喬逢春，張 立，張文杰

（北京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，北京　100083）

一種Java EE多層架構(gòu)下的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

喬逢春，張 立，張文杰

（北京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，北京100083）

物理實(shí)驗(yàn)可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，因此物理實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中具有重要的地位?；贛VC設(shè)計(jì)思想，通過Maven管理項(xiàng)目，以Struts2、Hibernate、Spring和Ajax為基本框架來構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)。目的在于克服傳統(tǒng)測評(píng)方式的弊端，提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的自動(dòng)化程度。實(shí)踐表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，較好地滿足了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

物理實(shí)驗(yàn)；SSH2；Ajax；jQuery；UML建模

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是理工科各專業(yè)的公共基礎(chǔ)課程，是本科生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，有助于全方位培養(yǎng)學(xué)生的物理思想方法、動(dòng)手能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神等基本科學(xué)素質(zhì)［1］，因此物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等教育中占據(jù)著重要地位。

近年來，傳統(tǒng)的教學(xué)方式逐漸被網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)方式所替代，各種網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)的推出，極大地減輕了老師和學(xué)生的負(fù)擔(dān)。通過分析本系統(tǒng)的需求和可行性，以及比較當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)科技中幾種應(yīng)用比較廣泛的網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)，系統(tǒng)采用MVC設(shè)計(jì)模式，使用Maven構(gòu)建項(xiàng)目并管理依賴的jar包，整合Struts2、Hibernate、Spring和Ajax框架來構(gòu)成Java EE多層架構(gòu)體系。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

1.1Maven項(xiàng)目管理工具

系統(tǒng)利用Maven構(gòu)建項(xiàng)目，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行清理、編譯、測試、打包和部署等操作。此外，Maven還是一個(gè)依賴管理工具和項(xiàng)目信息管理工具，其利用本地倉庫以及配置文件pom．xml管理第三方j(luò)ar包，實(shí)現(xiàn)倉庫在多個(gè)項(xiàng)目之間的共享［2-3］，完美解決了傳統(tǒng)方式下的冗余jar包和多版本jar包所帶來的問題。

1.2SSH2框架

SSH2框架是由有三種框架集成的，它們分別是基于MVC模式的Struts2框架和基于IoC模式的Spring框架以及對(duì)象/關(guān)系映射框架Hibernate。在SSH2框架中，Spring充當(dāng)了一個(gè)JavaBean容器，它使用IoC和AOP技術(shù)接管了Hibernate的DAO、事務(wù)和Struts2的action對(duì)象以及service業(yè)務(wù)層，從而能夠充分地管理事務(wù)和代理request請(qǐng)求。經(jīng)過IoC容器的處理后，針對(duì)面向接口的編程使系統(tǒng)項(xiàng)目的MVC分層更明確［4］。

SSH2框架的基本業(yè)務(wù)流程是：在view層中，通過JSP頁面接收請(qǐng)Request；Struts2根據(jù)其配置文件將ActionServlet接收到的request指定給相應(yīng)的Action處理；Action調(diào)用相應(yīng)的service，Spring IoC容器向Action提供業(yè)務(wù)模型（Model）組件和該組件的數(shù)據(jù)訪問對(duì)象（DAO）完成業(yè)務(wù)邏輯，并提供緩沖池和事務(wù)處理等容器組件以保證數(shù)據(jù)的完整性、提升系統(tǒng)性能；持久層則依賴于Hibernate的對(duì)象化映射與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，處理DAO請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，并由JSP頁面?zhèn)魉蛂esponse［5-6］。

1.3Ajax框架

基于XML的異步JavaScript，簡稱Ajax。Ajax的核心就是JavaScript對(duì)象XMLHttpRequest，它通過JavaScript向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，并處理服務(wù)器響應(yīng)［7］。

系統(tǒng)的JSP頁面中絕大多數(shù)請(qǐng)求通過jQuery類庫中的ajax（）方法發(fā)送給服務(wù)器。ajax（）返回其創(chuàng)建的XMLHttpRequest對(duì)象，通過 HTTP請(qǐng)求加載遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用 struts2的ServletActionContext類通過非IoC方式獲得response對(duì)象，將信息從action層或service層傳遞給ajax（）的回調(diào)函數(shù)。

相比傳統(tǒng)的表單提交方式，Ajax在提交、請(qǐng)求、接收時(shí)，都是異步進(jìn)行的，不需要丟棄整個(gè)頁面，而是提交時(shí)在后臺(tái)新建一個(gè)請(qǐng)求，采用局部刷新技術(shù)，因此用戶的原始數(shù)據(jù)得以保留，用戶的當(dāng)前活動(dòng)不會(huì)被阻塞。

2　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是為了方便廣大學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門課程而設(shè)計(jì)的，因此它的功能與同學(xué)們的自主學(xué)習(xí)以及教師的實(shí)驗(yàn)安排息息相關(guān)。系統(tǒng)主要由管理員/教師端（以下簡稱管理員端）和學(xué)生端兩部分組成，其中管理員端由用戶管理、通知公告、預(yù)習(xí)題庫、預(yù)習(xí)安排、成績管理、實(shí)驗(yàn)管理、課程管理、修改成績八個(gè)模塊組成，用戶管理模塊下面又是由教師管理、學(xué)生管理、班級(jí)管理這3部分組成。學(xué)生端由通知公告、我的預(yù)習(xí)、我的實(shí)驗(yàn)、選修實(shí)驗(yàn)、成績查詢、修改密碼6個(gè)模塊組成。系統(tǒng)用例圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)用例圖Fig．1　The use case diagram of system

2.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫總共有8個(gè)數(shù)據(jù)表，包括：用戶信息表、班級(jí)信息表、課程信息表、物理實(shí)驗(yàn)信息表、通知公告表、預(yù)習(xí)試卷信息表、預(yù)習(xí)題庫表和成績信息表。為更好地說明各數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系，系統(tǒng)通過PowerDesigner軟件對(duì)MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行逆向工程得到如圖2所示的E-R圖。

圖2　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫E-R圖Fig．2　The E-R diagram of the database

2.2通用子功能接口

有一些子功能在多個(gè)模塊中均有應(yīng)用，例如分頁、模糊查詢、文本編輯等。在設(shè)計(jì)分頁功能的過程之中，系統(tǒng)將當(dāng)前頁（currentPage）、頁數(shù)（pageCount）、每頁顯示記錄的數(shù)目（pageSize）和頁面查詢結(jié)果總數(shù)（resultCount）作為屬性封裝成page實(shí)體類，結(jié)合myPagination插件實(shí)現(xiàn)分頁，嵌入系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊。系統(tǒng)涉及到的文本編輯均由xheditor文本編輯器來完成，根據(jù)需要在后臺(tái)編寫相應(yīng)的action并配置struts．xml來實(shí)現(xiàn)圖片上傳功能。

2.3登錄

用戶通過輸入網(wǎng)址即可跳轉(zhuǎn)到本系統(tǒng)的登錄界面，該頁面沒有用戶權(quán)限區(qū)分，任何用戶都可以進(jìn)行訪問，只有用戶登錄成功之后才能繼續(xù)訪問本系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)登錄的過程中，系統(tǒng)使用了apache shiro安全技術(shù)。它為系統(tǒng)提供了一個(gè)直觀而全面的認(rèn)證、授權(quán)、加密及會(huì)話管理的解決方案［8］，其中密碼采用MD5算法進(jìn)行加密。shiro配置流程如下:

1）在web．xml中配置shiro過濾器；

2）在 applicationContext．xml中添加 shiro配置：添加shiroFilter、securityManager、lifecycleBeanPostProcessor以及myRealm等Java Bean；

3）實(shí)現(xiàn)MyRealm：繼承AuthorizingRealm，并重寫認(rèn)證授權(quán)方法。

登錄界面如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)登錄界面Fig．3　The entry interface of system

2.4管理員端

1）用戶管理模塊：用戶管理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該模塊主要由教師管理、班級(jí)管理、學(xué)生管理3部分組成。所有教師、班級(jí)和學(xué)生的初始信息都是通過管理員在用戶管理模塊下面的來添加的，這3個(gè)部分之間相互關(guān)聯(lián)，添加時(shí)存在先后順序：首先應(yīng)該添加教師，有了教師的基本信息后才可以添加班級(jí)信息，最后才可以添加學(xué)生。其中，在學(xué)生管理模塊之中，由于學(xué)生數(shù)量很多，不應(yīng)采用單個(gè)添加的方式，系統(tǒng)采用excel批量導(dǎo)入的方式來進(jìn)行添加。

2）預(yù)習(xí)題庫模塊：該模塊初始化的時(shí)候分頁顯示所有必做實(shí)驗(yàn)信息。點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)名稱即可查看該實(shí)驗(yàn)所有題目及答案；點(diǎn)擊“新增預(yù)習(xí)題目”，教師可以設(shè)置題目類型，編輯題目內(nèi)容和答案，點(diǎn)擊“提交”按鈕以新增該實(shí)驗(yàn)的一道預(yù)習(xí)題目；點(diǎn)擊“編輯預(yù)習(xí)題目”可以對(duì)每道題目的內(nèi)容和答案進(jìn)行修改，也可以刪除題目。

3）課程管理模塊：在新增實(shí)驗(yàn)課程的時(shí)候，系統(tǒng)綜合使用了jQuery的表單驗(yàn)證機(jī)制和easy UI的datetimebox、validatebox等插件。其中選修實(shí)驗(yàn)課程的名稱后用紅色字體 （選修）標(biāo)注，點(diǎn)擊名稱可以查看選修該課程的學(xué)生名單。

4）成績管理模塊：該模塊初始化的時(shí)候分頁顯示所有的班級(jí)信息，點(diǎn)擊“生成excel”按鈕，系統(tǒng)使用Apache POI方式在瀏覽器客戶端生成excel文件供教師下載以查看該班級(jí)所有學(xué)生的成績；點(diǎn)擊學(xué)生姓名，可以彈出一個(gè)頁面以供教師編輯該生的成績，該頁面實(shí)質(zhì)上是利用JavaScript的onchange事件實(shí)現(xiàn)的一個(gè)簡易加、除法計(jì)算器。其中總成績不可編輯，教師可以修改預(yù)習(xí)成績和實(shí)驗(yàn)成績，總成績隨之變化。

2.5學(xué)生端

1）我的預(yù)習(xí)模塊：學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程開始之前進(jìn)入該模塊，只有在規(guī)定的時(shí)間范圍之內(nèi)并且未提交過該實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)試卷的前提下，才能進(jìn)入預(yù)習(xí)試卷做題。當(dāng)學(xué)生第一次點(diǎn)擊進(jìn)入預(yù)習(xí)試卷的時(shí)候，系統(tǒng)從題庫中隨機(jī)抽取該實(shí)驗(yàn)4道不同的預(yù)習(xí)題目組成該同學(xué)的預(yù)習(xí)試卷，并將題目的id記錄到數(shù)據(jù)表的相應(yīng)字段中去。在預(yù)習(xí)試卷頁面當(dāng)中，系統(tǒng)為單選題、多選題和判斷題設(shè)置不同的html標(biāo)簽，當(dāng)學(xué)生點(diǎn)擊“保存并退出”按鈕時(shí)，系統(tǒng)利用jQuery的多種選擇器在前臺(tái)記錄學(xué)生的做題信息，并采用拼接字符串的方式將所有的答案整合成一個(gè)字符串，通過ajax（）方法向后臺(tái)發(fā)送請(qǐng)求，方便學(xué)生下次繼續(xù)做題。當(dāng)學(xué)生點(diǎn)擊“提交試卷”的時(shí)候，系統(tǒng)將學(xué)生的答案和題目的參考答案相比較，自動(dòng)算出預(yù)習(xí)成績。圖4為該模塊的時(shí)序圖。

圖4　預(yù)習(xí)模塊時(shí)序圖Fig．4　The timing diagram of preview

2）實(shí)驗(yàn)?zāi)K：該模塊是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)候使用的。系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)必做實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和要求，為每個(gè)必做實(shí)驗(yàn)編寫相應(yīng)的JSP頁面。學(xué)生只有上課時(shí)間才能進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)頁面提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)同學(xué)有兩次提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)算出實(shí)驗(yàn)結(jié)果并與參考結(jié)果相比較，并給予相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成績。圖5為該模塊活動(dòng)圖。

圖5　實(shí)驗(yàn)?zāi)K活動(dòng)圖Fig．5　The activity diagram of experiments

3　結(jié)束語

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于MVC設(shè)計(jì)思想，通過Maven管理項(xiàng)目，以Struts2、Hibernate、Spring和Ajax為基本框架，緊跟時(shí)代前沿，較好地滿足了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。但是本系統(tǒng)仍然存在一些不足之處，例如沒有將所有的實(shí)驗(yàn)頁面做成一個(gè)統(tǒng)一的接口。最初的設(shè)想是教師在新增實(shí)驗(yàn)的時(shí)候可以自行設(shè)定物理量、物理量的有效位數(shù)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)等等，因?yàn)殡y度較大，取而代之的是根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)編寫一個(gè)獨(dú)立的頁面，增加了項(xiàng)目的工作量，降低了系統(tǒng)的靈活程度。

［1］邵建新，劉云虎，張子英，等．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)考核方式的改革與探索［J］．物理通報(bào)，2010（2）:46-48．

［2］董曉光，喻濤．使用Maven構(gòu)建java項(xiàng)目［J］．電子技術(shù)與軟件工程，2014（10）:105．

［3］徐立新，雷相波．應(yīng)用Maven管理項(xiàng)目 ［J］．電腦知識(shí)與技術(shù)，2010，6（10）:2404-2405．

［4］高洪巖．基于Struts2+Hibernate+Spring使用開發(fā)指南［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010．

［5］郭廣軍，謝東，陳利品．基于SSH整合架構(gòu)的教學(xué)支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（13）:3111-3116．

［6］郭廣軍，朱昭君，王劍波．基于SSH架構(gòu)的課程作業(yè)與成績管理系統(tǒng)［J］．微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2010，27（8）:157-160．

［7］王向兵．Java EE多層架構(gòu)Struts2+Spring3+Hibernate3 +Ajax的整合［D］．大連：大連海事大學(xué)，2009．

［8］楊運(yùn)平，吳智俊．Apache Shiro安全框架在技術(shù)轉(zhuǎn)移服務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2014（3）:158-160．

A system of collegiate physics experiment based on the multilayered architecture of Java EE

QIAO Feng-chun，ZHANG Li，ZHANG Wen-jie
（College of Science，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China）

Physics experiment can effectively develop hands-on ability，practical ability and innovative spirit of students，therefore it plays an important role in the teaching of collegiate Physics．This paper introduces a system of collegiate Physics Experiment based on MVC design ideas，project of which was managed by Maven，and the basic framework of which consists of Struts2，Hibernate，Spring and Ajax．The goal is to overcome the disadvantages of traditional testing methods and improve the automation of teaching management of physics experiment．It is certified that the system is stable and expandable，meet the needs of the teaching reform of physics experiment in a good way，and has a certain value．

physics experiments；SSH2；ajax；jQuery；UML modeling

TN919

A

1674－6236（2016）02-0038-04

2015-03-17稿件編號(hào)：201503226

喬逢春（1994—），男，山西臨汾人，助理工程師。研究方向：電子技術(shù)與應(yīng)用。