綜合課堂信息化系統的設計與實現

王智

關鍵詞：線上教學；虛擬仿真；實訓與考核；設計與實現

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）08-0046-03

0 引言

隨著現代信息技術快速發展，線上教育模式已經是我國教育的亮點模式。在線教育有“教”與“學”不受時間、空間、地點條件的限制，知識獲取渠道靈活與多樣化等優點，且隨著移動互聯網的發展浪潮，在線教育市場呈快速發展階段[1]。

在線教育分為線上理論教學與在線虛擬仿真實踐教學，目前線上理論教學平臺非常多，技術也比較成熟；但在線上進行實踐類課程教學，經常面臨場景復現的困難，所以在線虛擬仿真實踐教學平臺開發的難度較大[2]。這類平臺往往需要安裝客戶端，有一定的局限性，并且目前把線上理論教學與實訓教學相結合的平臺比較少。故設計一套不但可以實現線上理論知識教學與考核，同時也可以實現線上虛擬仿真實訓教學與考核的系統，有很好的應用推廣前景。

1 系統設計

綜合課堂信息化系統以WeX5開發平臺作為集成開發環境，此平臺完全開源免費， 有非常多的組件框架[3]。系統按網站設計方式進行開發，系統前端設計是采用html5+JavaScript+CSS3技術，后端采用Java技術。除了設計常用的網絡課堂功能模塊之外，還設計了若干個虛擬仿真實訓模塊、設備3D模型操作體驗模塊、VR教學模塊等，實現了線上實訓教學與考核。系統的框架圖如圖1所示。

后端數據庫采用MySQL，MySQL是所有大型數據庫服務器中最流行的一種，它的功能很豐富，并且是開源的產品，能為網絡應用提供很好的支持[4]。主要的數據庫表設計如表1、表2所示。

系統支持多種使用平臺，PC、手機、平板電腦都可以使用瀏覽器訪問該系統，無須安裝客戶端軟件，解決了目前流行的在線虛擬仿真實踐教學平臺需要安裝客戶端的問題。

2 系統功能

“綜合課堂信息化系統”主要功能如下：

有一套完整且完善的后臺管理功能，對教師、學生、資源、課程等數據統計及管理；系統內置一套教學資源，包括教學視頻、PPT、圖片、設備3D模型、VR教學模塊等，供教師用戶直接調用；系統有三種用戶，分別為管理員、教師、學生。

2.1 管理員功能

包含管理員信息維護、主頁公告、教師信息管理、班級信息管理、學生信息管理、共享資源管理、課程信息管理等功能。可Excel導出教師信息、課程信息，也可Excel導入導出學生信息。

2.2 教師端功能

包含教師個人信息維護、資源管理、題庫及試卷管理、課程管理、班級信息查詢、學生信息查詢等功能。可上傳課程資料，也可把資源共享，讓其他教師直接調用，還可以使用系統內置資源；可建立理論知識題庫，包含判斷題、單選題、多選題，題目可Excel導入導出；可創建理論知識試卷、仿真實訓試卷等；可創建課程并把課程分發給班級。

2.3 學生端功能

包含學生個人信息維護、課程內容、課程資源、課堂考勤、主題討論、隨堂測試、課程考試等功能。可選擇課程進入學習，可觀看PPT、圖片、視頻，可進行設備3D模型操作體驗、實訓設備VR體驗，可以進行理論知識練習、仿真實訓練習。可下載課程附件資源。可進入“課堂考勤”簽到。可進入“主題討論”并發言。可進入“隨堂測試”和“課程考試”進行理論知識、仿真實訓考試，可查詢隨堂測試與課程考試成績。

3 系統實現

系統有后臺管理、資源管理、網絡課堂、虛擬仿真實訓等主要模塊，其中虛擬仿真實訓模塊包含電氣故障檢測與排除、電路接線、設備安裝維修等子模塊。這里介紹“電氣故障檢測與排除”仿真實訓模塊的設計與實現，其他模塊不做一一贅述。

3.1 電氣故障檢測與排除仿真實訓模塊的界面設計

在電氣維修中，通常先觀察設備故障現象，再通過查看電路圖，鎖定故障范圍，使用儀表對電氣控制系統進行檢測，找出故障點并修復[5]。本模塊將場景復現電氣維修過程。

在界面設計虛擬的電氣控制箱、萬用表等，在虛擬電氣控制箱面板上設置指示燈、按鈕開關等，控制箱內部設置空氣開關、交流接觸繼電器、時間繼電器、接線端子以及線路等。另外還要設計設備控制電路圖的界面、排除故障的界面等。模塊界面要使用大量的圖片，為了界面操作流暢，在進入界面時先把圖片全部緩存到瀏覽器，主要代碼如下：

3.2 電氣故障檢測與排除仿真實訓模塊的功能描述

教師用戶設置好故障點及評分標準，組成一套試卷并下發給學生用戶練習或考核；學生用戶進入電氣故障檢測與排除仿真實訓頁面后，可以先虛擬啟停設備，如有故障即不能正常開啟設備，可通過查看設備的控制電路圖，分析故障所在的回路，然后使用虛擬萬用表檢測虛擬電路，查出確切的故障點后排除故障；用戶交卷后顯示詳細卷評（如圖2所示），如果是考核模式即考核數據保存到后端數據庫。

3.3 電氣故障檢測與排除仿真實訓模塊的實現方法

以冷水機組電氣故障檢測與排除為例。冷水機組的控制電路圖如圖3所示。

3.3.1 實現電路的控制邏輯

用JavaScript編寫函數實現電路的控制邏輯。為每一條回路（比如冷卻塔風機控制回路）編寫對應的函數，函數的主要代碼如下：

當用戶在虛擬電氣控制箱面板上操作按鈕開關控制設備時，調用對應的函數來計算該設備的啟停狀態，并在界面顯示出來。當發現某回路異常斷開時，查看電路圖初步判斷后，用虛擬萬用表檢測虛擬電路。

3.3.2 實現萬用表檢測邏輯

用JavaScript編寫函數實現萬用表檢測邏輯，主要算法如下：

1） 設置數組，把回路中的開關、某段線路、繼電器線圈、其他元器件等數據按電路編號順序傳給數組元素；

2） 測電阻時，根據虛擬萬用表兩支表筆之間的數組元素值計算出電阻值，并在虛擬萬用表上顯示出來；

3） 測電壓時，根據虛擬萬用表兩支表筆所處的前后數組元素值計算出電壓值，并在虛擬萬用表上顯示出來。

當用戶用虛擬萬用表檢測虛擬電路時，調用“萬用表檢測邏輯”函數來計算出電阻值或電壓值，從而判斷出回路中是否存在故障，如果存在故障用戶可排除故障。

3.3.3 統計考核結果并保存

用戶練習或考核完畢，交卷后自動統計成績，將卷評結果顯示出來，如果處于考核模式即把成績數據保存到后端數據庫。數據保存機制：進入考核時先添加一條成績記錄，記0分，交卷后再用實際分數按成績記錄ID更新成績記錄。這種機制目的是防止用戶沒有交卷，強行退出，然后再次進入考核。因為剛進入考核時就已經產生了一條成績記錄（0分），如果沒有交卷就退出，最終成績為0分，并且后端數據庫里已有了成績記錄，會限制用戶再次進入考核。實現的主要代碼如下：

數據組件testScore已配置關聯后端MySQL數據庫表test_score，前端可通過數據組件testScore與后端數據庫表test_score進行數據交互。

4 結束語

綜合課堂信息化系統已開發完成并升級到2.0版本，已申請了計算機軟件著作權，名稱：綜合課堂信息化系統V2.0，著作權人：廣東機電職業技術學院。目前該系統已應用于專業教學實訓中。線上虛擬仿真實訓模式為實訓課堂打造為更高效的沉浸式互動體驗，打破課堂的時空限制，將知識具象化、可視化、趣味化，并與線下實訓相結合，提高實訓的效率。另外，利用虛擬仿真實訓教學與考核模式可減免大型實訓設備的購置投入。