基于Web技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统设计

殷建军，尹 令

（华南农业大学 数学与信息学院，广东 广州 510642）

0 引 言

为了创新教育模式，提升教育系统，我国利用计算机技术构建远程辅助教学系统，发挥计算机的优势，辅助教师和学生进行教学和学习[1]。Web技术是一种应用广泛的分布式应用解耦，用于实现客户端和服务端之间的信息交流，采用应用程序、脚本程序、插件技术实现更强大的信息交流[2]。

传统的辅助教学系统故障较多，连接不稳定，因此为优化传统远程辅助教学系统的不足，本文以Web技术为基础，设计一种基于Web技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统，从硬件和软件两个角度出发，详细地设计了系统的物理设备和应用程序，对于提升教学效果、加强教师对学生的评估、为学生提供良好的远程教学网络环境具有重要意义，更能促进Web技术的进一步发展。

1 基于Web技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统硬件设计

计算机是实现基于Web技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统是物质基础，在进行远程辅助教学的过程中，计算机是教师与学生之间的交流媒介。计算机远程辅助教学逻辑如图1所示。

图1 计算机辅助教学逻辑图

系统的硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构

1.1 存储器设计

存储器即为指令保存器，主要用于存储教师所发出的多条指令与学生所回复的多条指令，因此该硬件分为教师端存储器与学生端存储器两种，但作用却是相同的。存储器的主要作用为增强嵌入式计算机远程辅助教学系统的整体续航能力与抗干扰能力。在该系统的应用过程中，存储器首先会将接收到教师所输入的代码指令进行依次排版与复刻，然后传输到该系统的下一硬件中，当所接收到的代码指令过多或者过于繁琐而无法一次性地进行传输时，存储器则会对没有完成传输的代码指令进行保留，并时刻把持这些代码指令的完整性与活跃性。在正在传输的代码指令完成传输后，存储器才会将保留的代码指令依次地再次进行传输，并保证前后二者的完美衔接，其衔接误差不会高于0.001 s，因此不会对本文设计的远程辅助教学系统造成影响。而针对学生的代码指令，该硬件也会起到相同的作用，即在完成代码指令完全传输的同时保证所有指令的完整性与连续性[3-4]。存储器参数如表1所示。

表1 存储器参数

1.2 中央处理器

中央处理器又名CPU，是本文设计系统的核心硬件之一，该处理器主要由三个单元组成，分别为算术逻辑单元（ALU）、控制单元、输入/输出单元。CPU的具体组成结构如图3所示。

图3 中央处理器组成结构

该硬件处理器在工作的过程中，首先会通过算术逻辑单元（ALU）不断地接收两端存储器所发送的代码指令，并将这些指令单元化，而之所以会单元化是因为经过单元化的指令会更好地融入到中央处理器的整体运行当中，大大地提高中央处理器的整体运行与工作效率[5-6]。

处理器参数如表2所示。

表2 处理器参数

算术逻辑单元（ALU）的主要作用是对所有的单元化代码指令进行运算与比较，最终进行排版的功能模块，它会在计算的过程中先逐步列出该单元化代码指令的所有可能项，再进行逐步地排除，最终得到最为确定的单元化代码指令可能项。当所有的单元化代码指令都确定完毕后，算术逻辑单元（ALU）会将这些单元化代码指令进行整合得到集合M，再将集合通过传输/输入单元交给控制单元进行处理[7]。

控制单元是主要负责管理单元化代码指令的整体动作的功能模块，当控制单元接收到单元化代码指令集合M后，它会根据顺序将集合M中的单元化代码指令进行分解与剖析。最终将得到的数据进行动作化处理进而得到最为明确的单元化代码指令，再传输给两端的存储器以供双方接收与回应[8]。

1.3 输入设备和输出设备

本文所设计的计算机远程辅助教学系统中的输入设备和输出设备分别为教师端输入/输出设备与学生端输入/输出设备，输入设备的主要作用为将存储器的代码指令传输给该系统的中央处理器供其进行计算分析，而输出设备的主要作用则为将中央处理器的单元化代码指令集合M传输给存储器，与输入设备不同的是输出设备具有将单元化代码指令集合M转化为代码指令集合N的数集化转换器[9]。

2 基于Web技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统软件设计

程序是基于Web技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统的主导，学生和教师通过运行在计算机中的程序实现交互，通过编写程序可以对整个辅助教学流程进行控制，从而实现教学功能。因此本文在系统硬件的基础上，设计相关的软件配合硬件协同工作，其中主要的软件设计包括基于Web技术的Web服务器和基于Web技术的数据库[10-11]。

Web服务器是目前使用最广泛、性能最全面的一种服务器，以Web技术为基础，指在相应网络环境下为基于Web技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统提供教学信息浏览的一种计算机程序，学生与教师之间可以通过服务器发送教学请求、教学文件等数据信息。一般来说，Web服务器包括建立连接、发送请求、发出响应以及关闭连接等四个工作过程，其工作原理如图4所示。

图4 Web服务器的工作原理

图4中，建立连接是通过网络协议连接Web服务器和浏览器，用户可以登录浏览器查看是否建成连接[12]。发送请求是指用户通过浏览器向Web服务器发送请求，例如登录请求、访问请求、教学请求等各种所需要的请求。Web服务器在接收到请求后，利用相关算法对请求进行计算和处理，最后将结果通过网络协议传输到浏览器中，并在显示结果的同时显示请求内容。在结束响应后，断开Web服务器与浏览器之间的连接，对Web服务器进行维护和升级[13]。

数据库是存储教学相关信息的电子化文件柜，教师端和学生端可以对数据库中的文件进行增加、下载、更新以及删除等操作，根据系统需求可将数据库分为在线学习数据库和在线考试数据库两种形式，分别存储学生和教师的在线学习数据和在线考试数据。为了更清楚地展示数据库各类信息之间的属性，使其概念化，采用E-R图对其基本属性进行描述。具体的基于Web技术在线学习数据库E-R图如图5所示。

图5 基于Web技术在线学习数据库E-R图

通过观察图5可以清楚地了解到，在线学习子系统数据库由较多的表组成，分别为班级、测验、答案、公告、管理、教程、教程编号、教师、问题、系统设定、用户、资料表[14]。其中“班级”每个表都具有特殊的意义，这些表分别代表学生的个人信息、平常测验成绩、教师教学笔记等一些必要的资料。每张表的数据管理员都可以根据学生的学习情况进行数据的增加与删减。基于Web技术的独特优势是，在学生学习过程中，如果中途出现其他属性的改变，通过进入数据库系统，更改相对应的属性特征，就可以保留之前学习过程中的数据，又可以继续进行新模式的学习[15]。

基于Web技术的在线考试数据库E-R图如图6所示。

图6 基于Web技术在线考试数据库E-R图

本文设计的基于Web技术远程辅助在线考试子系统数据库由12个表组成，如表3所示。

表3 数据库子系统表格

考试子系统数据库和学生在线学习子系统数据库具有相同的特性，管理员可以随时更改各个表的属性、数据内容，以便达到基于计算机技术远程辅助的目的。其中，学生考试子系统数据库最独特的优势是对于存储系统内部的考试题，自由管理员通过指纹认证才可以查看，通过密码是不可以查看的，这样就保证了学生考试的公平。另一方面基于Web技术的学生考试子系统数据库可以对学生考试卷子的部分客观题进行批阅，减少了教师的工作，提高教师教学的效率。

3 实验研究

为了验证本文提出的基于Web技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统的有效性，将本文系统与传统的基于数据挖掘技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统和基于信息分析的嵌入式计算机远程辅助教学系统进行实验，对比教学范围和辅助时间。

设定实验参数如表4所示。

表4 实验参数

根据上述实验参数进行对比实验，分别针对不同的难度比例进行教学辅导，对比辅助范围。得到的实验结果如表5～表7所示。

表5 知识点难度较难时教学系统范围 %

表6 知识点难度适中时教学系统范围 %

表7 知识点难度较易时教学系统范围 %

根据表5～表7可知，本文提出的基于Web技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统能够有效扩大系统辅助范围，针对不同的知识点采取不同的辅助方式，知识点难度不同时，传统的辅助系统辅助范围远远小于本文提出的辅助范围。

本文提出的教学系统与另外两种对比系统的辅助时间实验结果如图7所示。观察图7可知，相较于传统辅助教学系统，本文提出的辅助教学系统辅助时间更短，能够在短时间内分辨信息，实现辅助，具有极强的辅助能力，辅助效果更好，更适用于实际应用。

图7 辅助时间实验结果

4 结 语

本文以Web技术为基础，设计一种基于Web技术的嵌入式计算机远程辅助教学系统，以计算机为媒介，以软件程序为主导，详细设计了存储器、中央处理器、输入/输出设备等物理基础以及Web服务器和数据库等应用程序，实现了远程嵌入式辅助教学系统，为学生远程在线考试、在线学习提供了便捷，不仅使教师更准确清楚地了解学生的真实能力，对其进行准确评估以便制定合理的教学方案，更使学生在家就能够获得更好的教育资源，为其提供良好的教学环境。