开放式实验教学管理系统的设计与实现

张广斌,王长顺,袁 婷,吴 婧,凌 骏,武升宇

(南京航空航天大学 物理学院,江苏 南京 211100)

中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》重点部署了面向教育现代化的十大战略任务,其中包括加快信息化时代教育变革,建设智能化校园,统筹建设一体化智能化教学、管理与服务平台,利用现代技术加快推动人才培养模式改革,实现规模化教育与个性化培养的有机结合。在教育领域,打破传统教学观念,充分发挥信息技术的优势,大力推进信息技术在教学过程中的应用,促进信息技术与课程的融合,近年来成为教育研究和探索的热点[1-5]。

大学物理实验是高等学校理工科类专业学生进行科学实验基本训练的必修基础课程,在引导学生掌握物理知识与技能、培养实践动手能力、提高科学研究素养、提升参与实践与科学研究内驱力、建立科学的世界观、人生观和价值观方面具有非常重要和深远的作用。实验课程的性质和重要性决定了其排课方式、上课形式、教学模式和考核方法不同于一般的理论课程,在课程种类多、学生体量大,课堂次数多、实验项目全、实验室场地有限的前提下,教学的组织和实施越来越依赖于信息技术的支持[6-10]。传统的实验教学管理系统依托于计算机使用,在时域和空域上受到一定的限制,随着移动互联技术的快速发展和5G时代的到来,智能手机逐渐超越了电脑的使用范围,智能手机已成为当代大学生日常生活和学习必不可少的工具,其在智慧教学、智慧管理中的作用也愈加明显。

南京航空航天大学物理实验教学长期实行开放式管理模式,依据课程教学要求和培养计划安排实验开放课堂,学生可以根据所在专业、个人兴趣和空余时间,利用选课系统灵活自主地预约实验课堂。在原有管理模式下,我校物理实验中心融合现代技术手段,与徐州柏拉图科技有限公司合作完善了物理实验教学管理系统功能,形成了以物理实验中心网站和物理实验中心微信公众号为依托的智慧教学综合管理体系,充分发挥了智能手机在选课、报告下载、上课提醒、智能考勤、报告上传、成绩反馈等一系列教学环节中的便捷作用,受到学生普遍好评。

1 系统功能架构

教学管理系统包括前台和后台两个部分。后台主要包括系统设置、课程管理、用户管理、预约管理、综合查询等模块,前台包括信息查询、用户预约、课堂管理等模块。按使用对象,综合管理系统分为管理员、教师和学生三类用户。管理员通过电脑后台系统管理基础数据,学生和教师既可以在电脑端登录使用,又可以利用智能手机在微信端实现移动操作。

教学管理系统的主要功能体现在以下几个方面:

(1)课程信息管理:主要包括开课学期设置、课程类别及要求的设置、学生信息导入等。系统管理员首先要将当前学期设置为开课学期,并编辑开课学期的课程类别和课程要求。学生信息导入系统后,管理员以班级为单位将其划分在相应的实验课程下,以便学生查看到相应的实验课程和具体要求。

(2)实验项目管理:主要包括项目编辑和实验室编辑。实验项目是在实验室完成教学任务和目标的必备环节,管理员首先要编辑所有实验项目信息和实验室信息(房间号),其次根据课程要求对其添加开设的实验项目和实验室信息,以便对课程学生实施开放排课或整班排课,也可按项目或实验室查询相关开课信息。

(3)实验开放预约:主要包括管理员排课管理和学生选课管理。实验预约可以针对不同课程提前选择和安排实验内容,教师根据教学进度表,实验室空闲情况以及学生人数安排实验项目。学生根据自身情况和课程要求,自主预约选择难易度不同的实验项目,循序渐进的选择和完成实验。而管理系统会根据以上的预约情况实时更新数据库信息,不断为实验人员提供最新的课堂信息。

(4)报告管理与成绩评定:主要包括报告上传、报告批阅和报告管理三部分。学生选课后可以自行下载并打印该实验项目的实验报告,完成实验和报告后,按照要求将报告拍照上传至选课系统。教师则根据评判标准查看、批阅实验报告,并予以成绩反馈,对于问题报告教师可做退回处理。

(5)课堂管理与服务:主要包括消息提醒、课堂考勤派位、综合查询等。消息提醒功能适时为学生选课、退课和上课推送消息,同时为教师发送上课提醒;课堂考勤功能便于课堂出勤统计和自动派位;综合查询功能为管理员、学生和教师提供了便捷的查询服务,包括开课情况查询、工作量统计、课堂查询、成绩查询、报告查询及各类汇总等。

2 主要技术

2.1 开发环境

教学系统运行在Linux环境,由前端和后端两个部分组成,均采用开源技术开发。后端利用JAVA语言编写,将MySQL作为数据库管理系统,主要负责具体业务功能的实现与持续改进;前端使用JavaScript语言开发,基于Html5和Css3技术构建交互页面与视觉效果,其主要功能包括信息展示和用户交互两部分,通过访问后台接口完成具体业务流程。系统的开发工具采用了微软提供的开源软件Visual Studio Code,开发和部署使用了Docker容器技术。

2.2 技术架构

为便于部署与维护,系统采用B/S架构[11-12]设计,用户可以直接通过浏览器和微信使用。PC端和微信端教学系统采用前端技术实现,通过nginx提供访问,后端API部署在Servlet容器Glassfish上,通过nginx反向代理提供访问。系统架构如图1所示。

图1 技术架构图

后端所有功能皆以REST-API的形式提供,包括登录认证、角色的权限管理服务以及教学相关的各类业务逻辑的实现(例如查看开放课堂和预约情况、下载实验报告文件、实验考勤、上传实验报告图片、批阅报告、查询成绩以及各类管理与统计等)。前端代码通过访问接口实现数据的获取、创建、更新与删除。前端主要负责显示数据,响应用户的操作以及发起对接口的请求并处理返回的数据。

3 系统实现

实验教学活动以开放预约的形式进行组织,由管理员发布开放的场次,设定时间、地点、实验科目和任课教师,学生则可以选择预约某一个具体的场次。管理员若不指定任课教师,可由任课教师自行选择上课场次。主要的教学流程如图2所示。

图2 教学流程

3.1 数据库设计

实验教学管理系统涉及实验开放教学的每个环节,主要包括发布实验场次、学生选课、签到实验、提交报告、学生评教、批阅报告(打分)。系统主要涉及两个核心业务关系,一个是发布场次,一个是选课。在数据库中以场次表(lesson)和选课表(elect)来表述这两个业务关系,其他诸如人员、部门、班级、科目、时间、地点等等都以实体表进行表述,通过外键关联与核心业务表建立联系。主要的数据库关系的设计如图3所示。

图3 实体关系图

3.2 后台管理的实现

系统后台由一组基于遵循JSR311规范标准的接口构成,即所谓的REST API,每个接口相互独立,并定义特定的访问权限,各自完成一部分系统功能。因此各接口之间没有耦合,可独立替换而不造成影响。

接口的实现在JAVA代码中以三个层级的对象完成,资源对象响应HTTP请求,通过响应的业务对象执行具体流程,通常需要通过数据访问层的数据访问对象进行持久化操作,具体的数据库交互是由Dbutils对象完成。如图4所示。

图4 业务对象关系

以下载报告为例,用户请求接口/report_paper/{rptNum}传递报告编号,系统由Report Paper Resource对象响应请求,通过Jasper对象生成pdf文件返回,该过程通过ReportDao查询相关信息置入报告模板对象。实际查询数据由Dbutils封装JDBC来实现。

3.3 系统前台的实现

系统的用户交互实现分为PC端和微信端,均采用前端技术实现,分别适配电脑和手机屏幕尺寸。PC端设计采用Dojo(1.x)框架实现,微信端使用Vue实现。两者都是模块化、组件化设计,通过Ajax请求与后台接口进行交互。系统主要功能在两个终端都有实现,区别在于学生上传报告图片时依赖于手机拍照功能,只能在微信端使用,而教师批阅报告则需要较大的画面显示,只能在PC端实现,这里仅以微信端为例介绍主要的程序构成。

微信端教学系统程序功能包含查询实验、选课/取消/改选实验、下载报告纸、上传实验报告图片、查看批阅和实验成绩等等。每个功能在一个或多个页面中实现,页面之间的切换通过前端路由实现。整个微信端教学系统程序的状态统一由Store对象管理,并负责发起对后台接口的请求,获取数据响应更新状态变量。各页面元素与状态变量绑定,当数据变化时将自动更新页面显示(vue响应式编程设计)。

基于这种设计思想,整个教学前端程序就拆分成若干个组件单元,包含页面模板的UI组件或者仅实现特定功能的非交互组件。

4 系统界面

以学生手机微信端和教师电脑端显示为例,简单介绍一下系统界面。学生登录系统后,可以查看到课程的相关要求,并根据具体要求自由选择实验项目。对于预约选课或取消已预约课堂,系统会在操作后推送消息,上课前一天,系统会定时发送上课提醒。报告下载、预习测试、报告提交、课堂评价、成绩查看、信息反馈、出勤记录和实验进展的查看等均可通过手机微信端实现,部分微信端界面如图5所示。另外,教师可以通过电脑端登录系统,查看学生的实验进度、测试情况、评教情况、各个数据的统计情况等,并通过报告批改系统在线批阅实验报告。教师电脑端的开课项目统计和报告批改界面如图6所示。

图5 学生微信端界面

图6 教师电脑端界面

5 系统运行

历经5年探索和持续改进,开放式实验教学管理系统运行效果显著,经过近20 000余名学生检验,实践效果显著,学生高度认可。多次通过校内外座谈和成果汇报推广建设成效,受到业内同仁、工程教育专业认证专家和学校主管部门的高度赞扬。江苏省物理学会对教改成果给予“为其他高校深入推进大学物理实验教学改革指明了方向”的高度评价。

开放式实验教学管理系统的教学管理理念先进,组织灵活,该系统除了在本校大学物理实验课程和应用物理实验课程使用外,在国内高校中已推广到河海大学、南京信息工程大学、江苏师范大学等10余所高校使用或试用。

6 结 论

本文介绍的开放式实验教学管理系统,充分发挥了智能手机的巨大潜力,学生通过微信公众号登录教学管理系统即可实现移动学习、移动查询、实时选退课、上课提醒、远程提交报告、成绩查询等功能,提高了实验课程的管理水平和课堂管理效率,教学和管理效果受到行内专家和校内师生的普遍好评,为深层次开展实验教学改革提供了必要的信息化条件支撑。