高职实操课程交互式教学系统设计＊

王禾玲

(咸阳师范学院，陕西 咸阳 712000）

1 引言

交互式教学的特点是着眼于培养学生特定的、具体的用来促进理解的策略，灵活利用学生的理解能力与所学知识联系在一起。目前国内外已经涌现出一批优秀的教学系统，但在职业院校中只有针对理论开发设计的简单匹配程序[1]。国内大多构建基于APP 的交互式移动学习系统以满足“课堂教学+交互式移动学习系统运用”的混合式教学模式，如文献[2]根据教学交互理论中提出的即时反应、自动调节信息、自动反馈、选择性、双向通信、自定步调等计算机课件交互类型，在交互式教学视频中设计标签、反馈、分支、嵌入四种交互功能，可录制操作过程及在视频中嵌入问题，轻松创建具有反馈选项的复杂分支场景，链接多种格式媒体文件，创建各种交互式的远程学习内容；文献[3]建立复合式互动评价机制，依靠“云平台”智能化设计，包括完成数统计、程序自动解析等，将管理加入人性化考量，采用模块参与度及项目完成质量与在线评价相结合的方式。国外高等教育机构则采用基于学习管理系统的混合学习，在支持LMS 的混合学习环境中，根据技术相关的刺激响应理论框架设计系统。

以上各有特色的设计大多缺乏多模式设计及各模块的整合，因此此类系统设计均存在各自问题，如交互式教学模块建设仍然不够完善，离散结构课程实践教学模块开发的需求分析过分依赖网络互动，考虑到目前的教学系统主要以传统的课程教学模式为主，系统在运行过程中存在交互性低的问题，因此本文从硬件、数据库和软件三个方面实现对高职实操课程交互式教学系统的优化设计，以期提升教学系统的教学功能以及应用性能。

2 硬件系统设计

硬件设备的选型要遵循技术上先进、经济，课程中适用的原则，以及可行性、维护性、操作性等需求，以确定设备的最优方案[3-4]。硬件设备为教学系统数据存储以及教学功能的实现提供支持，并实现教学过程的可视化。为了提升系统的教学功能以及运行性能，在传统硬件系统的基础上，针对通信网络、微处理器、存储器等进行模块优化与改装，并对硬件系统的连接接口与电路进行调整。

2.1 交互通信网络

交互通信网络搭建的目的是为教学资源、实时教学数据以及最新的动态数据的传输提供技术支持，提升通信网络的传输性能和传输速率，进而提高系统的交互效率[5]。通信网络主要由客户端、服务器端和连接链路三个部分组成，具体的通信网络结果如图1所示。

图1 系统通信网络拓扑结构图

在通信网络中客户端也就是教学信息的主要接收端，客户端没有安装与形式的要求，可以在Web 服务器登录后通过内嵌的插件实现系统的登陆，具有实时教学视频播放、教学资源接收等功能。同时客户端也具有教学讯息发送、作业提交等功能，通常在客户端口安装数据传输协议以保证系统的安全运行，在HTTP 协议的约束下，客户端可以穿过防火墙将数据传输到系统服务器中。通信网络采用基于Windows的IIS服务器，被用于负责系统用户的注册、登陆、用户权限管理、系统管理以及信息发布等任务。在预设的管理机制下，客户端可以向系统提出任务调度申请，当服务器通过申请后网络内部自动生成一条传输链路，实现数据的快速传输与交互。另外还需要对网络中的交换机设备进行配置，分别定义2 个VLAN，改变其IP 地址但不修改掩码、接着在2个VLAN 之间增加路由，并使用“enable”命令激活路由功能。最后为交换机增加默认网关，输入“default”定义缺省路由，此地址也就是交互通信网络内路由器的IP地址。

2.2 微处理器

根据内核、工作频率、芯片片内存储容量来选择微处理器型号，系统微处理器内核的选择注定要是根据交互式教学系统要运行的操作系统要求，而系统的工作频率则很大程度上决定了微处理器的数据处理能力。常见的微处理器芯片系统主时钟频率的波动范围为20MHz-133MHz，不同的芯片对时钟的处理方式和效果不同[6]。一般来讲芯片内的存储容量都较小，需要在系统设计的过程中安装外廓存储器设备，因此在不考虑芯片片内存储容量的前提下，选择型号为S3C4510B 型号的ARM 微处理器，作为教学系统的中央处理器设备。

2.3 接口与电路设计

由于交互式教学硬件系统中的部分硬件设备的型号和运行机理可能会发生改变，有时需要调整硬件系统中的接口和电路的连接方式，保证硬件系统中的各个设备能够正常、协同运行。

2.3.1 微处理器芯片接口电路

选择的S3C4510B 微处理器芯片上共有208 只引脚，且每一个引脚均采用QFP封装，S3C4510B芯片引脚大体涵盖输入、输出和输入/输出三种类型，其中输出型引脚主要用于微处理器对外设定的控制或通信，而输入/输出类型的引脚是微处理器芯片与外设的双向数据传输通道。

2.3.2 电源电路

电源电路的设置目的是为硬件系统中的多个硬件设备提供稳定的电力支持，在交互式教学系统中结合各个设备的选型结果，需要使用5V和3．3V的直流电源。那么就需在传统电源电路的基础上安装一个变压器设备，实现5V 电压和3．3V电压之间的相互转换。

2.3.3 晶振电路

晶振电路主要提供工作时钟给系统CPU以及其他电路设备，晶振电路的设计连接结果如图2所示。

图2 系统的晶振电路图

在晶振电路的作用下，硬件系统以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，进一步有效控制由于高速开关时钟所产生的高频噪声。

2.3.4 其他接口电路

其他接口电路具体包括存储器接口电路、串行接口电路、JTAG接口电路、扩展板卡接口电路等。例如，串行接口电路为例使用RS-232-C标准，为串行数据传输总线标准，采用的是9芯D型插头进行连接。

3 高职实操课程交互式教学系统数据库设计

数据库为教学功能的实现提供充足的数据支持，是交互式教学系统的核心和基础。数据库设计的合理规范流程大致可划分为需求分析、概念结构设计、数据模型建立和数据库实施与维护四个步骤[7]。依据教学系统的需求，设计各个数据表用于保存相关数据，确立各个模块之间的实体关系，并得出数据库中各个主要数据模块的关系，如图3所示。

图3 系统数据表关系图

数据库表会按照类型存储对应的所有数据，此次设计的高职实操课程交互式教学系统中建立的数据库表包括学生用户信息表、实操课程介绍信息表、课程表信息表、信息公告信息表、例题讲解信息表、教学进度信息表、教师用户信息表、管理员用户信息表以及实操视频与音频资源信息表等。以教学系统中的问题答疑类型数据为例，该数据库表被用于保存学生在实操课程教学过程中提出的问题信息以及教师在后台管理回复的答疑信息，具体的设计情况如表3所示。

表3 问题答疑数据库表

同理可以得出其他类型数据库表的设计结果，将系统中产生的实时教学数据按照其类型，转换成相应的格式，并存储到相应的存储空间中，实现数据库的动态更新[8]。

4 系统软件功能设计

在高职实操课程交互式教学过程中，系统的主要功能有：课程学习、讨论问题、作业练习、远程视频课程、课程作业布置与提交。在软件系统中不同的用户具有不同的功能权限，具体设计的系统软件功能框架如图4所示。

图4 教学系统软件功能框图

结合不同用户角色设置对应的功能权限，并按照高职实操课程体系确定教学系统的课程内容。

按照实际操作的环境搭建对应的三维模型，采用3Ds MAX 8．0完成各种场景的建模工作。例如工业自动化设备的实际操作，需要在实验环境中搭建实操工作环境，并将操作界面与外设设备产生连接，当点击或敲击外设即可实现对虚拟场景的调度和操作，从而实现对操作过程的控制。

5 系统测试

系统测试将全面对系统中的各个模块进行测试，具体实现过程可以分为进度测试、测试人员、测试环境等步骤，最终得出关于系统功能和性能的测试结果。

5.1 系统开发工具与测试环境

高职实操课程交互式教学信息的发布与交流暂时托管于校园网络的Web 服务器上，该服务器型号为Windows 2000 Advanced Server+SQL Server 2000，服务器中的CPU设备和网卡设备分别为奔腾VI 2．4GHz 和10/100/1000M自适应网卡。实验中使用的系统客户终端的型号以中文Windows95/98/2000/NT/XP 的计算机设备为主，同时设置部分移动终端作为教学系统的客户端。设计的高职实操课程交互式教学系统一般在Windows XP Professional 环境下开发，在系统发布过程中将其移植到Windows2000 Advanced Server 环境中。对于交互式教学系统中软件部分的ASP文件代码，可以直接导入到记事本中进行辩解，最终存储为*asp格式的文件，而对于系统界面的制作与修饰，使用Macromedia Studio工具对系统前端显示效果的动画、页面和图形等效果进行专业加工并提供可视化的页面环境。另外为了保证系统软件程序的稳定运行，在主测计算机中安装C++运行工具，该工具可以调用*asp格式的文件，通过程序代码的读取实现系统的运行。

5.2 系统测试过程

此次实验分为两个部分，即系统功能的测试及系统性能的测试，其中功能测试的内容是测试用户登录、用户信息修改、管理员权限授予、教师开设实操课程、教师课程进度控制、学生选课、学生课程资源调用、学生虚拟实操环境控制、学生在线测试以及在线交互等功能的实现情况，并统计系统各个功能实现的成功率。而系统的性能测试目标是在不同数量用户同时在线的情况下，系统的功能运行速率的变化情况。结合此次系统测试的实验目的，设置系统测试的并发用户，在实验环境中导入教学数据并存储到数据库中，用户的基本信息如图5所示。

图5 交互式教学系统用户信息数据表

为了形成实验对比，还需在设计高职实操课程交互式教学系统的基础上，设置传统的教学系统和高职信息化教学中交互式学习平台作为实验对比，在系统的运行过程中保证系统开发工具、测试环境、用户并发数量以及用户操作的一致性。

5.3 系统功能测试结果

为了保证系统功能的正常运行，对系统中设置的所有功能进行测试。例如，人机交互功能和教师教学进度控制功能，其中交互功能就是学生与系统界面之间的人机互动，学生点击教学视频，观察系统界面的是否实现教学视频的播放与暂停；学生在虚拟实操环境下敲击键盘或鼠标，观察虚拟环境中的设备的运行状态或所在位置是否出现变化；学生在系统中的答疑模块留言，系统是否能够上传问题信息。

表4 系统功能测试结果

综合上述多步操作，4个交互式系统模块均可以显示输出预期的变化效果，即测试系统的交互功能运行正常。而教师对教学进度的控制可以分为教学安排的修改、教学内容的删改等，同理，统计记录所有的功能测试的输出结果与预期的结果作比对，便可得出功能测试结果。经过测试与数据统计，发现4种系统模块均能够顺利实现信息管理、交互等功能。

5.4 系统性能测试结果

根据系统性能测试的目的，分别设置6 组实验，并设置实验中用户同时在线的数量分别为10、20、30、50、100 和200，在不同的系统负载压力下，调取系统后台的运行数据，监测学生作业上传所需消耗的时间变化情况。为了保证实验变量的唯一性，学生上传作业的文件大小与内容均相同，经过数据统计与对比得出的性能测试结果如表5所示。

表5 系统性能测试结果

从表5中的数据中可以看出，随着系统中并发用户数量的逐渐增加，功能运行的平均时间开销逐渐增加，其中传统系统和高职交互平台设计系统的平均时间开销分别为26．35s和24．08s，而设计交互式教学系统的平均时间开销为19．48s，即设计系统在运行性能方面更加具有优势。

6 结束语

设计与开发高职实操课程交互式教学系统，不仅能够为学生的实践操作提供更多的机会和平台，同时也能够降低实操设备被损坏的概率，减轻教师以及设备管理人员维护设备的压力，改变原本被动的实操教学模式，充分提升实操课程教学的积极性和有效性。