基于云平臺的實驗教學管理系統設計

摘? 要：為了解決傳統實驗教學存在的問題，優化實驗教學資源，建設基于云平臺的實驗教學管理系統。師生可在該管理系統上完成備課、上課、實驗、實訓、考試等，打破了傳統實驗教學的時空限制，彌補了實物實驗所存在的短板，提高了實驗教學的質量，實現了資源共享，減少了實驗教師的工作量，提高了學生的實踐動手能力，可更好地為廣大師生提供實驗教學服務。

關鍵詞：云平臺；實驗教學管理平臺；虛擬現實技術

中圖分類號：TP311.5；G647? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）11-0034-05

Design of Experimental Teaching Management System Based on Cloud Platform

WEI Yuhan

（Jilin University of Architecture and Technology， Changchun? 130114， China）

Abstract： In order to solve the problems existing in traditional experimental teaching， optimize experimental teaching resources， and build an experimental teaching management system based on cloud platform. Teachers and students can complete lesson preparation， classes， experiments， practical training， exams， etc. on this management system， breaking the time and space limitations of traditional experimental teaching， making up for the shortcomings of physical experiments， improving the quality of experimental teaching， achieving resource sharing， reducing the workload of experimental teachers， improving students' practical skills， and providing better experimental teaching services for teachers and students.

Keywords： cloud platform; experimental teaching management platform; virtual reality technology

0? 引? 言

隨著“互聯網+”模式的興起，尤其是近幾年受疫情的影響，傳統的教育方式正在發生著巨大的改變，依靠互聯網技術的網絡教學迅速發展起來。實驗教學作為高等教育體系不可或缺的一部分，也得到了飛速的發展，國家級、省級和校級實驗教育示范中心的建立很大程度上改善了實驗基礎條件和實驗教學質量，但也給實驗教學帶來了更大的挑戰，如需不斷地購置儀器設備，實驗課程占比不斷地增加，實驗室數量不斷地增多等。充分利用現代信息技術創建網絡實驗教學管理平臺，打破時空限制，加深信息技術與實驗教學的融合，實現虛實結合、數據共享將是實驗教學發展的方向。

1? 系統設計結構

為了更加合理高效地利用實驗室資源，避免某些儀器設備使用沖突、部分儀器設備閑置等現象的發生，根據我院實驗中心的實際情況，建立實驗教學管理平臺。該平臺可為師生提供實驗、實訓、練習、考試等線上實驗教學，提供線上操作、在線題庫等多種在線輔助教學，使學生所掌握的理論知識與實際結合得更加緊密。

該平臺主要包括管理員、教師端和學生端，具體結構如圖1所示。

1.1? 管理員

管理員模塊主要包括系別管理、專業管理、班級管理、課程管理、教師管理和學生管理六個部分。

1.1.1? 系別管理

對我院開課的相關學院進行管理，包括新建、修改和刪除，添加系別后，頁面會跳轉到“系別列表”，在“系別列表”頁面中可以查看和管理當前系統所添加的系別，所屬院校為系統設定，管理員不提供修改所屬院校的功能。

1.1.2? 專業管理

對專業進行管理，包括新建、修改和刪除。選擇所屬院校、所屬系別后，在專業名稱后面的輸入框中輸入正確的專業名稱，點擊“確定”，即可添加專業。不同專業所對應的實驗內容不同，實驗教師可根據專業設置不同的實驗內容，因此需要管理員提前設置好專業信息。

1.1.3? 班級管理

選擇所屬院校、系別、專業后，在班級名稱后面的輸入框中輸入正確的班級名稱，點擊“確定”，即可添加班級。添加班級后，頁面會跳轉到“班級列表”，在“班級列表”頁面中可以查看和管理當前系統所添加的班級。

1.1.4? 課程管理

對課程進行管理，包括新建、修改和刪除。選擇專業（專業課程名稱）、系別、班級和老師后，點擊“設置課程表”按鈕可以設置課程，不同課程的重難點不同，實驗教師需根據課程的知識點以及學生對知識點的掌握情況設置不同的實驗內容，因此需要管理員添加相關課程信息。

1.1.5? 教師管理

對教師的基本信息進行管理，包括添加、修改、刪除用戶名、基本信息，初始密碼等，可單獨操作也可批量操作。輸入教師賬號的詳細信息，系統會對所填信息進行判斷，若都通過信息驗證，即可點擊“確定”按鈕，完成添加教師用戶的設置。添加教師后，頁面會跳轉到“教師列表”，在“教師列表”頁面中可以查看和管理當前系統所添加的教師。在“教師列表”頁面，系統提供三種查詢教師的方法：選擇系別，點擊“查詢”按鈕，篩選某個系別的老師；在輸入框中輸入關鍵字，點擊“查詢”按鈕，通過關鍵字搜索教師；選擇注冊時間，點擊“查詢”按鈕，篩選指定注冊時間區間的教師。導出表格后，根據表格中的ID或登錄用戶名和登錄密碼，即可以“教師”角色登錄平臺。

1.1.6? 學生管理

輸入學生賬號的詳細信息，系統會對所填信息進行判斷，若都通過信息驗證，即可點擊“確定”按鈕，完成添加學生用戶的設置。批量導出學生表格數據后，通過輸入表格中的學生ID和密碼進行登錄，登錄后依照學生ID逐個添加學生。添加學生后，頁面會跳轉到“學生列表”，在“學生列表”頁面中可以查看和管理當前系統所添加的學生。在“學生列表”頁面，系統提供三種查詢學生的方法：設置專業班級等篩選條件，點擊“查詢”按鈕，篩選某個班級的學生；在輸入框中輸入關鍵字，點擊“查詢”按鈕，通過關鍵字搜索學生；選擇注冊時間，點擊“查詢”按鈕，篩選指定注冊時間區間的學生。篩選出學生數據后，點擊“批量導出”按鈕，導出所有篩選出的學生賬號。如果要導出系統中所有的學生賬號，則不必設置篩選條件，直接點擊“批量導出”即可，導出表格后，根據表格中的ID和密碼，即可以“學生”角色登錄平臺。

1.2? 教師端與學生端

教師端和學生端均包括實驗、實訓、練習和考試四個部分。

1.2.1? 實驗部分

包括所有的相關實驗，教師可根據自己課程的特點選擇相應的實驗內容，該部分主要是對課題所涉理論知識的驗證和補充，學生通過3D動畫對電氣類相關設備、基本工具、安全防護等內容有了一個感性的認識，可為后續線下實操做好充足的準備。

1.2.2? 實訓部分

該部分為學生線上自己動手訓練的部分，老師在題目說明模塊中結合學生的實際情況添加訓練要求，學生可根據要求，從元件庫、線庫和儀表庫中選擇對應的元器件進行連接。

1.2.3? 練習部分

該部分主要是教師根據自己的學科特點和教學內容，有目的有針對性地選擇部分實操，讓學生自己動手按要求完成實驗。教師可以在該部分選擇需要學生線下實操的相關實驗，作為線上實驗的練習部分，學生在實操之前，可以先在線上完成練習，規避錯誤的操作，規范操作順序，不僅可以提高實驗效率，還可以提高實驗的安全系數。同時實驗報告也可在線上提交，教師提供實驗報告模板，學生按照格式填寫實驗內容。通過此部分的練習，學生在完成線下實操后能夠大大提高動手效率，實驗效果也會有很大的提升，對線下實操起到很好的輔助作用。

1.2.4? 考試部分

教師可以根據課程要求開展實操測驗，包括獨立課程、實習、實訓等內容。學生可根據提出的要求和給出的工具完成實操，教師根據學生的操作步驟給予相應的分數，使教師可以更加客觀地評判學生對有關知識點的掌握程度及其動手能力。

2? 關鍵技術

運用多項技術完成實驗教學管理平臺的搭建。

2.1? 多媒體技術

采用三維模型、三維動畫技術對實驗的物理對象進行仿真建模，讓實驗者無論從視覺上還是聽覺上都能獲得逼真生動的體驗。

2.2? Web技術

采用基于Web的開發技術，支持虛擬實驗的在線訪問和運行。

2.3? 虛擬現實技術

包含逼真的實驗室環境、形象的設備以及與實物一致的元器件三個部分，其目的就是為師生提供逼真的虛擬實驗環境，為師生模擬準確的實驗數據，為學生安全高效的線下實操提供保障。實驗平臺的實驗環境在質感、光照、形態等方面都能達到逼真的效果，讓學生在線上實驗時也能獲得身臨其境的感覺。同時，確保在旋轉、移動三維場或物體時，物體的中心點始終在原來的位置保持不變，也可對選中的物體進行360°的全方位瀏覽。

2.4? 云計算技術

采用Web實現資源預約、資源調用和平臺訪問，進而實現服務器的虛擬化管理和應用，提高資源利用率，節約實驗中心的管理和建設成本，降低設備管理和維護的工作量，提高虛擬實驗室的服務能力。

2.5? 大數據技術

采用大數據技術對實驗數據進行智能化收集、分析和處理，從所搜集的實驗數據中獲得新的發現，用以指導實驗的設計和改進，這樣可實現實驗的智能設計、智能輔助和智能評價等。

3? 系統實現

3.1? 登錄界面

管理員需要在服務器上登錄系統，教師與學生的賬號由管理員提前導入，或者自行注冊，其登錄界面如圖2所示。

3.2? 管理員界面

根據學院的特點和要求設置管理員權限，完成信息的添加、修改和刪除。管理員界面如圖3所示。

3.3? 教師端及學生端

3.3.1? 教學部分

教學部分不僅可以用在實驗教學中，也可以應用于理論教學中，在講到某某內容以對應知識點時，教師可以針對這部分內容，邊講解邊演示，讓學生能夠更加直觀地理解和掌握相關的知識點。圖4為防火防爆電氣項目中滅火器的介紹，該項目包含電氣類設備滅火用干粉滅火器、二氧化碳滅火器和泡沫滅火器的使用，該動畫中不止有滅火器，還配有人形動畫，師生可控制虛擬人操作滅火器，如操作錯誤會出現提示，使師生可獲得更加直觀和深刻的操作體驗。

3.3.2? 實訓部分

模擬現實環境下的實訓課程，結合我院工程實訓課程的實際情況，不斷豐富實訓課程的內容，讓每一位學生都能獨立完成實訓的全過程，打破了傳統的教學模式和理念，更貼合社會的發展趨勢，提升了學生的綜合實力。圖5為電子基礎項目中直流電源電路的安裝和使用，該項目包含直流電源電路可能涉及的所有元器件，學生可根據自己設計的電路選擇相應的元器件連入電路，采用萬用表測量對應數據，驗證電路的準確性，如結果錯誤，則查找原因，修改電路，直至達到理想數值，即表明所連電路正確，此時可按照項目中所選的器件連接實物電路，確保實際操作的準確性，同時也避免了由于選件或焊接等實操錯誤而導致的時間、器件浪費。

3.3.3? 練習部分

教師可以在練習部分選擇需要學生線下實操的相關實驗，完成對線上實驗的復習鞏固。學生在實操之前，可以先在線上完成練習，規避錯誤的操作，規范操作順序，不僅提高了實驗效率，還提高了實驗的安全系數。同時實驗報告也可在線上提交，教師提供實驗報告模板，學生按照格式填寫實驗內容。圖6為電機的裝配與拆卸練習，學生課后可隨時對電機進行拆卸與安裝，以便對電機的結構有一個更加深刻的了解。網上的練習不受時間、地點、次數的限制，使不同層次的學生都能得到多次的練習，能更好地掌握電機的工作原理，對電機有一個更為深刻的認識。

3.3.4? 考試部分

考試部分由教師根據課程的特點和要求自行命題，包含常見的選擇、填空、簡答、計算等題型，也可以讓學生進行在線實操考試，包括獨立課程、實習、實訓等內容，根據課程選擇不同的實操，如圖7所示。不同專業對“電機學”這門課所需掌握的知識點不同，側重點也不同，教師可根據學科特點設置不同的電機實操，如電機的裝配、拆卸等。

4? 結? 論

采用先進的虛擬現實技術建立一個開放式的實驗教學管理平臺，方便師生選課、練習、實驗、實訓。該平臺打破了傳統實驗教學的時空限制，彌補了實物實驗固有的一些短板，減少了實驗教師的工作量，提高了實驗教學中心的工作效率，使實驗教學中心可以為師生提供更好的實驗教學服務。

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作者簡介：衛昱含（1982.11—），女，漢族，吉林松原人，實驗師，碩士研究生，研究方向：測試計量計算及儀器。

收稿日期：2022-12-23

基金項目：校級中青年扶持項目重點項目（校科字〔2020〕005）