一种基于Web的虚拟实验教学平台的设计与实现

周胜明

摘要：随着网络技术和虚拟技术的快速发展，虚拟实验教学已经成为提高实验教学质量、加强实践教学的重要手段。分析了现有虚拟实验教学中存在的问题，并提出了虚拟实验教学平台概念。然后研究了基于此平台的实验管理系统的功能模块结构，并详细阐述各个功能模块的设计。系统采用Struts、Spring、Hibernate组合框架进行开发，具有良好的可扩展性和可维护性等特点，通过集成实验自动批改功能，为用户提供了一个方便友好的虚拟实验教学环境。

Abstract： With the rapid development of network technology and virtual technology， virtual experiment teaching has become an important means to improve the quality of experimental teaching and strengthen practical teaching. This paper analyzes the existing problems in the teaching of virtual experiment， and puts forward the concept of virtual experiment teaching platform. Then the functional module structure of the experimental management system based on this platform is studied， and the design of each function module is described in detail. The system uses Struts， Spring， Hibernate combination framework to develop， and has good scalability and maintainability and other characteristics. Through the integrated experiment automatically modifcation function， it provides users with a convenient and friendly virtual experimental teaching environment.

关键词：虚拟实验；实验管理；虚拟实验教学；自动批改

Key words： virtual experiment；experimental management；virtual experiment teaching；automatic correction

中图分类号：TP391.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0187-02

0 引言

近年来，由于虚拟技术和网络技术的飞速发展，通过信息网络构建的虚拟实验室已经成为可能。现有虚拟实验教学缺乏统一的平台和标准，发展中存在许多问题：①目前的虚拟实验绝大多数针对某门课程进行设计，同一学科内没有形成系列化的虚拟实验课程体系；②现有实验设备的共享还仅局限于较小的地域范围和较窄的专业领域，开放性和实用性都还不够；③各高校开发的虚拟实验平台，实验操作真实感不强，难以展现真实的实验环境，缺乏沉浸感[1-2]。

针对以上不足，提出并设计了一种虚拟实验教学平台（Virtual Experiment Education Platform）。该平台具有良好的交互性、可扩展和安全性，实现了实验管理和智能指导功能，为教师和学生提供一个集成实验设计环境[3]。

1 系统的模块结构

实验管理系统的主要任务就是整合各种实验并对实验资源统一管理，并为学生老师提供一个良好的虚拟实验教学环境，系统的模块结构如图1。

2 功能模块设计

实验管理系统的实验用户主要有四类角色，学生、教师、教务员和管理员。管理员主要功能有实验资源管理，用户管理和实验论坛管理；教务员主要负责班级实验课程分配和管理，预约实验管理和成绩审核管理等；教师主要功能有发起学生的实验任务，制定實验批改规则，批改和提交学生成绩等。

2.1 实验资源管理

虚拟实验平台的最大特点就在于它的开放性和可扩展性，它将整合各种类型的虚拟实验。由于这些旧虚拟实验采用的开发技术是多样的，在前台与后台进行数据交换时就需要不同的接口处理；这些旧实验对浏览器的支持也是各不相同的，为了方便用户操作，需要对旧实验的支持的浏览器进行说明；而且有的实验是有后台的，有的没有，以及实验界面显示时插件在浏览器中的高度和宽度都要在用户调用实验时明确规定。

2.2 实验课程管理

实验课程管理系统的教务员、教师、学生的功能设计如图2所示。学生的每次实验需要通过平台的预约实验系统，首先教务员发布实验任务的预约信息，规定了实验名称、班级、教师和时间等信息，然后该教师再发起该班级的实验，这样这个班级的学生就可以完成此次实验任务了；教务员还需负责为每个班级的每门实验课程分配一名教师；教师通过自动批改系统批改学生的实验，并将实验成绩提交给教务员，教务员审核无误后才是学生的最终实验成绩。

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2.3 实验用户管理

对于批量的注册用户，系统增添了用户的批量导入功能，按照不同的角色划分批量导入用户信息，支持常用的Excel表格形式；管理员角色也可以对用户实现增加、删除、查找和修改基本操作，同时可以为每个用户分配和修改角色。

2.4 实验自动批改

为了进一步提高实验教学的质量和效率，平台提供了实验自动批改功能。实验自动批改的流程如图3所示，分为以下步骤：首先教師根据标准答案实验场景中构件的属性值和之间的连接关系等等来获取评分点，然后选择评分点并为这些评分点分配一定的分值，再将此评分规则保存到数据库中，最后按照此评分规则来自动批改学生实验，并最终得到批改成绩。

2.5 实验论坛

实验论坛为学生和教师提供了提问和解答的平台，论坛版块按照实验科目下的实验课程种类来划分，学生做实验遇到的问题都可以在相应的版块提出问题，老师登录论坛后会对问题做出解答；并且论坛还提供了一个FAQ版块，用户可以在上面搜索常见到的问题及其解答。

3 系统实现技术

实验管理系统的Web服务器操作系统采用的是Linux，Linux在很多方面具有优良的特性。Web服务容器采用的是Apache+Tomcat分工协作服务器架构，Apache作为服务器负责静态内容的分发，Tomcat作为WEB应用服务器在幕后处理动态请求。为提高服务器和其他资源的利用效率，服务器采用了基于请求分配器（Dispatcher）的Web服务器集群[4]。

3.1 开发技术构架

系统开发框架采用的是J2EE框架结构下Struts+Spring+Hibernate组合框架，它具有三层结构，分为表现层、业务逻辑层和持久层。表现层采用的是传统的JSP技术，并采用Struts的MVC结构负责控制业务逻辑层与表现层的交互，调用业务逻辑层的Service组件；业务逻辑层负责实现业务逻辑，以DAO层为基础，通过对DAO组件的正面模式包装，完成系统所要求的业务逻辑；持久层，负责与持久化对象交互，该层封装了数据的增、删、查、改的操作。

3.2 自动批改实现技术

本系统要实现的自动批改系统将引入基于规则引擎的专家系统来提高自动批改的智能性，通过把数据、知识库和程序控制进行分离，使基于知识库的规则部分独立于计算机程序，降低了主观题自动批改的复杂性。专家系统通常由人机交互接口、知识库、解释器、综合数据库、黑板、推理机几个部分构成

4 结论

本文开发的虚拟实验管理系统为各个学科的实验资源整合提供了一种解决思路，采用Struts+Spring+Hibernate组合框架，提高了系统的可扩展性和可维护性，解决了虚拟实验资源管理，课程管理和自动批改等一系列关键问题。

参考文献：

[1]李耀麟，张吕彦.虚拟实验的研究现状及其发展前景[J].陇东学院学报.2009，20（2）：118-121.

[2]孙燕莲，文福安.虚拟实验教学的探索与实践[J].现代教育技术，2009，19（4）：131-132.

[3]蒋文斌，金海.面向服务架构的虚拟实验教学研究，中国计算机学会通讯，2010.

[4]李刚.大型门户网站是这样炼成的[M].北京：电子工业出版社，2010：891-907.