基于云平台的实验教学管理系统设计

摘  要：为了解决传统实验教学存在的问题，优化实验教学资源，建设基于云平台的实验教学管理系统。师生可在该管理系统上完成备课、上课、实验、实训、考试等，打破了传统实验教学的时空限制，弥补了实物实验所存在的短板，提高了实验教学的质量，实现了资源共享，减少了实验教师的工作量，提高了学生的实践动手能力，可更好地为广大师生提供实验教学服务。

关键词：云平台；实验教学管理平台；虚拟现实技术

中图分类号：TP311.5；G647  文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）11-0034-05

Design of Experimental Teaching Management System Based on Cloud Platform

WEI Yuhan

（Jilin University of Architecture and Technology， Changchun  130114， China）

Abstract： In order to solve the problems existing in traditional experimental teaching， optimize experimental teaching resources， and build an experimental teaching management system based on cloud platform. Teachers and students can complete lesson preparation， classes， experiments， practical training， exams， etc. on this management system， breaking the time and space limitations of traditional experimental teaching， making up for the shortcomings of physical experiments， improving the quality of experimental teaching， achieving resource sharing， reducing the workload of experimental teachers， improving students' practical skills， and providing better experimental teaching services for teachers and students.

Keywords： cloud platform; experimental teaching management platform; virtual reality technology

0  引  言

隨着“互联网+”模式的兴起，尤其是近几年受疫情的影响，传统的教育方式正在发生着巨大的改变，依靠互联网技术的网络教学迅速发展起来。实验教学作为高等教育体系不可或缺的一部分，也得到了飞速的发展，国家级、省级和校级实验教育示范中心的建立很大程度上改善了实验基础条件和实验教学质量，但也给实验教学带来了更大的挑战，如需不断地购置仪器设备，实验课程占比不断地增加，实验室数量不断地增多等。充分利用现代信息技术创建网络实验教学管理平台，打破时空限制，加深信息技术与实验教学的融合，实现虚实结合、数据共享将是实验教学发展的方向。

1  系统设计结构

为了更加合理高效地利用实验室资源，避免某些仪器设备使用冲突、部分仪器设备闲置等现象的发生，根据我院实验中心的实际情况，建立实验教学管理平台。该平台可为师生提供实验、实训、练习、考试等线上实验教学，提供线上操作、在线题库等多种在线辅助教学，使学生所掌握的理论知识与实际结合得更加紧密。

该平台主要包括管理员、教师端和学生端，具体结构如图1所示。

1.1  管理员

管理员模块主要包括系别管理、专业管理、班级管理、课程管理、教师管理和学生管理六个部分。

1.1.1  系别管理

对我院开课的相关学院进行管理，包括新建、修改和删除，添加系别后，页面会跳转到“系别列表”，在“系别列表”页面中可以查看和管理当前系统所添加的系别，所属院校为系统设定，管理员不提供修改所属院校的功能。

1.1.2  专业管理

对专业进行管理，包括新建、修改和删除。选择所属院校、所属系别后，在专业名称后面的输入框中输入正确的专业名称，点击“确定”，即可添加专业。不同专业所对应的实验内容不同，实验教师可根据专业设置不同的实验内容，因此需要管理员提前设置好专业信息。

1.1.3  班级管理

选择所属院校、系别、专业后，在班级名称后面的输入框中输入正确的班级名称，点击“确定”，即可添加班级。添加班级后，页面会跳转到“班级列表”，在“班级列表”页面中可以查看和管理当前系统所添加的班级。

1.1.4  课程管理

对课程进行管理，包括新建、修改和删除。选择专业（专业课程名称）、系别、班级和老师后，点击“设置课程表”按钮可以设置课程，不同课程的重难点不同，实验教师需根据课程的知识点以及学生对知识点的掌握情况设置不同的实验内容，因此需要管理员添加相关课程信息。

1.1.5  教师管理

对教师的基本信息进行管理，包括添加、修改、删除用户名、基本信息，初始密码等，可单独操作也可批量操作。输入教师账号的详细信息，系统会对所填信息进行判断，若都通过信息验证，即可点击“确定”按钮，完成添加教师用户的设置。添加教师后，页面会跳转到“教师列表”，在“教师列表”页面中可以查看和管理当前系统所添加的教师。在“教师列表”页面，系统提供三种查询教师的方法：选择系别，点击“查询”按钮，筛选某个系别的老师；在输入框中输入关键字，点击“查询”按钮，通过关键字搜索教师；选择注册时间，点击“查询”按钮，筛选指定注册时间区间的教师。导出表格后，根据表格中的ID或登录用户名和登录密码，即可以“教师”角色登录平台。

1.1.6  学生管理

输入学生账号的详细信息，系统会对所填信息进行判断，若都通过信息验证，即可点击“确定”按钮，完成添加学生用户的设置。批量导出学生表格数据后，通过输入表格中的学生ID和密码进行登录，登录后依照学生ID逐个添加学生。添加学生后，页面会跳转到“学生列表”，在“学生列表”页面中可以查看和管理当前系统所添加的学生。在“学生列表”页面，系统提供三种查询学生的方法：设置专业班级等筛选条件，点击“查询”按钮，筛选某个班级的学生；在输入框中输入关键字，点击“查询”按钮，通过关键字搜索学生；选择注册时间，点击“查询”按钮，筛选指定注册时间区间的学生。筛选出学生数据后，点击“批量导出”按钮，导出所有筛选出的学生账号。如果要导出系统中所有的学生账号，则不必设置筛选条件，直接点击“批量导出”即可，导出表格后，根据表格中的ID和密码，即可以“学生”角色登录平台。

1.2  教师端与学生端

教师端和学生端均包括实验、实训、练习和考试四个部分。

1.2.1  实验部分

包括所有的相关实验，教师可根据自己课程的特点选择相应的实验内容，该部分主要是对课题所涉理论知识的验证和补充，学生通过3D动画对电气类相关设备、基本工具、安全防护等内容有了一个感性的认识，可为后续线下实操做好充足的准备。

1.2.2  实训部分

该部分为学生线上自己动手训练的部分，老师在题目说明模块中结合学生的实际情况添加训练要求，学生可根据要求，从元件库、线库和仪表库中选择对应的元器件进行连接。

1.2.3  练习部分

该部分主要是教师根据自己的学科特点和教学内容，有目的有针对性地选择部分实操，让学生自己动手按要求完成实验。教师可以在该部分选择需要学生线下实操的相关实验，作为线上实验的练习部分，学生在实操之前，可以先在线上完成练习，规避错误的操作，规范操作順序，不仅可以提高实验效率，还可以提高实验的安全系数。同时实验报告也可在线上提交，教师提供实验报告模板，学生按照格式填写实验内容。通过此部分的练习，学生在完成线下实操后能够大大提高动手效率，实验效果也会有很大的提升，对线下实操起到很好的辅助作用。

1.2.4  考试部分

教师可以根据课程要求开展实操测验，包括独立课程、实习、实训等内容。学生可根据提出的要求和给出的工具完成实操，教师根据学生的操作步骤给予相应的分数，使教师可以更加客观地评判学生对有关知识点的掌握程度及其动手能力。

2  关键技术

运用多项技术完成实验教学管理平台的搭建。

2.1  多媒体技术

采用三维模型、三维动画技术对实验的物理对象进行仿真建模，让实验者无论从视觉上还是听觉上都能获得逼真生动的体验。

2.2  Web技术

采用基于Web的开发技术，支持虚拟实验的在线访问和运行。

2.3  虚拟现实技术

包含逼真的实验室环境、形象的设备以及与实物一致的元器件三个部分，其目的就是为师生提供逼真的虚拟实验环境，为师生模拟准确的实验数据，为学生安全高效的线下实操提供保障。实验平台的实验环境在质感、光照、形态等方面都能达到逼真的效果，让学生在线上实验时也能获得身临其境的感觉。同时，确保在旋转、移动三维场或物体时，物体的中心点始终在原来的位置保持不变，也可对选中的物体进行360°的全方位浏览。

2.4  云计算技术

采用Web实现资源预约、资源调用和平台访问，进而实现服务器的虚拟化管理和应用，提高资源利用率，节约实验中心的管理和建设成本，降低设备管理和维护的工作量，提高虚拟实验室的服务能力。

2.5  大数据技术

采用大数据技术对实验数据进行智能化收集、分析和处理，从所搜集的实验数据中获得新的发现，用以指导实验的设计和改进，这样可实现实验的智能设计、智能辅助和智能评价等。

3  系统实现

3.1  登录界面

管理员需要在服务器上登录系统，教师与学生的账号由管理员提前导入，或者自行注册，其登录界面如图2所示。

3.2  管理员界面

根据学院的特点和要求设置管理员权限，完成信息的添加、修改和删除。管理员界面如图3所示。

3.3  教师端及学生端

3.3.1  教学部分

教学部分不仅可以用在实验教学中，也可以应用于理论教学中，在讲到某某内容以对应知识点时，教师可以针对这部分内容，边讲解边演示，让学生能够更加直观地理解和掌握相关的知识点。图4为防火防爆电气项目中灭火器的介绍，该项目包含电气类设备灭火用干粉灭火器、二氧化碳灭火器和泡沫灭火器的使用，该动画中不止有灭火器，还配有人形动画，师生可控制虚拟人操作灭火器，如操作错误会出现提示，使师生可获得更加直观和深刻的操作体验。

3.3.2  实训部分

模拟现实环境下的实训课程，结合我院工程实训课程的实际情况，不断丰富实训课程的内容，让每一位学生都能独立完成实训的全过程，打破了传统的教学模式和理念，更贴合社会的发展趋势，提升了学生的综合实力。图5为电子基础项目中直流电源电路的安装和使用，该项目包含直流电源电路可能涉及的所有元器件，学生可根据自己设计的电路选择相应的元器件连入电路，采用万用表测量对应数据，验证电路的准确性，如结果错误，则查找原因，修改电路，直至达到理想数值，即表明所连电路正确，此时可按照项目中所选的器件连接实物电路，确保实际操作的准确性，同时也避免了由于选件或焊接等实操错误而导致的时间、器件浪费。

3.3.3  练习部分

教师可以在练习部分选择需要学生线下实操的相关实验，完成对线上实验的复习巩固。学生在实操之前，可以先在线上完成练习，规避错误的操作，规范操作顺序，不仅提高了实验效率，还提高了实验的安全系数。同时实验报告也可在线上提交，教师提供实验报告模板，学生按照格式填写实验内容。图6为电机的装配与拆卸练习，学生课后可随时对电机进行拆卸与安装，以便對电机的结构有一个更加深刻的了解。网上的练习不受时间、地点、次数的限制，使不同层次的学生都能得到多次的练习，能更好地掌握电机的工作原理，对电机有一个更为深刻的认识。

3.3.4  考试部分

考试部分由教师根据课程的特点和要求自行命题，包含常见的选择、填空、简答、计算等题型，也可以让学生进行在线实操考试，包括独立课程、实习、实训等内容，根据课程选择不同的实操，如图7所示。不同专业对“电机学”这门课所需掌握的知识点不同，侧重点也不同，教师可根据学科特点设置不同的电机实操，如电机的装配、拆卸等。

4  结  论

采用先进的虚拟现实技术建立一个开放式的实验教学管理平台，方便师生选课、练习、实验、实训。该平台打破了传统实验教学的时空限制，弥补了实物实验固有的一些短板，减少了实验教师的工作量，提高了实验教学中心的工作效率，使实验教学中心可以为师生提供更好的实验教学服务。

参考文献：

[1] 薛荣霞，张震浩.基于云平台的在线程序设计实验管理系统 [J].现代信息科技，2022，6（12）：6-10.

[2] 熊一鸣.开放式实验管理系统的设计与实现 [D]. 南昌：江西财经大学，2019.

[3] 张金虎.基于智能实验平台的高校实验教学系统设计与实现 [D].西安：西安电子科技大学，2021.

[4] 慕元.实验教学智能管理平台自动评分模块的设计与实现 [D].桂林：桂林电子科技大学，2022.

[5] 邢赛楠，曾张帆，梅嘉玉.“中国制造2025”背景下远程数字系统实验教学平台研究与实践 [J].科技与创新，2022，215（23）：143-146+152.

作者简介：卫昱含（1982.11—），女，汉族，吉林松原人，实验师，硕士研究生，研究方向：测试计量计算及仪器。

收稿日期：2022-12-23

基金项目：校级中青年扶持项目重点项目（校科字〔2020〕005）