基于云平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘? 要：為了解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，建設(shè)基于云平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)。師生可在該管理系統(tǒng)上完成備課、上課、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、考試等，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制，彌補(bǔ)了實(shí)物實(shí)驗(yàn)所存在的短板，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了資源共享，減少了實(shí)驗(yàn)教師的工作量，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，可更好地為廣大師生提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：云平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311.5；G647? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lián)網(wǎng)+”模式的興起，尤其是近幾年受疫情的影響，傳統(tǒng)的教育方式正在發(fā)生著巨大的改變，依靠互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)迅速發(fā)展起來(lái)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高等教育體系不可或缺的一部分，也得到了飛速的發(fā)展，國(guó)家級(jí)、省級(jí)和校級(jí)實(shí)驗(yàn)教育示范中心的建立很大程度上改善了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)條件和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，但也給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)，如需不斷地購(gòu)置儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)課程占比不斷地增加，實(shí)驗(yàn)室數(shù)量不斷地增多等。充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，打破時(shí)空限制，加深信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、數(shù)據(jù)共享將是實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的方向。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

為了更加合理高效地利用實(shí)驗(yàn)室資源，避免某些儀器設(shè)備使用沖突、部分儀器設(shè)備閑置等現(xiàn)象的發(fā)生，根據(jù)我院實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)際情況，建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)。該平臺(tái)可為師生提供實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、練習(xí)、考試等線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提供線上操作、在線題庫(kù)等多種在線輔助教學(xué)，使學(xué)生所掌握的理論知識(shí)與實(shí)際結(jié)合得更加緊密。

該平臺(tái)主要包括管理員、教師端和學(xué)生端，具體結(jié)構(gòu)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(yè)管理、班級(jí)管理、課程管理、教師管理和學(xué)生管理六個(gè)部分。

1.1.1? 系別管理

對(duì)我院開(kāi)課的相關(guān)學(xué)院進(jìn)行管理，包括新建、修改和刪除，添加系別后，頁(yè)面會(huì)跳轉(zhuǎn)到“系別列表”，在“系別列表”頁(yè)面中可以查看和管理當(dāng)前系統(tǒng)所添加的系別，所屬院校為系統(tǒng)設(shè)定，管理員不提供修改所屬院校的功能。

1.1.2? 專業(yè)管理

對(duì)專業(yè)進(jìn)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(yè)名稱后面的輸入框中輸入正確的專業(yè)名稱，點(diǎn)擊“確定”，即可添加專業(yè)。不同專業(yè)所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同，實(shí)驗(yàn)教師可根據(jù)專業(yè)設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，因此需要管理員提前設(shè)置好專業(yè)信息。

1.1.3? 班級(jí)管理

選擇所屬院校、系別、專業(yè)后，在班級(jí)名稱后面的輸入框中輸入正確的班級(jí)名稱，點(diǎn)擊“確定”，即可添加班級(jí)。添加班級(jí)后，頁(yè)面會(huì)跳轉(zhuǎn)到“班級(jí)列表”，在“班級(jí)列表”頁(yè)面中可以查看和管理當(dāng)前系統(tǒng)所添加的班級(jí)。

1.1.4? 課程管理

對(duì)課程進(jìn)行管理，包括新建、修改和刪除。選擇專業(yè)（專業(yè)課程名稱）、系別、班級(jí)和老師后，點(diǎn)擊“設(shè)置課程表”按鈕可以設(shè)置課程，不同課程的重難點(diǎn)不同，實(shí)驗(yàn)教師需根據(jù)課程的知識(shí)點(diǎn)以及學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，因此需要管理員添加相關(guān)課程信息。

1.1.5? 教師管理

對(duì)教師的基本信息進(jìn)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(dú)操作也可批量操作。輸入教師賬號(hào)的詳細(xì)信息，系統(tǒng)會(huì)對(duì)所填信息進(jìn)行判斷，若都通過(guò)信息驗(yàn)證，即可點(diǎn)擊“確定”按鈕，完成添加教師用戶的設(shè)置。添加教師后，頁(yè)面會(huì)跳轉(zhuǎn)到“教師列表”，在“教師列表”頁(yè)面中可以查看和管理當(dāng)前系統(tǒng)所添加的教師。在“教師列表”頁(yè)面，系統(tǒng)提供三種查詢教師的方法：選擇系別，點(diǎn)擊“查詢”按鈕，篩選某個(gè)系別的老師；在輸入框中輸入關(guān)鍵字，點(diǎn)擊“查詢”按鈕，通過(guò)關(guān)鍵字搜索教師；選擇注冊(cè)時(shí)間，點(diǎn)擊“查詢”按鈕，篩選指定注冊(cè)時(shí)間區(qū)間的教師。導(dǎo)出表格后，根據(jù)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(tái)。

1.1.6? 學(xué)生管理

輸入學(xué)生賬號(hào)的詳細(xì)信息，系統(tǒng)會(huì)對(duì)所填信息進(jìn)行判斷，若都通過(guò)信息驗(yàn)證，即可點(diǎn)擊“確定”按鈕，完成添加學(xué)生用戶的設(shè)置。批量導(dǎo)出學(xué)生表格數(shù)據(jù)后，通過(guò)輸入表格中的學(xué)生ID和密碼進(jìn)行登錄，登錄后依照學(xué)生ID逐個(gè)添加學(xué)生。添加學(xué)生后，頁(yè)面會(huì)跳轉(zhuǎn)到“學(xué)生列表”，在“學(xué)生列表”頁(yè)面中可以查看和管理當(dāng)前系統(tǒng)所添加的學(xué)生。在“學(xué)生列表”頁(yè)面，系統(tǒng)提供三種查詢學(xué)生的方法：設(shè)置專業(yè)班級(jí)等篩選條件，點(diǎn)擊“查詢”按鈕，篩選某個(gè)班級(jí)的學(xué)生；在輸入框中輸入關(guān)鍵字，點(diǎn)擊“查詢”按鈕，通過(guò)關(guān)鍵字搜索學(xué)生；選擇注冊(cè)時(shí)間，點(diǎn)擊“查詢”按鈕，篩選指定注冊(cè)時(shí)間區(qū)間的學(xué)生。篩選出學(xué)生數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊“批量導(dǎo)出”按鈕，導(dǎo)出所有篩選出的學(xué)生賬號(hào)。如果要導(dǎo)出系統(tǒng)中所有的學(xué)生賬號(hào)，則不必設(shè)置篩選條件，直接點(diǎn)擊“批量導(dǎo)出”即可，導(dǎo)出表格后，根據(jù)表格中的ID和密碼，即可以“學(xué)生”角色登錄平臺(tái)。

1.2? 教師端與學(xué)生端

教師端和學(xué)生端均包括實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、練習(xí)和考試四個(gè)部分。

1.2.1? 實(shí)驗(yàn)部分

包括所有的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，教師可根據(jù)自己課程的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，該部分主要是對(duì)課題所涉理論知識(shí)的驗(yàn)證和補(bǔ)充，學(xué)生通過(guò)3D動(dòng)畫(huà)對(duì)電氣類相關(guān)設(shè)備、基本工具、安全防護(hù)等內(nèi)容有了一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，可為后續(xù)線下實(shí)操做好充足的準(zhǔn)備。

1.2.2? 實(shí)訓(xùn)部分

該部分為學(xué)生線上自己動(dòng)手訓(xùn)練的部分，老師在題目說(shuō)明模塊中結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況添加訓(xùn)練要求，學(xué)生可根據(jù)要求，從元件庫(kù)、線庫(kù)和儀表庫(kù)中選擇對(duì)應(yīng)的元器件進(jìn)行連接。

1.2.3? 練習(xí)部分

該部分主要是教師根據(jù)自己的學(xué)科特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容，有目的有針對(duì)性地選擇部分實(shí)操，讓學(xué)生自己動(dòng)手按要求完成實(shí)驗(yàn)。教師可以在該部分選擇需要學(xué)生線下實(shí)操的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，作為線上實(shí)驗(yàn)的練習(xí)部分，學(xué)生在實(shí)操之前，可以先在線上完成練習(xí)，規(guī)避錯(cuò)誤的操作，規(guī)范操作順序，不僅可以提高實(shí)驗(yàn)效率，還可以提高實(shí)驗(yàn)的安全系數(shù)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告也可在線上提交，教師提供實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，學(xué)生按照格式填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)此部分的練習(xí)，學(xué)生在完成線下實(shí)操后能夠大大提高動(dòng)手效率，實(shí)驗(yàn)效果也會(huì)有很大的提升，對(duì)線下實(shí)操起到很好的輔助作用。

1.2.4? 考試部分

教師可以根據(jù)課程要求開(kāi)展實(shí)操測(cè)驗(yàn)，包括獨(dú)立課程、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)等內(nèi)容。學(xué)生可根據(jù)提出的要求和給出的工具完成實(shí)操，教師根據(jù)學(xué)生的操作步驟給予相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，使教師可以更加客觀地評(píng)判學(xué)生對(duì)有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度及其動(dòng)手能力。

2? 關(guān)鍵技術(shù)

運(yùn)用多項(xiàng)技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)的搭建。

2.1? 多媒體技術(shù)

采用三維模型、三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的物理對(duì)象進(jìn)行仿真建模，讓實(shí)驗(yàn)者無(wú)論從視覺(jué)上還是聽(tīng)覺(jué)上都能獲得逼真生動(dòng)的體驗(yàn)。

2.2? Web技術(shù)

采用基于Web的開(kāi)發(fā)技術(shù)，支持虛擬實(shí)驗(yàn)的在線訪問(wèn)和運(yùn)行。

2.3? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

包含逼真的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、形象的設(shè)備以及與實(shí)物一致的元器件三個(gè)部分，其目的就是為師生提供逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為師生模擬準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為學(xué)生安全高效的線下實(shí)操提供保障。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境在質(zhì)感、光照、形態(tài)等方面都能達(dá)到逼真的效果，讓學(xué)生在線上實(shí)驗(yàn)時(shí)也能獲得身臨其境的感覺(jué)。同時(shí)，確保在旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)三維場(chǎng)或物體時(shí)，物體的中心點(diǎn)始終在原來(lái)的位置保持不變，也可對(duì)選中的物體進(jìn)行360°的全方位瀏覽。

2.4? 云計(jì)算技術(shù)

采用Web實(shí)現(xiàn)資源預(yù)約、資源調(diào)用和平臺(tái)訪問(wèn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的虛擬化管理和應(yīng)用，提高資源利用率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)中心的管理和建設(shè)成本，降低設(shè)備管理和維護(hù)的工作量，提高虛擬實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)能力。

2.5? 大數(shù)據(jù)技術(shù)

采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化收集、分析和處理，從所搜集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得新的發(fā)現(xiàn)，用以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，這樣可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的智能設(shè)計(jì)、智能輔助和智能評(píng)價(jià)等。

3? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1? 登錄界面

管理員需要在服務(wù)器上登錄系統(tǒng)，教師與學(xué)生的賬號(hào)由管理員提前導(dǎo)入，或者自行注冊(cè)，其登錄界面如圖2所示。

3.2? 管理員界面

根據(jù)學(xué)院的特點(diǎn)和要求設(shè)置管理員權(quán)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(xué)生端

3.3.1? 教學(xué)部分

教學(xué)部分不僅可以用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，也可以應(yīng)用于理論教學(xué)中，在講到某某內(nèi)容以對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，教師可以針對(duì)這部分內(nèi)容，邊講解邊演示，讓學(xué)生能夠更加直觀地理解和掌握相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。圖4為防火防爆電氣項(xiàng)目中滅火器的介紹，該項(xiàng)目包含電氣類設(shè)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(dòng)畫(huà)中不止有滅火器，還配有人形動(dòng)畫(huà)，師生可控制虛擬人操作滅火器，如操作錯(cuò)誤會(huì)出現(xiàn)提示，使師生可獲得更加直觀和深刻的操作體驗(yàn)。

3.3.2? 實(shí)訓(xùn)部分

模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)課程，結(jié)合我院工程實(shí)訓(xùn)課程的實(shí)際情況，不斷豐富實(shí)訓(xùn)課程的內(nèi)容，讓每一位學(xué)生都能獨(dú)立完成實(shí)訓(xùn)的全過(guò)程，打破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式和理念，更貼合社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，提升了學(xué)生的綜合實(shí)力。圖5為電子基礎(chǔ)項(xiàng)目中直流電源電路的安裝和使用，該項(xiàng)目包含直流電源電路可能涉及的所有元器件，學(xué)生可根據(jù)自己設(shè)計(jì)的電路選擇相應(yīng)的元器件連入電路，采用萬(wàn)用表測(cè)量對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證電路的準(zhǔn)確性，如結(jié)果錯(cuò)誤，則查找原因，修改電路，直至達(dá)到理想數(shù)值，即表明所連電路正確，此時(shí)可按照項(xiàng)目中所選的器件連接實(shí)物電路，確保實(shí)際操作的準(zhǔn)確性，同時(shí)也避免了由于選件或焊接等實(shí)操錯(cuò)誤而導(dǎo)致的時(shí)間、器件浪費(fèi)。

3.3.3? 練習(xí)部分

教師可以在練習(xí)部分選擇需要學(xué)生線下實(shí)操的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，完成對(duì)線上實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)鞏固。學(xué)生在實(shí)操之前，可以先在線上完成練習(xí)，規(guī)避錯(cuò)誤的操作，規(guī)范操作順序，不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率，還提高了實(shí)驗(yàn)的安全系數(shù)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告也可在線上提交，教師提供實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，學(xué)生按照格式填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。圖6為電機(jī)的裝配與拆卸練習(xí)，學(xué)生課后可隨時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行拆卸與安裝，以便對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)有一個(gè)更加深刻的了解。網(wǎng)上的練習(xí)不受時(shí)間、地點(diǎn)、次數(shù)的限制，使不同層次的學(xué)生都能得到多次的練習(xí)，能更好地掌握電機(jī)的工作原理，對(duì)電機(jī)有一個(gè)更為深刻的認(rèn)識(shí)。

3.3.4? 考試部分

考試部分由教師根據(jù)課程的特點(diǎn)和要求自行命題，包含常見(jiàn)的選擇、填空、簡(jiǎn)答、計(jì)算等題型，也可以讓學(xué)生進(jìn)行在線實(shí)操考試，包括獨(dú)立課程、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)等內(nèi)容，根據(jù)課程選擇不同的實(shí)操，如圖7所示。不同專業(yè)對(duì)“電機(jī)學(xué)”這門(mén)課所需掌握的知識(shí)點(diǎn)不同，側(cè)重點(diǎn)也不同，教師可根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)設(shè)置不同的電機(jī)實(shí)操，如電機(jī)的裝配、拆卸等。

4? 結(jié)? 論

采用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立一個(gè)開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，方便師生選課、練習(xí)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)。該平臺(tái)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制，彌補(bǔ)了實(shí)物實(shí)驗(yàn)固有的一些短板，減少了實(shí)驗(yàn)教師的工作量，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的工作效率，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可以為師生提供更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。

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作者簡(jiǎn)介：衛(wèi)昱含（1982.11—），女，漢族，吉林松原人，實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向：測(cè)試計(jì)量計(jì)算及儀器。

收稿日期：2022-12-23

基金項(xiàng)目：校級(jí)中青年扶持項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目（?？谱帧?020〕005）