技術(shù)報告網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)

1、計劃類別 項目編號 項目技術(shù)報告課題名稱 項目主持人 承擔單位 題目：網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)在實驗教學(xué)中有許多具有危險性和設(shè)備成本較高的實驗，針對這種情況，建立了網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。首先對該系統(tǒng)進行需求分析，選用Java語言開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采MySql。然后對需要實現(xiàn)的各個功能進行詳細設(shè)計，涉及主要算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、類結(jié)構(gòu)及其調(diào)用關(guān)系，最后進行編寫代碼和測試工作。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)所提供的功能不但使所用實驗的方式和器材更豐富，而且減少學(xué)校的資金投入和設(shè)備的維護和管理。同時也可以為學(xué)生提供了較好的自我學(xué)習(xí)的環(huán)境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的靈活性和自主性，教師也方便對其進行監(jiān)督、教學(xué)、統(tǒng)計成績和其他管

2、理。關(guān)鍵詞：虛擬實驗；數(shù)據(jù)庫；教學(xué)系統(tǒng)Abstract：There are many experiments with high risk and high equipment cost in experimental teaching.In view of this situation，a network virtual experimental teaching system is established.First，the requirement analysis of the system is carried out.The Java language is selected，and

3、 the database is MySql.Then，the functions that need to be implemented are designed in detail，involving the main algorithms，data structures，class structures and their calling relationships.Finally，coding and testing are executed.The network virtual experimental teaching system not only makes the exis

4、ting experimental methods and equipment more abundant，but also reduces the schools financial investment as well as equipment maintenance and management.At the same time，it can also provide students with a better self-learning environment，improve students learning flexibility and autonomy，and make it

5、 convenient for teachers with respect to supervision，teaching，performance statistics and other management.Keywords：virtual experiment；database；teaching system1 引言（Introduction）在現(xiàn)在生活和學(xué)習(xí)中，計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和計算機網(wǎng)頁編程技術(shù)的豐富，以及推出許多強大和高效的編程框架，使現(xiàn)在的網(wǎng)頁不但更加美觀，而且方便增加更強大的功能，這不但在日常生活中帶給了我們很大的便利，也同時帶給了辦公和學(xué)習(xí)上更高的效率1。因此我們決

6、定把計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和課堂虛擬教學(xué)結(jié)合起來，由此設(shè)計出了網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng)。為了使得本系統(tǒng)能夠在Windows/Linux/Mac OS各種操作系統(tǒng)，以及市面上主流的瀏覽器下運行，我們采用了Java和Javascript這些可移植性語言開發(fā)了計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。2 設(shè)計思想（Design concept）采用基于角色的設(shè)計，分為三個角色（教師、學(xué)生、管理員），不同的角色擁有不同的權(quán)限。采用MVC架構(gòu)把前端和后端分離開來，并將業(yè)務(wù)邏輯聚集到同一個部件里面，在修改和個性化定制界面及用戶交互的同時，不需要重新編寫業(yè)務(wù)邏輯2，3。前端采用Vue.js框架進行編寫，后端采用Spring+MyB

7、atis框架進行編寫，數(shù)據(jù)庫采用MySql數(shù)據(jù)庫。具體的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的用例見圖1。3 開發(fā)工具（Development tool）網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，前端頁面采用Vue框架，Vue是一套用于構(gòu)建用戶界面的漸進式框架。與其他大型框架不一樣的是，Vue被設(shè)計為可以自底向上逐層應(yīng)用。Vue的核心庫只關(guān)注視圖層，不僅易于上手操作，還便于與第三方庫或現(xiàn)存項目的整合4。另一方面，當與現(xiàn)代化的工具鏈以及各種支持類庫結(jié)合使用時，Vue也完全能夠為復(fù)雜的單頁應(yīng)用提供驅(qū)動。后端采用Java Spring框架，Spring是一個輕量級的、開源的框架和AOP（面向切面的編程）容器框架，通過對傳統(tǒng)O

8、PP設(shè)計方法的改進，進一步完善了重用性、靈活性和可擴展性5。Spring是非侵入式的，Spring不再用new的方式來創(chuàng)建對象，而是通過依賴注入的和面向接口實現(xiàn)輕松耦合，基于Spring開發(fā)的應(yīng)用一般不依賴于Spring的類6。Spring是為解決企業(yè)應(yīng)用程序開發(fā)復(fù)雜性而進行創(chuàng)建的，不僅僅局限于服務(wù)器端開發(fā)，任何Java應(yīng)用都能在簡單性、可測試性和松耦合等方面得到方便使用7。數(shù)據(jù)庫采用的是MySql，MySql數(shù)據(jù)庫是一個高性能且相對輕量的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，與一些更大系統(tǒng)的設(shè)置和管理相比，其復(fù)雜程度較低，操作方便、簡單靈活。而且MySql是完全免費的軟件，既節(jié)省了大量資金，也為以后維護降低了成本，便

9、于軟件的維護，MySql運行速度很快4。MySql可能是目前能得到的最快的數(shù)據(jù)庫。MySql可運行在多種版本系統(tǒng)上（如Linux和Windows）。MySql可運行在從個人電腦端到高級的服務(wù)器上。而且MySql可以搭建成數(shù)據(jù)庫集群，增加軟件的穩(wěn)定性8，9。4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計（Functional structure of system）虛擬教學(xué)系統(tǒng)相對比以前傳統(tǒng)的課堂，可以減輕學(xué)生在課堂中的任務(wù)和壓力，學(xué)生可以更加靈活運用課余時間做好預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，并按照教師分配的任務(wù)和作業(yè)及時完成實驗內(nèi)容，通過這種方式就可以在線上完成教師不值得任務(wù)。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)可以按學(xué)生自己的進度來學(xué)習(xí)，遇到不會

10、的地方可以多次觀看，直到理解教師講的知識點，再繼續(xù)下面的學(xué)習(xí)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加的靈活，教學(xué)的效果也越來越好。學(xué)生還可以下載所需要的教學(xué)材料，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題有也可以及時通過本系統(tǒng)向教師提出問題，避免了因為下課十幾分鐘的時間緊迫，造成教師講的太快，學(xué)生沒有聽懂的情況。同時學(xué)生還可以選擇自己專業(yè)之外的課程來，消除了學(xué)生對其他課程感興趣，卻不方便去“蹭課”的煩惱。提供多方面的學(xué)習(xí)機會，在大學(xué)期間不但可以更好的學(xué)習(xí)專業(yè)課程，同時豐富了自己的課外知識，使學(xué)生更加全面的發(fā)展，更好的成長自己。教師可以更方便的上傳和查看自己的課件，同時學(xué)生可以下載上課中的講義和演示文稿以便學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，學(xué)生的作業(yè)也可

11、以及時給出需要修改的錯誤和建議，可以在課后明確分配任務(wù)，不會造成學(xué)生聽錯和混淆的情況。學(xué)校可以把更加優(yōu)秀的教師資源同步全體的學(xué)生，使學(xué)生能得到更加優(yōu)秀的教育資源，避免了因為教師資源不同而使學(xué)生所學(xué)知識和成績造成比較大的差異的情況，同時減輕教師的工作量。登錄模塊提供用戶的登錄和注冊的功能，教學(xué)模塊實現(xiàn)教師端的疑難解答、作業(yè)批改、查詢進度、課程上傳的功能，選課模塊實現(xiàn)教師選所要教授的課和學(xué)生學(xué)習(xí)的課程。學(xué)習(xí)模塊實現(xiàn)學(xué)生的作業(yè)提交、疑難解答、課程學(xué)習(xí)的功能。個人信息實現(xiàn)教師和學(xué)生的詳情信息，方便互相了解。資源管理模塊實現(xiàn)課程資源的上傳和下載功能。首頁提供用戶登錄之后跳轉(zhuǎn)的頁面，實現(xiàn)通知、其他臨時信息

12、的顯示和學(xué)習(xí)進度的顯示的功能，具體功能結(jié)構(gòu)劃分見圖2。5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計（Design of database）根據(jù)系統(tǒng)需求分析的需求，建立如圖3所示的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫達到BC范式的要求，即所有非主屬性對碼都是完全函數(shù)依賴，所有的主屬性每一個不包含它的碼也都是完全函數(shù)依賴的，沒有任何屬性完全函數(shù)依賴于非碼的任何一組屬性9。同時考密碼的安全性，在MySql支持AES_ENCRYPT（） 和 AES_DECRYPT（）這兩個函數(shù)的情況下，可以對密碼進行加密和解密，有效的保護用戶的密碼，防止密碼丟失和被不法人員的竊取，以免造成用戶隱私的丟失。具體數(shù)據(jù)庫設(shè)計見圖3。6 實施與實現(xiàn)（Execution and

13、 implementation）（1）登錄模塊：登錄和注冊在同一個頁面，當點擊登錄按鈕就跳轉(zhuǎn)登錄界面，點擊注冊變按鈕成注冊頁面，賬號的格式為數(shù)字格式的學(xué)號，密碼為大于四位小于十六位的數(shù)字和字母的集合。（2）首頁：首頁顯示當前的發(fā)布的最新發(fā)布的消息和選課的信息，是學(xué)生、教師、管理員的公共模塊。（3）教學(xué)模塊：教學(xué)模塊是教師的專有模塊，主要功能有上傳課程、進度查詢、作業(yè)批改、疑難解答、課程上傳分為上傳教師所教授的視頻文件，上傳教師在課程上所需要的演示文稿（.ppt文件和.pptx文件）和課程講義（.doc文件、.docx文件和.pdf文件），進度查詢可以查到所選課程的所有的學(xué)生的進度情況，作業(yè)批改

14、可以查看學(xué)生上傳的作業(yè)（.doc文件和.docx文件）格式，并進行批閱打分。疑難解答可以對學(xué)生提出的問題進回復(fù)，并和學(xué)生進行討論。（4）學(xué)習(xí)模塊：學(xué)習(xí)模塊分為課程學(xué)習(xí)、疑難解答、作業(yè)提交三個模塊，課程學(xué)習(xí)分為進度查詢、課程學(xué)習(xí)、課程介紹，進度查詢可以及時查看所選課程學(xué)習(xí)的進度信息，課程學(xué)習(xí)是播放教師上傳的課程的視頻文件，并實時記錄所學(xué)的進度。課程介紹可以了解到所學(xué)的課程的大體信息，疑難解答和教師的疑難解答模塊對接，學(xué)生可以提問題，分享學(xué)習(xí)的心得、好的經(jīng)驗和技巧內(nèi)容的不足之處。（5）選課模塊：學(xué)生選課模塊顯示學(xué)生當前選到的課程，和管理員已經(jīng)發(fā)布的課程，學(xué)生可以根據(jù)需要去選擇要學(xué)的并且已發(fā)布的課程

15、。（6）個人信息：個人信息可以查詢到學(xué)生的姓名、性別、院系、班級、學(xué)號等其他的基本信息，教師的姓名、性別、院系、工號等其他基本信息。（7）資源管理：資源管理可以下載到教師所上傳的所有課程文件和管理員發(fā)布的文件或應(yīng)用程序。7 運行效果及特點（Operation results and features）本系統(tǒng)充分整合學(xué)校信息化實驗教學(xué)資源，以培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力和創(chuàng)新能力為己任，開發(fā)與應(yīng)用軟件用來共享虛擬實驗、儀器共享和遠程管理虛擬實驗等教學(xué)資源，擴大實踐領(lǐng)域，提高教學(xué)能力和效率，降低成本和風(fēng)險，實踐更方便和靈活，師生交流更加方便和快捷，增加教學(xué)的安全性，開展綠色實驗教學(xué)。運行效果：通過這些設(shè)計

16、，采用相關(guān)的框架進行編碼、調(diào)試、測試、完成了網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，其中學(xué)生學(xué)習(xí)的主界面見圖4。8 結(jié)論（Conclusion）虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng)的開發(fā)，為學(xué)生提供了一種新的實驗學(xué)習(xí)模式，使的以前實驗環(huán)境不具備的情況下可以較好的虛擬實驗環(huán)境，并通過模擬給予實現(xiàn)，有效的解決了教學(xué)中許多較難實現(xiàn)的實驗內(nèi)容無法完成的問題。不僅增加了實驗教學(xué)的效率，而且也提高了實驗效果，并為學(xué)生提供了較好的自我學(xué)習(xí)的環(huán)境，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的靈活性和自主性。參考文獻（References）1 Lee C H，Zheng Y L.Automatic SQL-to-NoSQL schema transformation over

17、 the MySQL and HBase databasesC.Consumer Electronics-Taiwan（ICCE-TW），2015 IEEE International Conference on.IEEE，2015：426-427.2 Krl K，Szomorova L.The possibilities of using chosen jQuery JavaScript components in creating interactive mapsJ.Geomatics，Landmanagement and Landscape，2015（2）：45-54.3 Kolasa P，Janowski M.Study of possibilities to store energy virtually in a grid（VESS）with the use of smart meteringJ.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2017，79：1513-1517.4 瘋狂軟件.Spring+MyBatis企業(yè)應(yīng)用實戰(zhàn)M.北京：電子工業(yè)出版社，2017：51-55.5 Ni