综合课堂信息化系统的设计与实现

王智

关键词：线上教学；虚拟仿真；实训与考核；设计与实现

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）08-0046-03

0 引言

随着现代信息技术快速发展，线上教育模式已经是我国教育的亮点模式。在线教育有“教”与“学”不受时间、空间、地点条件的限制，知识获取渠道灵活与多样化等优点，且随着移动互联网的发展浪潮，在线教育市场呈快速发展阶段[1]。

在线教育分为线上理论教学与在线虚拟仿真实践教学，目前线上理论教学平台非常多，技术也比较成熟；但在线上进行实践类课程教学，经常面临场景复现的困难，所以在线虚拟仿真实践教学平台开发的难度较大[2]。这类平台往往需要安装客户端，有一定的局限性，并且目前把线上理论教学与实训教学相结合的平台比较少。故设计一套不但可以实现线上理论知识教学与考核，同时也可以实现线上虚拟仿真实训教学与考核的系统，有很好的应用推广前景。

1 系统设计

综合课堂信息化系统以WeX5开发平台作为集成开发环境，此平台完全开源免费， 有非常多的组件框架[3]。系统按网站设计方式进行开发，系统前端设计是采用html5+JavaScript+CSS3技术，后端采用Java技术。除了设计常用的网络课堂功能模块之外，还设计了若干个虚拟仿真实训模块、设备3D模型操作体验模块、VR教学模块等，实现了线上实训教学与考核。系统的框架图如图1所示。

后端数据库采用MySQL，MySQL是所有大型数据库服务器中最流行的一种，它的功能很丰富，并且是开源的产品，能为网络应用提供很好的支持[4]。主要的数据库表设计如表1、表2所示。

系统支持多种使用平台，PC、手机、平板电脑都可以使用浏览器访问该系统，无须安装客户端软件，解决了目前流行的在线虚拟仿真实践教学平台需要安装客户端的问题。

2 系统功能

“综合课堂信息化系统”主要功能如下：

有一套完整且完善的后台管理功能，对教师、学生、资源、课程等数据统计及管理；系统内置一套教学资源，包括教学视频、PPT、图片、设备3D模型、VR教学模块等，供教师用户直接调用；系统有三种用户，分别为管理员、教师、学生。

2.1 管理员功能

包含管理员信息维护、主页公告、教师信息管理、班级信息管理、学生信息管理、共享资源管理、课程信息管理等功能。可Excel导出教师信息、课程信息，也可Excel导入导出学生信息。

2.2 教师端功能

包含教师个人信息维护、资源管理、题库及试卷管理、课程管理、班级信息查询、学生信息查询等功能。可上传课程资料，也可把资源共享，让其他教师直接调用，还可以使用系统内置资源；可建立理论知识题库，包含判断题、单选题、多选题，题目可Excel导入导出；可创建理论知识试卷、仿真实训试卷等；可创建课程并把课程分发给班级。

2.3 学生端功能

包含学生个人信息维护、课程内容、课程资源、课堂考勤、主题讨论、随堂测试、课程考试等功能。可选择课程进入学习，可观看PPT、图片、视频，可进行设备3D模型操作体验、实训设备VR体验，可以进行理论知识练习、仿真实训练习。可下载课程附件资源。可进入“课堂考勤”签到。可进入“主题讨论”并发言。可进入“随堂测试”和“课程考试”进行理论知识、仿真实训考试，可查询随堂测试与课程考试成绩。

3 系统实现

系统有后台管理、资源管理、网络课堂、虚拟仿真实训等主要模块，其中虚拟仿真实训模块包含电气故障检测与排除、电路接线、设备安装维修等子模块。这里介绍“电气故障检测与排除”仿真实训模块的设计与实现，其他模块不做一一赘述。

3.1 电气故障检测与排除仿真实训模块的界面设计

在電气维修中，通常先观察设备故障现象，再通过查看电路图，锁定故障范围，使用仪表对电气控制系统进行检测，找出故障点并修复[5]。本模块将场景复现电气维修过程。

在界面设计虚拟的电气控制箱、万用表等，在虚拟电气控制箱面板上设置指示灯、按钮开关等，控制箱内部设置空气开关、交流接触继电器、时间继电器、接线端子以及线路等。另外还要设计设备控制电路图的界面、排除故障的界面等。模块界面要使用大量的图片，为了界面操作流畅，在进入界面时先把图片全部缓存到浏览器，主要代码如下：

3.2 电气故障检测与排除仿真实训模块的功能描述

教师用户设置好故障点及评分标准，组成一套试卷并下发给学生用户练习或考核；学生用户进入电气故障检测与排除仿真实训页面后，可以先虚拟启停设备，如有故障即不能正常开启设备，可通过查看设备的控制电路图，分析故障所在的回路，然后使用虚拟万用表检测虚拟电路，查出确切的故障点后排除故障；用户交卷后显示详细卷评（如图2所示），如果是考核模式即考核数据保存到后端数据库。

3.3 电气故障检测与排除仿真实训模块的实现方法

以冷水机组电气故障检测与排除为例。冷水机组的控制电路图如图3所示。

3.3.1 实现电路的控制逻辑

用JavaScript编写函数实现电路的控制逻辑。为每一条回路（比如冷却塔风机控制回路）编写对应的函数，函数的主要代码如下：

当用户在虚拟电气控制箱面板上操作按钮开关控制设备时，调用对应的函数来计算该设备的启停状态，并在界面显示出来。当发现某回路异常断开时，查看电路图初步判断后，用虚拟万用表检测虚拟电路。

3.3.2 实现万用表检测逻辑

用JavaScript编写函数实现万用表检测逻辑，主要算法如下：

1） 设置数组，把回路中的开关、某段线路、继电器线圈、其他元器件等数据按电路编号顺序传给数组元素；

2） 测电阻时，根据虚拟万用表两支表笔之间的数组元素值计算出电阻值，并在虚拟万用表上显示出来；

3） 测电压时，根据虚拟万用表两支表笔所处的前后数组元素值计算出电压值，并在虚拟万用表上显示出来。

当用户用虚拟万用表检测虚拟电路时，调用“万用表检测逻辑”函数来计算出电阻值或电压值，从而判断出回路中是否存在故障，如果存在故障用户可排除故障。

3.3.3 统计考核结果并保存

用户练习或考核完毕，交卷后自动统计成绩，将卷评结果显示出来，如果处于考核模式即把成绩数据保存到后端数据库。数据保存机制：进入考核时先添加一条成绩记录，记0分，交卷后再用实际分数按成绩记录ID更新成绩记录。这种机制目的是防止用户没有交卷，强行退出，然后再次进入考核。因为刚进入考核时就已经产生了一条成绩记录（0分），如果没有交卷就退出，最终成绩为0分，并且后端数据库里已有了成绩记录，会限制用户再次进入考核。实现的主要代码如下：

数据组件testScore已配置关联后端MySQL数据库表test_score，前端可通过数据组件testScore与后端数据库表test_score进行数据交互。

4 结束语

综合课堂信息化系统已开发完成并升级到2.0版本，已申请了计算机软件著作权，名称：综合课堂信息化系统V2.0，著作权人：广东机电职业技术学院。目前该系统已应用于专业教学实训中。线上虚拟仿真实训模式为实训课堂打造为更高效的沉浸式互动体验，打破课堂的时空限制，将知识具象化、可视化、趣味化，并与线下实训相结合，提高实训的效率。另外，利用虚拟仿真实训教学与考核模式可减免大型实训设备的购置投入。