基于SPOC平臺的化學實驗教學培訓系統設計

孔義川

(保定市教師進修學校，校長辦公室， 河北，保定 071000)

0 引言

在當前實際的教學過程中，很多化學實驗都存在一定的危險性，且實驗教室的實驗環境相對較差，難以和專業的實驗室相比，讓教師不能將所有化學實驗都教給學生[1-2]。因此，國內外都十分重視教學培訓研究，并取得了一定的研究成果。

目前，國外對教學培訓系統研究相對成熟，在實驗教學過程中，起到了至關重要的作用，文獻[3]通過集成該教學管理系統，O2O的學習模式被用來構建以學習者為中心的教學改革框架。該框架由O2O學習平臺支持，以主題實踐教學和O2O模型為主體。實驗結果表明，該系統調動了師生的積極性。文獻[4]提出了用于同步電機和電力系統調節器運行測試的實驗和教育平臺的開發和應用。可以在發電機定子開路，獨立運行或并網運行的情況下進行運行測試，并模擬系統中的干擾，以觀察電力系統的行為和控制性能。但這些系統制造價格昂貴。實驗教學系統研究及應用在國內尚處于發展階段，文獻[5]研制了數控LED恒流驅動實驗教學系統，不同顏色LED光源的開關狀態及LED工作電流都可由上位機通過RS-232串口給微控制器發送指令來實現。該系統可使學生了解并掌握利用微控制器產生數控恒流源。只在小范圍內得到了應用，且教學效果不明顯。綜合國內外研究成果發現，實驗教學培訓系統研究范圍較窄，存在較多的局限性。

SPOC平臺是一種具有線上線下混合教學模式的教學平臺，可以提高教師的教學效率與學生的學習效率[6]。為此，引入SPOC平臺，將混合教學模式引入化學實驗教學培訓系統設計中，提出基于SPOC平臺的化學實驗教學培訓系統設計。

1 化學實驗教學培訓系統設計

1.1 系統拓撲結構及通信方式設計

將系統運行網絡分為有限網絡和無線網絡2種，設計化學實驗教學培訓系統拓撲結果，如圖1所示。

圖1 系統拓撲結構

根據圖1所示的網絡拓撲結構，將服務器端部署在B/S網絡服務器上，并在客戶端上安裝SPOC移動學習平臺形成新的通信方式，如圖2所示。

圖2 系統通信方式

圖2中，Javaweb為B/S網絡服務器開發技術，由服務器決定是否同意發送請求的用戶進入系統進行教學培訓[7]。通過HTTP協議以JSON格式交換客戶端和服務端之間的數據[8]。

1.2 化學實驗教學培訓系統體系架構設計

考慮系統功能，采用系統數據、管理、服務、應用相分離的結構原則，以SPOC平臺為基礎，選擇PHP和ActiveX開發技術[9]，設計系統管理單元，系統體系架構如圖3所示。

如圖3所示，所設計化學實驗教學培訓系統體系架構由表示層、應用層及數據層組成。表示層的主要作用就是展示數據，如化學實驗理論知識、視頻、習題等，主要通過瀏覽器實驗。應用層的主要作用就是展示數據，如化學實驗理論知識、視頻、習題等，主要通過瀏覽器實驗。應用層即是系統的運行邏輯層和部署層，且該層的運行，依賴數據層所提供的化學實驗教學培訓數據，起到承上啟下的作用。數據層包括數據庫和數據倉庫2個模塊，存儲化學實驗教學培訓過程中所需要的數據。一旦系統數據層出現問題，系統邏輯層將無法為表示層提供數據。

圖3 系統體系架構

1.3 系統數據庫

綜合上述內容，確定的系統網絡拓撲結構、通信方式和系統體系架構，將采用可靠性高、運行速度快、使用簡便的MySQL數據庫，建立化學實驗教學培訓系統數據庫，采用PHP語言，作為數據庫開源語言，結合MySQL數據庫和PHP語言，讓此次設計的系統，可以采用Windows、Unix、Linux等操作系統操作數據庫，增加數據庫的操作選項[10]。設計的化學實驗教學培訓系統數據庫，如圖4所示。

圖4 系統數據庫E-R圖

如圖4所示的系統數據庫E-R圖，根據系統功能，設置教師和學生登錄實體屬性、課程實體屬性、視頻播放實體屬性等4種數據庫實體屬性E-R視圖。其中化學實驗教學培訓課程實體屬性是按照化學實驗課程、實驗教學培訓的理論和實踐兩方面內容，將化學實驗教學培訓課程分為多種，并設置不同的ID，降低課程在數據庫中的尋找難度。視頻播放實體屬性所展示的是化學實驗教學培訓中的教學培訓視頻，其中存在的記錄視頻播放功能，可以直接幫助學生，記住上次播放位置，無需從頭觀看。

系統的登錄訪問，都需要通過數據庫才能實現，通過表示層，按照圖2所示的通信方式，將訪問請求發送給應用層，由應用層調取數據庫中，存儲的用戶信息，將登陸信息與訪問信息進行對比，確定用戶ID是否正確，從而反饋到系統表示層，告知用戶是否通過系統登錄。

1.4 SPOC平臺的教學培訓模型設計

根據化學實驗教學特點及原則，從教學任務、內容、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計化學實驗教學培訓模型，如圖5所示。

圖5 化學實驗教學培訓模型

2 系統測試

采用對比實驗的方式，將所設計的化學實驗教學培訓系統與文獻[4]系統以及文獻[5]系統進行對比，得出3組系統兼容性、運行邏輯、CPU和內存利用率及系統平均響應時間測試結果。測試實驗選擇的3組系統，按照表1所示的系統部署環境，統一部署3組系統。

表1 系統部署環境

2.1 系統兼容性及邏輯性測試

測試3組系統的內部邏輯結構和內部特性，查看系統中是否存在性能、初始化或終止性、信息訪問等錯誤，以及系統兼容性，黑盒子測試結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，A系統兼容性最優，可同時運行多個瀏覽器。文獻[4]系統與文獻[5]系統兼容性較差。在邏輯性上，所設計系統的運行邏輯性能最優，與系統正常結果一致，會出現相應的錯誤提示，告知用戶哪些信息填寫錯誤。文獻[5]系統的運行邏輯性能最差。文獻[4]系統無法提示出全部錯誤。

圖6 兼容性測試結果圖

2.2 CPU利用率及系統響應時間測試

采用Loadrunner壓力測試工具，導入錄制腳本，分別在文獻[4]系統、文獻[5]系統及所設計系統中預先設置500 000條用戶記錄。設置參數分別為模擬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，同時操作系統，每個用戶的操作執行時間持續5 min，直至加載完畢。在正常情況下，用戶操作時系統的響應時間應維持在3 s內(包括3 s)，CPU利用率應低于85%。分別統計三組系統的CPU利用率及系統響應時間測試結果，如表2所示。

表2 CPU利用率及系統響應時間測試結果

從表2中可以看出，所設計系統的CPU利用率最低，系統響應時間最短。文獻[5]系統的CPU利用率最差，僅支持100個虛擬用戶同時使用系統；文獻[4]系統的響應時間是3組系統中最長的。

綜合上述3組實驗結果可知，所設計系統在運行的過程中，更節約CPU空間，可支持600用戶并發使用，多種瀏覽器同時運行，具有較高的兼容性，以及較優的運行邏輯性能。

3 總結

綜上所述，此次設計化學實驗教學培訓系統，在當前化學實驗教學培訓系統軟硬件研究的基礎上，設計化學實驗教學培訓系統，充分利用SPOC平臺的混合式教學模式，增加化學實驗教學資源，提高化學實驗教學培訓效率。但所設計系統，未考慮化學實驗教學考核方面的內容。因此在今后的研究中，還需要深入研究化學實驗教學培訓系統，化學實驗教學考核，進一步提高系統應用效果。