基于SPOC平台的化学实验教学培训系统设计

孔义川

(保定市教师进修学校，校长办公室， 河北，保定 071000)

0 引言

在当前实际的教学过程中，很多化学实验都存在一定的危险性，且实验教室的实验环境相对较差，难以和专业的实验室相比，让教师不能将所有化学实验都教给学生[1-2]。因此，国内外都十分重视教学培训研究，并取得了一定的研究成果。

目前，国外对教学培训系统研究相对成熟，在实验教学过程中，起到了至关重要的作用，文献[3]通过集成该教学管理系统，O2O的学习模式被用来构建以学习者为中心的教学改革框架。该框架由O2O学习平台支持，以主题实践教学和O2O模型为主体。实验结果表明，该系统调动了师生的积极性。文献[4]提出了用于同步电机和电力系统调节器运行测试的实验和教育平台的开发和应用。可以在发电机定子开路，独立运行或并网运行的情况下进行运行测试，并模拟系统中的干扰，以观察电力系统的行为和控制性能。但这些系统制造价格昂贵。实验教学系统研究及应用在国内尚处于发展阶段，文献[5]研制了数控LED恒流驱动实验教学系统，不同颜色LED光源的开关状态及LED工作电流都可由上位机通过RS-232串口给微控制器发送指令来实现。该系统可使学生了解并掌握利用微控制器产生数控恒流源。只在小范围内得到了应用，且教学效果不明显。综合国内外研究成果发现，实验教学培训系统研究范围较窄，存在较多的局限性。

SPOC平台是一种具有线上线下混合教学模式的教学平台，可以提高教师的教学效率与学生的学习效率[6]。为此，引入SPOC平台，将混合教学模式引入化学实验教学培训系统设计中，提出基于SPOC平台的化学实验教学培训系统设计。

1 化学实验教学培训系统设计

1.1 系统拓扑结构及通信方式设计

将系统运行网络分为有限网络和无线网络2种，设计化学实验教学培训系统拓扑结果，如图1所示。

图1 系统拓扑结构

根据图1所示的网络拓扑结构，将服务器端部署在B/S网络服务器上，并在客户端上安装SPOC移动学习平台形成新的通信方式，如图2所示。

图2 系统通信方式

图2中，Javaweb为B/S网络服务器开发技术，由服务器决定是否同意发送请求的用户进入系统进行教学培训[7]。通过HTTP协议以JSON格式交换客户端和服务端之间的数据[8]。

1.2 化学实验教学培训系统体系架构设计

考虑系统功能，采用系统数据、管理、服务、应用相分离的结构原则，以SPOC平台为基础，选择PHP和ActiveX开发技术[9]，设计系统管理单元，系统体系架构如图3所示。

如图3所示，所设计化学实验教学培训系统体系架构由表示层、应用层及数据层组成。表示层的主要作用就是展示数据，如化学实验理论知识、视频、习题等，主要通过浏览器实验。应用层的主要作用就是展示数据，如化学实验理论知识、视频、习题等，主要通过浏览器实验。应用层即是系统的运行逻辑层和部署层，且该层的运行，依赖数据层所提供的化学实验教学培训数据，起到承上启下的作用。数据层包括数据库和数据仓库2个模块，存储化学实验教学培训过程中所需要的数据。一旦系统数据层出现问题，系统逻辑层将无法为表示层提供数据。

图3 系统体系架构

1.3 系统数据库

综合上述内容，确定的系统网络拓扑结构、通信方式和系统体系架构，将采用可靠性高、运行速度快、使用简便的MySQL数据库，建立化学实验教学培训系统数据库，采用PHP语言，作为数据库开源语言，结合MySQL数据库和PHP语言，让此次设计的系统，可以采用Windows、Unix、Linux等操作系统操作数据库，增加数据库的操作选项[10]。设计的化学实验教学培训系统数据库，如图4所示。

图4 系统数据库E-R图

如图4所示的系统数据库E-R图，根据系统功能，设置教师和学生登录实体属性、课程实体属性、视频播放实体属性等4种数据库实体属性E-R视图。其中化学实验教学培训课程实体属性是按照化学实验课程、实验教学培训的理论和实践两方面内容，将化学实验教学培训课程分为多种，并设置不同的ID，降低课程在数据库中的寻找难度。视频播放实体属性所展示的是化学实验教学培训中的教学培训视频，其中存在的记录视频播放功能，可以直接帮助学生，记住上次播放位置，无需从头观看。

系统的登录访问，都需要通过数据库才能实现，通过表示层，按照图2所示的通信方式，将访问请求发送给应用层，由应用层调取数据库中，存储的用户信息，将登陆信息与访问信息进行对比，确定用户ID是否正确，从而反馈到系统表示层，告知用户是否通过系统登录。

1.4 SPOC平台的教学培训模型设计

根据化学实验教学特点及原则，从教学任务、内容、策略、阶段性测试等几个方面综合课前活动、课后活动和课下活动设计化学实验教学培训模型，如图5所示。

图5 化学实验教学培训模型

2 系统测试

采用对比实验的方式，将所设计的化学实验教学培训系统与文献[4]系统以及文献[5]系统进行对比，得出3组系统兼容性、运行逻辑、CPU和内存利用率及系统平均响应时间测试结果。测试实验选择的3组系统，按照表1所示的系统部署环境，统一部署3组系统。

表1 系统部署环境

2.1 系统兼容性及逻辑性测试

测试3组系统的内部逻辑结构和内部特性，查看系统中是否存在性能、初始化或终止性、信息访问等错误，以及系统兼容性，黑盒子测试结果如图6所示。

从图6中可以看出，A系统兼容性最优，可同时运行多个浏览器。文献[4]系统与文献[5]系统兼容性较差。在逻辑性上，所设计系统的运行逻辑性能最优，与系统正常结果一致，会出现相应的错误提示，告知用户哪些信息填写错误。文献[5]系统的运行逻辑性能最差。文献[4]系统无法提示出全部错误。

图6 兼容性测试结果图

2.2 CPU利用率及系统响应时间测试

采用Loadrunner压力测试工具，导入录制脚本，分别在文献[4]系统、文献[5]系统及所设计系统中预先设置500 000条用户记录。设置参数分别为模拟100个、200个、300个用户，以每隔3 s加载一个用户的趋势登录系统，同时操作系统，每个用户的操作执行时间持续5 min，直至加载完毕。在正常情况下，用户操作时系统的响应时间应维持在3 s内(包括3 s)，CPU利用率应低于85%。分别统计三组系统的CPU利用率及系统响应时间测试结果，如表2所示。

表2 CPU利用率及系统响应时间测试结果

从表2中可以看出，所设计系统的CPU利用率最低，系统响应时间最短。文献[5]系统的CPU利用率最差，仅支持100个虚拟用户同时使用系统；文献[4]系统的响应时间是3组系统中最长的。

综合上述3组实验结果可知，所设计系统在运行的过程中，更节约CPU空间，可支持600用户并发使用，多种浏览器同时运行，具有较高的兼容性，以及较优的运行逻辑性能。

3 总结

综上所述，此次设计化学实验教学培训系统，在当前化学实验教学培训系统软硬件研究的基础上，设计化学实验教学培训系统，充分利用SPOC平台的混合式教学模式，增加化学实验教学资源，提高化学实验教学培训效率。但所设计系统，未考虑化学实验教学考核方面的内容。因此在今后的研究中，还需要深入研究化学实验教学培训系统，化学实验教学考核，进一步提高系统应用效果。