实验教学过程管理平台设计与实现

马汉达，方 伟，洪华剑

（江苏大学计算机科学与通信工程学院，江苏镇江 212013）

0 引言

实验教学是提高学生实践能力和创新能力的有效途径，也是培养综合素质人才的重要环节，实验教学目标能否达成直接决定了人才培养质量［1］。建立科学的管理与评价机制，是进一步提高实验教学质量的重要途径。为了提高学生实验教学工作质量，应加强实验教学活动过程监控，将实验各环节纳入考核范畴，为科学地进行实验教学评价提供依据［2］。因此，分析实验教学中存在的问题，规范实验教学流程，开发通用的精细化实验教学过程管理平台以加强实验教学过程监控，是提高实验教学质量和实验教学管理信息化水平的必然趋势。

1 实验教学过程管理现状

本文实验教学过程指实验预习、实验操作过程、实验报告，是实验教学中的3 个阶段［3］，并不包括实验计划下达、实验教学任务落实、实验课程排课等环节。目前，大多数高校也认识到过程管理的重要性，但管理方法陈旧，依然是利用纸质签到本进行签到、签退，对整个实验过程的掌控也只是依靠实验教师人工进行，没有使用管理平台实现实验过程的监控管理。部分高校虽使用管理系统加强实验教学过程管理，但不具通用性，只是针对某个具体课程。

侯燕芝等［4］制定了教学过程规范化管理方案并加以实施，优化了实验教学活动各环节；田福平等［5］以加强实验过程管理和实验过程指导、强化实验教学过程评价、实验教学目标达成；李新伟等［6］分析目前本科实验教学过程中普遍存在的实验过程设计不尽合理、实验数据处理及实验报告质量等问题，提出了强化与规范实验教学过程的改进方法；吕念玲等［8］针对我国目前主要依靠教师进行实验教学活动过程管理现状，通过对过程要素的凝练及实验过程检测点的定位，提出使用人脸识别信息技术进行身份识别，研制智能电源，根据预习情况决定实验台电源的通断，从而提高学生实验预习效果。

实验报告作为实验教学重要的一环，很多高校依然使用实验报告纸填写，没有根据具体实验课程和实验项目定制实验报告模板，而且纸质的实验报告保存比较麻烦。有的高校虽然采用电子版的实验报告，但实验报告批改基本都是无痕的，学生只看到自己实验报告的分数，不知道自己的报告存在什么问题，这种无痕批改的报告不利于培养学生分析问题和解决问题的能力。

2 实验教学过程管理系统需求分析

2.1 实验教学过程管理必要性与可行性

在现有的实验教学模式下，教师对学生实验预习的评价主要是课前利用几分钟时间抽查，不可能了解每个学生的预习情况，因而考核不够全面准确；对实验操作过程的考核，通过指导教师根据实验过程的表现和对实验结果的质询加以考核，但由于教师要同时负责指导一个班或两个班的学生，无法关注到每一个学生在实验过程中的表现，且检查的先后顺序、质询的问题等对学生们而言也不是十分准确和公平；对实验报告的考核，主要通过实验报告的总结书写情况进行评定，由于存在抄袭情况，使得实验报告的评价也存在不合理现象。综上所述，在实验教学过程中，教师不能有效地跟踪学生的实验情况，缺少实验过程记录，没有规范的评价标准，给出的实验成绩区分度也不高，这样无疑会影响学生科学的实验态度。因此，亟需采用实验教学过程管理系统以改变实验教学评价现状［8］。

实验教学的重要性体现在对理论知识的验证、掌握和运用上，实验教学具有实践性、载体性、重复性及资源依赖性的特点，因此实验教学是一个重在过程的教学工作［9-10］。目前，计算机类专业的所有实验均以计算机或以计算机+相关实验设备为载体，因此在实验教学活动中，利用浏览器访问实验教学过程管理系统，对实验预习、实验操作过程、实验报告整个实验教学过程进行监控和公平公正评价是可行的［11］。

2.2 实验教学过程流程分析

实验教学过程管理系统有学生用户和教师用户，流程分析可分为学生实验过程流程和教师管理实验教学流程。本文以学生实验为例进行说明，学生登录系统后，可实现实验签到、实验预习测试、实验操作过程、完成实验报告、实验完成后签退等功能，学生实验流程如图1 所示。在整个流程中，实验预习测试、实验操作、完成报告并提交是关键环节，也是实验教学评价考核点。系统会根据预习测试通过与否决定是否进入下一流程，实验操作主要根据操作是否熟练、实验完成时间等评价实验操作过程；学生完成实验后，根据实验报告的要求回答实验中的相关问题并对实验进行总结；最后提交报告后签退。

Fig.1 The process of students’experiment图1 学生实验过程流程

3 实验教学过程管理系统设计

针对上述实验教学过程管理需求分析，使用流行的开发技术，按照B/S 三层架构式设计思想，将前后端完全分离，前端与后端通过接口进行数据通信，系统架构清晰、易于理解、可扩展性强，也减少了后期维护成本。

3.1 系统架构设计

实验教学过程管理系统整体架构可分为数据层、服务层和应用层。①数据层是整个系统中的数据源等基础数据，它支撑着整个系统的运行，主要包括学生数据、实验课程和实验项目相关内容而构成的数据库，系统数据库选用MySQL；②服务层主要实现数据缓存、数据传输、数据处理、信息反馈、数据管理五大功能，起承上启下作用；③应用层主要包含两大部分，分别是学生用户和教师用户功能。学生用户模块功能主要包括实验课程查看、实验签到、签退、预习测试、实验原理查看、实验报告填写等；教师用户模块功能主要有学生基础信息管理、学生考勤管理、学生实验报告管理、实验内容管理等。应用层重点是将学生端和教师端的各种管理功能展现给用户供其操作，也即前端页面显示，如图2 所示。

Fig.2 System architecture图2 系统架构

3.2 系统数据库设计

数据库是Web 信息管理系统的基础，对于一个Web的应用系统而言，数据库设计是针对给定的应用需求，根据数据库设计原则和规范建立数据库，使其能够有效地存储数据，满足其应用需求。

数据库设计得好坏直接影响到整个系统的性能，因此在进行数据库设计时，根据数据库的设计原理和实际应用场景，从表设计规范、索引设计规范以及SQL 编写规范等方面进行优化设计，如数据表表名、字段命名要规范，字段类型和宽度设计需合理，以及主键和外键设置、索引建立等应科学规范。为了保证数据的一致性、完整性，设计数据库时必须遵循一定的步骤、范式理论和基本原则，这样可避免数据冗余和增、删、改、查的异常。为避免数据冗余，必然会导致过多的表间关联，这也增加了表间连接查询等操作的开销［12］。因此，为了提高运行效率，有时适当的冗余是允许的，只要在数据冗余和处理速度之间找到平衡点即可。通过分析系统需求和功能，在设计该系统数据库时，从数据的高效性、可靠性和实用角度出发，设计了12个表。系统设计数据表及其功能描述如表1 所示。

Table 1 System design data表1 系统设计数据表

3.3 系统主要功能设计

系统主要功能有学生端功能和教师端管理功能两部分。学生用户登录系统，可以进行个人信息管理、课程查看、实验签到、实验预习测试、实验内容查看、实验报告填写、实验报告提交，以及查看实验成绩和下载实验报告等。教师用户登录系统，可进行学生信息管理、测试题管理、实验项目管理、实验报告批改、实验课程管理、学生成绩管理等。系统主要功能如图3 所示。

Fig.3 Main functions of the system图3 系统主要功能

4 实验过程管理系统实现

为了满足系统设计，系统后端采用PHP 语言的CI 框架。CI 框架是一个小巧但功能强大的PHP 框架，它基于MVC 结构、超轻量级、表单与数据验证、安全性与XSS 过滤、Session 管理等特性优点，可以方便地为设计人员开发功能完善的Web 应用程序。前端界面是人机交互接口，其设计好坏直接影响了使用者的用户体验。因此，前端采用HTML5+CSS3 技术，同时选用Vue.js［13］框架，vue.js 是构建数据驱动的渐进式Web 页面框架，它不仅易于使用，也很容易与第三方库集成，具有简单易用、灵活、高效等特点。

4.1 系统学生端功能实现

学生用户在浏览器中输入网址，在系统主界面上，点击“登录”按钮，输入用户名、密码，选择课程、实验项目即可进入实验教学过程管理系统，学生在系统监控下依次完成实验签到、预习测试、实验操作、报告书写与提交和签退全过程。在预习测试时，系统为每个实验设置了若干道测试题，在测试时，系统自动随机出题，并要求在规定时间内完成预习测试，测试通过后，才可进入下一步，否则退回重新预习再测试。实验操作时，根据每一个实验的实验原理和操作步骤，完成实验操作。对操作过程的评价由两部分构成：一是系统将反映过程的提交顺序与实验时间要素纳入评价指标，使用算法对操作过程进行客观评价；二是教师根据实验现场的学生操作表现，如实验操作的熟练程度、实验检查验收时回答问题情况和实验结束后仪器设备整理情况作出主观评价。对实验报告的评价，主要是根据实验报告的模板要求回答实验报告中的问题，使用在线批改方法进行批改。在整个学生实验过程中，系统会记录实验签到时间、预习测试成绩、实验报告完成情况等。此外，学生可以在已完成的实验中查看每个实验的实验预习得分、实验操作得分和实验报告得分，查看实验报告时可看到教师的评阅痕迹，有助于下次实验报告书写更规范。

4.2 系统教师管理端实现

教师端的管理功能有很多，本文以实验项目管理、实验报告批改、实验成绩管理为例简单说明实现方法。

4.2.1 实验项目管理

通过设计一个表单将实验项目有关属性，如项目名称、项目介绍、项目学时、预习测试时间、报告提交时限等按要求输入。实验项目管理界面详见OSID 码，点击实验项目后的“编辑”按钮可修改实验项目具体信息，还可以对实验内容进行编辑，修改和增加实验报告中需要完成和思考的内容；新增测试题和管理测试题，可以对实验预习测试的客观题进行管理。点击实验项目管理界面上的“开课”按钮，为该实验项目设置预习测试题数和分值，选择开课班级，则该班级的学生即可开始实验，单击“删除”按钮，则删除该实验项目，这些初始化的工作一般在实验开始前完成。

4.2.2 实验报告批改留痕

实验报告批改模块是采用在线留痕批改，实现方法是将实验报告中需要批改的题目装载到指定div 中，使用Ja⁃vaScript 技术，利用开源工具html2canvas 对指定页面元素截图，生成canvas 画布。在页面中添加按钮，点击“批改”触发批改模块。此时鼠标默认为画笔，可以进行圈圈点点；“前进”“后退”按钮用于批改过程中的撤销与恢复；鼠标在编辑区双击，弹出输入框，即可在输入框中输入批改的信息，输入完在编辑框外点击，即增加批注成功；点击“保存”将当前批改留痕。教师批改页面详见OSID 码。

4.2.3 实验成绩管理

实验成绩管理是本系统的一个重要功能，系统在处理学生实验成绩时强调过程考核的理念，因此按照规范化的实验教学过程处理学生每项实验成绩，按照系统设定关于实验教学过程的考核点并按考核要素完成实验预习、实验操作过程、实验报告3 项成绩，按照事先设定的权重和规定格式要求自动生成评价数据，极大方便教师对实验成绩的处理。在成绩查询与统计上，教师可通过系统按学期、班级、课程、实验项目等各种组合进行模糊查询，充分了解学生在实验中的学情信息，以便更好地改进教学。

5 结语

实验教学过程管理系统已应用于江苏大学2018 级计算机科学与技术专业4 个班的数字逻辑课程实验和通信工程专业3 个班的数字电子技术课程实验教学。实践表明，实验教学过程管理平台规范了实验教学从签到、预习测试、实验操作、填写实验报告到签退的整个实验流程，实现了实验教学全过程的自动化管理。它可以有效监控学生实验教学全过程，促进了学生对实验的深度预习，规范实验操作过程，提高了实验效率；同时教师通过该平台可有效地监控学生的整个实验过程，适时地为学生提供针对性指导，能更客观地评价学生的实验，有助于学生形成良好的学习氛围，调动学生实验兴趣，培养学生科学严谨的实验态度；实验报告的批改留痕，可以指导学生如何写好实验报告，提高问题分析和解决能力，这也是本系统的一个重要创新；实验结束后的实验成绩自动生成，然后通过导入操作完成教务系统的成绩录入，以前在实验教学结束需要几天才能完成的实验成绩处理工作，使用该过程管理平台后只需几分钟，即可完成所有实验成绩处理工作，极大提高了教师的工作效率。