實驗教學過程管理平臺設計與實現

馬漢達，方 偉，洪華劍

（江蘇大學計算機科學與通信工程學院，江蘇鎮江 212013）

0 引言

實驗教學是提高學生實踐能力和創新能力的有效途徑，也是培養綜合素質人才的重要環節，實驗教學目標能否達成直接決定了人才培養質量［1］。建立科學的管理與評價機制，是進一步提高實驗教學質量的重要途徑。為了提高學生實驗教學工作質量，應加強實驗教學活動過程監控，將實驗各環節納入考核范疇，為科學地進行實驗教學評價提供依據［2］。因此，分析實驗教學中存在的問題，規范實驗教學流程，開發通用的精細化實驗教學過程管理平臺以加強實驗教學過程監控，是提高實驗教學質量和實驗教學管理信息化水平的必然趨勢。

1 實驗教學過程管理現狀

本文實驗教學過程指實驗預習、實驗操作過程、實驗報告，是實驗教學中的3 個階段［3］，并不包括實驗計劃下達、實驗教學任務落實、實驗課程排課等環節。目前，大多數高校也認識到過程管理的重要性，但管理方法陳舊，依然是利用紙質簽到本進行簽到、簽退，對整個實驗過程的掌控也只是依靠實驗教師人工進行，沒有使用管理平臺實現實驗過程的監控管理。部分高校雖使用管理系統加強實驗教學過程管理，但不具通用性，只是針對某個具體課程。

侯燕芝等［4］制定了教學過程規范化管理方案并加以實施，優化了實驗教學活動各環節；田福平等［5］以加強實驗過程管理和實驗過程指導、強化實驗教學過程評價、實驗教學目標達成；李新偉等［6］分析目前本科實驗教學過程中普遍存在的實驗過程設計不盡合理、實驗數據處理及實驗報告質量等問題，提出了強化與規范實驗教學過程的改進方法；呂念玲等［8］針對我國目前主要依靠教師進行實驗教學活動過程管理現狀，通過對過程要素的凝練及實驗過程檢測點的定位，提出使用人臉識別信息技術進行身份識別，研制智能電源，根據預習情況決定實驗臺電源的通斷，從而提高學生實驗預習效果。

實驗報告作為實驗教學重要的一環，很多高校依然使用實驗報告紙填寫，沒有根據具體實驗課程和實驗項目定制實驗報告模板，而且紙質的實驗報告保存比較麻煩。有的高校雖然采用電子版的實驗報告，但實驗報告批改基本都是無痕的，學生只看到自己實驗報告的分數，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學生分析問題和解決問題的能力。

2 實驗教學過程管理系統需求分析

2.1 實驗教學過程管理必要性與可行性

在現有的實驗教學模式下，教師對學生實驗預習的評價主要是課前利用幾分鐘時間抽查，不可能了解每個學生的預習情況，因而考核不夠全面準確；對實驗操作過程的考核，通過指導教師根據實驗過程的表現和對實驗結果的質詢加以考核，但由于教師要同時負責指導一個班或兩個班的學生，無法關注到每一個學生在實驗過程中的表現，且檢查的先后順序、質詢的問題等對學生們而言也不是十分準確和公平；對實驗報告的考核，主要通過實驗報告的總結書寫情況進行評定，由于存在抄襲情況，使得實驗報告的評價也存在不合理現象。綜上所述，在實驗教學過程中，教師不能有效地跟蹤學生的實驗情況，缺少實驗過程記錄，沒有規范的評價標準，給出的實驗成績區分度也不高，這樣無疑會影響學生科學的實驗態度。因此，亟需采用實驗教學過程管理系統以改變實驗教學評價現狀［8］。

實驗教學的重要性體現在對理論知識的驗證、掌握和運用上，實驗教學具有實踐性、載體性、重復性及資源依賴性的特點，因此實驗教學是一個重在過程的教學工作［9-10］。目前，計算機類專業的所有實驗均以計算機或以計算機+相關實驗設備為載體，因此在實驗教學活動中，利用瀏覽器訪問實驗教學過程管理系統，對實驗預習、實驗操作過程、實驗報告整個實驗教學過程進行監控和公平公正評價是可行的［11］。

2.2 實驗教學過程流程分析

實驗教學過程管理系統有學生用戶和教師用戶，流程分析可分為學生實驗過程流程和教師管理實驗教學流程。本文以學生實驗為例進行說明，學生登錄系統后，可實現實驗簽到、實驗預習測試、實驗操作過程、完成實驗報告、實驗完成后簽退等功能，學生實驗流程如圖1 所示。在整個流程中，實驗預習測試、實驗操作、完成報告并提交是關鍵環節，也是實驗教學評價考核點。系統會根據預習測試通過與否決定是否進入下一流程，實驗操作主要根據操作是否熟練、實驗完成時間等評價實驗操作過程；學生完成實驗后，根據實驗報告的要求回答實驗中的相關問題并對實驗進行總結；最后提交報告后簽退。

Fig.1 The process of students’experiment圖1 學生實驗過程流程

3 實驗教學過程管理系統設計

針對上述實驗教學過程管理需求分析，使用流行的開發技術，按照B/S 三層架構式設計思想，將前后端完全分離，前端與后端通過接口進行數據通信，系統架構清晰、易于理解、可擴展性強，也減少了后期維護成本。

3.1 系統架構設計

實驗教學過程管理系統整體架構可分為數據層、服務層和應用層。①數據層是整個系統中的數據源等基礎數據，它支撐著整個系統的運行，主要包括學生數據、實驗課程和實驗項目相關內容而構成的數據庫，系統數據庫選用MySQL；②服務層主要實現數據緩存、數據傳輸、數據處理、信息反饋、數據管理五大功能，起承上啟下作用；③應用層主要包含兩大部分，分別是學生用戶和教師用戶功能。學生用戶模塊功能主要包括實驗課程查看、實驗簽到、簽退、預習測試、實驗原理查看、實驗報告填寫等；教師用戶模塊功能主要有學生基礎信息管理、學生考勤管理、學生實驗報告管理、實驗內容管理等。應用層重點是將學生端和教師端的各種管理功能展現給用戶供其操作，也即前端頁面顯示，如圖2 所示。

Fig.2 System architecture圖2 系統架構

3.2 系統數據庫設計

數據庫是Web 信息管理系統的基礎，對于一個Web的應用系統而言，數據庫設計是針對給定的應用需求，根據數據庫設計原則和規范建立數據庫，使其能夠有效地存儲數據，滿足其應用需求。

數據庫設計得好壞直接影響到整個系統的性能，因此在進行數據庫設計時，根據數據庫的設計原理和實際應用場景，從表設計規范、索引設計規范以及SQL 編寫規范等方面進行優化設計，如數據表表名、字段命名要規范，字段類型和寬度設計需合理，以及主鍵和外鍵設置、索引建立等應科學規范。為了保證數據的一致性、完整性，設計數據庫時必須遵循一定的步驟、范式理論和基本原則，這樣可避免數據冗余和增、刪、改、查的異常。為避免數據冗余，必然會導致過多的表間關聯，這也增加了表間連接查詢等操作的開銷［12］。因此，為了提高運行效率，有時適當的冗余是允許的，只要在數據冗余和處理速度之間找到平衡點即可。通過分析系統需求和功能，在設計該系統數據庫時，從數據的高效性、可靠性和實用角度出發，設計了12個表。系統設計數據表及其功能描述如表1 所示。

Table 1 System design data表1 系統設計數據表

3.3 系統主要功能設計

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

Fig.3 Main functions of the system圖3 系統主要功能

4 實驗過程管理系統實現

為了滿足系統設計，系統后端采用PHP 語言的CI 框架。CI 框架是一個小巧但功能強大的PHP 框架，它基于MVC 結構、超輕量級、表單與數據驗證、安全性與XSS 過濾、Session 管理等特性優點，可以方便地為設計人員開發功能完善的Web 應用程序。前端界面是人機交互接口，其設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，同時選用Vue.js［13］框架，vue.js 是構建數據驅動的漸進式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。

4.1 系統學生端功能實現

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

4.2 系統教師管理端實現

教師端的管理功能有很多，本文以實驗項目管理、實驗報告批改、實驗成績管理為例簡單說明實現方法。

4.2.1 實驗項目管理

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

4.2.2 實驗報告批改留痕

實驗報告批改模塊是采用在線留痕批改，實現方法是將實驗報告中需要批改的題目裝載到指定div 中，使用Ja?vaScript 技術，利用開源工具html2canvas 對指定頁面元素截圖，生成canvas 畫布。在頁面中添加按鈕，點擊“批改”觸發批改模塊。此時鼠標默認為畫筆，可以進行圈圈點點；“前進”“后退”按鈕用于批改過程中的撤銷與恢復；鼠標在編輯區雙擊，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擊，即增加批注成功；點擊“保存”將當前批改留痕。教師批改頁面詳見OSID 碼。

4.2.3 實驗成績管理

實驗成績管理是本系統的一個重要功能，系統在處理學生實驗成績時強調過程考核的理念，因此按照規范化的實驗教學過程處理學生每項實驗成績，按照系統設定關于實驗教學過程的考核點并按考核要素完成實驗預習、實驗操作過程、實驗報告3 項成績，按照事先設定的權重和規定格式要求自動生成評價數據，極大方便教師對實驗成績的處理。在成績查詢與統計上，教師可通過系統按學期、班級、課程、實驗項目等各種組合進行模糊查詢，充分了解學生在實驗中的學情信息，以便更好地改進教學。

5 結語

實驗教學過程管理系統已應用于江蘇大學2018 級計算機科學與技術專業4 個班的數字邏輯課程實驗和通信工程專業3 個班的數字電子技術課程實驗教學。實踐表明，實驗教學過程管理平臺規范了實驗教學從簽到、預習測試、實驗操作、填寫實驗報告到簽退的整個實驗流程，實現了實驗教學全過程的自動化管理。它可以有效監控學生實驗教學全過程，促進了學生對實驗的深度預習，規范實驗操作過程，提高了實驗效率；同時教師通過該平臺可有效地監控學生的整個實驗過程，適時地為學生提供針對性指導，能更客觀地評價學生的實驗，有助于學生形成良好的學習氛圍，調動學生實驗興趣，培養學生科學嚴謹的實驗態度；實驗報告的批改留痕，可以指導學生如何寫好實驗報告，提高問題分析和解決能力，這也是本系統的一個重要創新；實驗結束后的實驗成績自動生成，然后通過導入操作完成教務系統的成績錄入，以前在實驗教學結束需要幾天才能完成的實驗成績處理工作，使用該過程管理平臺后只需幾分鐘，即可完成所有實驗成績處理工作，極大提高了教師的工作效率。