獻：

[1] 閆劍鋒.新形勢下高校在線教育模式探索與實踐 [J].教育信息化論壇，2022（1）：3-5.

[2] 程蹊，任詩航，馬梅.基于SPOC/MOOC“在線教學工具+會議系統”的混合教學創新——以“超星直播+騰訊會議”混合教學為例 [J].大學教育，2022（1）：155-157.

[3] 劉海濤，張春妹.全視角學習理論下高校在線教學質量保障研究 [J].教育評論，2021（12）：26-32.

[4] 張千友，劉梅竹，沈力，等.后疫情時代高校教學模式改革研究 [J].西昌學院學報（社會科學版），2021，33（4）：124-128.

[5] 張開活.基于Web的C語言交互式可視化教學平臺的設計與實現 [D].西安：西安電子科技大學，2017.

[6] 梅剛，林齡，潘峰.基于Web的在線編譯環境設計 [J].計算機時代，2015（5）：29-31.

[7] 王超，李晶晶，朱晶晶.基于SpringCloud的在線視頻教育系統的設計與實現 [J].數字技術與應用，2021，39（12）：198-200.

作者簡介：姜麗莉（1985—），女，漢族，江蘇徐州人，講師，碩士，研究方向：深度學習、數據挖掘、軟件工程;孫自梅（1986—），女，漢族，河南商丘人，講師，碩士，研究方向：云計算、軟件工程。2BE22783-D69A-47F0-93D0-1EB02B3C6EA3