基于多媒体和网络技术的重点高校实验室智能教学系统设计

2021-11-06牛立刚

现代电子技术 2021年20期

马健，牛立刚，李昕

（吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春 130012）

0 引言

重点高校实验室智能教学系统的研究背景具体如下：在我国高校实施的素质教育中，实践教学占据重要地位[1]。不断对高校实践教学的方法和内容进行改进，寻找更加科学的教学手段，是目前提升高校培养人才水平的重要指导方针。特别是对于着重培养实践型人才的重点高校而言，更是需要提升对实践教学的重视程度。而作为学生实际应用所学理论知识的场所，实验室往往是重点高校实施实践教学的主要地点[2]。同时实验室教学也是培养学生综合能力和创新能力的重要教学手法，对于高校科研水平的提升也有重大意义[3]。重点高校实验室智能教学系统就是在此背景下诞生的，这种系统能够丰富重点高校实践教学的手法和内容，对于高端实践型人才的培养有重要意义。

对于重点高校实验室智能教学系统的研究，国内外都十分重视，例如通过系统智能化水平的提升来带动高校实践教学水平的升高[4]。其中国外早在20 世纪60 年代末就开始对重点高校实验室智能教学系统进行研究，在90 年代系统的应用已经较为普及。有学者提出一种基于自动化管理技术的重点高校实验室智能教学系统，主要基于自动化管理技术实现重点高校实验室智能教学系统的搭建。而国内对于重点高校实验室智能教学系统的研究则起步较晚，并且实验室的建设状况也较为落后。但仍取得了多样化的研究成果，有学者提出一种基于SOA 框架的重点高校实验室智能教学系统，主要基于SOA 框架对重点高校实验室智能教学系统进行搭建。由于以上系统还存在教室重叠排课个数较多的问题，所以本文设计基于多媒体和网络技术的重点高校实验室智能教学系统。

1 设计基于多媒体和网络技术的重点高校实验室智能教学系统

1.1 硬件设计

基于多媒体和网络技术的重点高校实验室智能教学系统的硬件构成为客户端模块，由客户端和服务器组成，具体技术指标如表1 所示[5]。

表1 客户端模块具体技术指标

1.2 软件设计

1.2.1 设计管理教学资源模块

基于多媒体和网络技术的重点高校实验室智能教学系统的软件构成包括：管理教学资源模块、安排实验课程模块、自主学习模块、管理设备模块、数据库模块[6]。

基于多媒体和网络技术设计管理教学资源模块，其主要功能是进行实验室教学资源的管理，模块图如图1 所示[7]。

图1 管理教学资源模块的模块图

如图1 所示，全部实验室教学资源都统一进行储存，系统中学生用户能够随时对资源进行查询与播放，能够更加充分地利用实验室教学资源[8]。

1.2.2 设计安排实验课程模块

安排实验课程模块的单元构成包括用户管理单元、实验室申请单元、实验室安排单元、统计分析单元、数据库操作单元、报表输出单元以及模块维护单元。各单元的具体功能如表2 所示[9]。

表2 各单元的具体功能

安排实验课程模块主要利用排课算法进行排课，其排课流程具体如图2 所示[10]。

图2 排课流程

1.2.3 设计自主学习模块

自主学习模块主要用于学生进行课前的自主学习。该模块包括以下功能：在线讨论功能、课前练习功能、视频学习功能以及查看公告功能[11]。

其中在线讨论功能指的是在学生进行课前学习的过程中，对于自身的想法与疑问能够利用留言板与教师和其他同学共同交流[12]。在留言板中，学生能够点评或回复其他学生的留言。

课前练习功能指的是学生观看预习视频后，需要进行针对性的实践练习[13]。实践练习的部分是由教师进行设计的，在设计中需要对课堂练习的难易程度与数量进行把握，主要针对本节实验室教学内容进行练习。

视频学习功能是指学生可以提前了解本节教学内容，以便更加熟练地进行实践。

查看公告功能指的是教师发布公告后学生可以进行查看，以便了解课程安排等相关信息。

1.2.4 设计管理设备模块

管理设备模块主要用于对使用实验室设备的相关业务进行处理，由设备审批单元、设备借用单元、设备报废单元、设备维修单元、设备信息单元构成。

其中设备审批单元主要用于对设备的借用、报废、维修实施审批或审核处理，以对设备进行监管，该单元只能由管理人员进入[14]。

设备借用单元主要用于对实验室外借设备的情况进行详细记录，以便规范归还和外借设备的流程，完善设备的监管过程。

设备报废单元主要用于对实验室报废设备的情况进行详细记录，以便规范报废设备的流程，确切了解在用设备的具体数量。

设备维修单元主要用于对实验室维修设备的情况进行详细记录，以便及时获取设备状态与管理员的实际工作情况。

设备信息单元主要用于对实验室各设备的状况与信息进行详细记录[15]。在模块中会为各实验室分配一个对应的管理员，每个管理员可同时对多个实验室进行管理。

1.2.5 设计数据库模块

数据库模块由教学资源表、课程信息表、班级信息表、用户信息表等数据库表构成。其中教学资源表结构具体如表3 所示。

表3 教学资源表结构

课程信息表结构具体如表4 所示。

表4 课程信息表结构

班级信息表结构具体如表5 所示。

表5 班级信息表结构

用户信息表结构具体如表6 所示。

表6 用户信息表结构

2 实验验证

2.1 实验设计

为验证设计的基于多媒体和网络技术的重点高校实验室智能教学系统的性能，对其进行实验验证。在高校实验室布设系统的测试环境，具体如图3 所示。

图3 布设的测试环境

接入100M 校园网进行测试。接入校园网后，系统的网络参数设置过程如图4 所示。

图4 系统的网络参数设置过程

在布设的测试环境中利用基于多媒体和网络技术的重点高校实验室智能教学系统进行实验室智能教学。为避免本次实验结果过于单一、缺乏对比性，将原有的两种系统作为实验中的对比系统进行对比实验，包括基于自动化管理技术、基于SOA 框架的重点高校实验室智能教学系统。同样利用这两种系统进行实验室智能教学。获取实验室个数为25～54 个范围内的教室重叠排课个数作为对比实验数据，对不同实验系统的教室重叠排课个数进行对比实验。