張無奇, 王興鈺, 沙 毅, 張立立

(東北大學 計算機科學與工程學院 國家級計算機實驗教學示范中心,沈陽 110819)

0 引 言

近年來，隨著我國高等教育的快速發(fā)展，高校學科建設[1]、科學研究工作的快速提高、學校管理變革的推進[2]、儀器設備日益增多，高校的設備資產(chǎn)在數(shù)量和質(zhì)量上都得到了快速增長和提高，極大地改善了教學、科研實驗室裝備條件。實驗室建設規(guī)范化、復雜化的同時，實驗室管理工作也變得繁重和復雜。以傳統(tǒng)的人工、紙質(zhì)記錄管理方式為主的實驗室管理模式已很難適應實驗室現(xiàn)代化管理模式[3]。從全國高校實驗室的使用效益評估的結果來看，使用效益、經(jīng)濟效益和管理機制的提高迫在眉睫，亟需一種高效便捷的實驗室管理模式為其提供保障[4]。

計算機實驗教學示范中心在實驗室課程評價體系和信息化方面做了大量工作[5]，但是實驗課作為理論課的一部分，實驗內(nèi)容基本都是對理論課程的原理驗證和綜合系統(tǒng)設計，沒有實驗考試環(huán)節(jié)，最終實驗成績的給出也只是籠統(tǒng)地給出實驗總成績。因此有必要對實驗課程的評價體系[6]進行改革，并且將信息化網(wǎng)絡化這些先進的教學手段融入實驗課程改革，更能起到事半功倍?？偨Y實驗課程評價仍然存在一些問題[7]：

(1) 實驗教學體系和考核評價體系[8]不規(guī)范，缺少有效的監(jiān)督環(huán)節(jié)，而且對于實驗過程和考核管理都是靠人工完成，費時費力，工作量繁重。

(2) 計算機示范中心的信息化建設不健全，缺少教學管理系統(tǒng)[9]，包括智能排課、考試管理、選課管理、成績管理、教材管理、實踐管理、教學質(zhì)量評價、實驗室安全及設備管理系統(tǒng)等信息化模塊。

(3) 學生出勤評價。學生實驗時，到實驗室后需要進行紙質(zhì)簽到。不僅浪費資源，而且教師也要按照學生名單簽到本進行核對，統(tǒng)計出勤情況，費時費力。還有可能出現(xiàn)學生代簽到，造成出勤評價不客觀。

(4) 實驗課堂表現(xiàn)評價。現(xiàn)有教學評價是教師對學生“一對多”單方向上，憑借教師對學生在課堂上或?qū)嵙暺陂g觀察與了解，或依據(jù)實驗報告及實習報告來鑒定，不能對實驗的課堂表現(xiàn)進行現(xiàn)場打分。所做的教學評價不能客觀、有效、全面地評價學生學習狀況，而且實驗報告或?qū)嵙晥蟾嫣峤唤處熐?，學生往往隨意互相借鑒和交流，有的甚至是抄襲，故僅憑單向的有限信息對學生所做的教學評價是不客觀和片面性的。

(5) 實驗總成績的評定。目前實驗教學缺乏考試環(huán)節(jié)，實驗總成績的評定都是根據(jù)實驗報告和學生表現(xiàn)綜合評定后給出。實驗教師需要核算每次實驗報告成績和平時學生表現(xiàn)的成績，通過一定的權重計算，計算出總實驗成績，由于學生人數(shù)較多，計算實驗成績的工作量很大，還容易計算錯誤。

鑒于以上存在的問題，計算機示范中心力爭在實驗教學體系和信息化方面進行改革、完善。

1 實驗室綜合管理總體設計

國家級計算機實驗教學示范中心學習其他高校的實驗教學改革經(jīng)驗，制定了一整套適合中心發(fā)展的總體規(guī)劃，從實驗類型分類信息化管理和實驗流程規(guī)范化管理兩方面入手。

1.1 實驗類型分類信息化管理

將實驗按照課程類型分為：軟件語言類、計算機硬件類、通信類和單片機嵌入式類。

(1) 軟件語言類。計算機學院軟件類課程豐富，且需要的軟件環(huán)境也是五花八門，每次都需要在PC上安裝軟件，費時費力，更新軟件環(huán)境也給實驗教師造成很大麻煩；而且語言類課程，學生編程容易抄襲，學習效果差，鑒于此，學院引入遠程系統(tǒng)，將軟件環(huán)境都安裝在服務器中，學生可登錄虛擬環(huán)境即可進行實驗，教師更新軟件時也可在服務器端操作，大大減輕了維護實驗設備的工作量。并針對編程語言學生學習效果差的問題，嘗試C語言程序設計實驗利用OJ系統(tǒng)，在傳統(tǒng)實驗教學中，增加在線測試系統(tǒng)，一方面利用網(wǎng)絡在線測試實驗考試督促學生學習過程，另一方面為后期的ACM比賽培養(yǎng)人才。

(2) 計算機硬件類。計算機硬件課程包括：計算機組成原理和接口技術等，計算機學院嘗試利用浙江大學研發(fā)的Nexys4-DDR4和Sword系統(tǒng)，完成計算機組成原理的貫通課程改革。

(3) 通信類。通信類課程專業(yè)性強，傳統(tǒng)實驗只能配合原理課程完成一些驗證性和綜合性實驗，改革通信電子線路課程實驗改為獨立設課，從18學時增加到32學時，學生在完成基礎16學時實驗后，需要完成一個典型通信系統(tǒng)設計性實驗。

(4) 單片機嵌入式類。此類課程與電子競賽相結合，大一開展電工電子實訓，培養(yǎng)學生焊接動手能力，有了C語言的基礎接著進行STC89C52單片機訓練，后續(xù)進行MSP430單片機培訓，學生在此基礎上進行有針對性的學習，即可參加電子競賽，也為單片機嵌入式類課程奠定基礎。

1.2 實驗流程規(guī)范化管理

實驗教學體系的完善，依附于實驗評價管理[10]。按照實驗成績組成將實驗系統(tǒng)分為實驗預習、實驗過程、實驗報告和實驗考試管理及實驗評價系統(tǒng)[11]。

2 實驗室管理系統(tǒng)設計

2.1 實驗資源預習平臺

預習平臺為學生用戶使用，將每一個實驗預習信息的地址生成一個二維碼，學生可以登錄自己的賬戶訪問，也可掃描二維碼訪問。學生登錄只可以訪問自己所屬的實驗。

訪問一個實驗預習信息頁面的請求發(fā)送給服務器后，服務器將在數(shù)據(jù)表中查詢該實驗的預習信息以及相應的預習題目。網(wǎng)頁中可以顯示相應的預習材料和預習題目。預習題目為選擇題。

學生作答預習題目完成后提交，使用AJAX技術提交一個JSON數(shù)據(jù)給服務器[12]，JSON數(shù)據(jù)記錄了每一道題該學生的作答。服務器與數(shù)據(jù)表中的標準答案比對之后，記錄作答成績并返回一個JSON數(shù)據(jù)，記錄每一道題正確與否，客戶端頁面接收到服務器返回的數(shù)據(jù)后，使用JavaScript動態(tài)修改頁面內(nèi)容以顯示作答結果。具體流程如圖1所示。

圖1 預習系統(tǒng)結構框圖

2.2 實驗過程管理系統(tǒng)

學生進入實驗室后刷一卡通，語音播報隨機分配的實驗臺號，同時教師機也會出現(xiàn)刷卡學生的信息，學生也可在教師機端確認是否刷卡，通過局域網(wǎng)將本次實驗學生刷卡名單上傳給iPad，在iPad上可以進行預習和課堂的成績評定。教師可根據(jù)學生的課堂表現(xiàn)進行本次實驗的成績評定。此系統(tǒng)適合專業(yè)實驗室的使用，不需要學生提前實驗預約[13]，減少操作麻煩。這種方式既完成了實驗簽到，又能有效地監(jiān)督學生課堂表現(xiàn)，有效提高課堂教學質(zhì)量，節(jié)省紙張。課堂評價系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 實驗過程管理結構圖

2.3 實驗成績管理系統(tǒng)

計算機實驗教學示范中心目前有計算機實驗室、通信實驗室和微控制器實驗室3個方向，各學科之間都有差異，實驗成績的評定方法很難做到統(tǒng)一，因此，將實驗成績分成4部分，即實驗總成績=預習成績+課堂成績+實驗報告+實驗考試。各部分成績可以按照百分比設置，也可以按照最高分設置。各學科根據(jù)自己的特點，對課程評價各部分設置不同的權重，這樣不僅達到了全局統(tǒng)一，而且又兼顧了各學科特色，制定了適合整個實驗中心的課程評價方法。

由于實驗課堂成績已經(jīng)在上課時實時評價，而預習成績?yōu)轭A習后做練習的成績，這里只需要錄入學生每個實驗的作業(yè)成績和課程考試成績。

已登錄的教師選擇自己名下的課程或者課程下的實驗，向服務器提交請求，服務器返回實驗中的學生名單及成績，教師可以根據(jù)需要修改，修改完提交服務器，服務器對數(shù)據(jù)表做相應的修改。

設置成績各部分比重及顯示學生成績。教師可以修改成績的各個組成部分(課堂，作業(yè)，考試，預習成績)在總成績中所占的比重，送交服務器保存。

當向服務器發(fā)送查詢成績的請求時，服務器根據(jù)先前設置的各部分比重對學生的各部分成績進行加權求和，然后返回給客戶端。

2.4 實驗評價系統(tǒng)

評價系統(tǒng)[14]是對實驗項目及教師教學過程信息化網(wǎng)絡化與學生進行互動和評價的管理系統(tǒng)。教師端可在系統(tǒng)發(fā)布實驗項目，學生可查看實驗項目介紹內(nèi)容進行預習，實驗完成后可針對實驗項目內(nèi)容和教師授課情況進行評價，系統(tǒng)結構組成類似于淘寶購物后商品評價系統(tǒng)，可進行客觀評價，并進行留言互動。

學生每次在一個課程下做完一次實驗，即可登錄自己的賬號對該實驗進行評價和反饋，每個學生只可進行一次評價和對總體以及實驗內(nèi)容，授課教師和自我表現(xiàn)進行評分。

學生也可以看到其他同學的評價和評論的信息。每個同學的評價信息上傳到服務器后，任課教師可以在自己的賬戶中查看每一個實驗的評價情況，獲得學生對實驗的反饋，及時對教學進行調(diào)整。實驗評價及反饋的流程圖如圖3所示。

圖3 實驗評價系統(tǒng)結構圖

3 系統(tǒng)軟件調(diào)試

軟件部分調(diào)試分為：運行環(huán)境調(diào)試和應用程序調(diào)試，其中運行環(huán)境調(diào)試主要是為本系統(tǒng)提供可靠的底層的客戶端—服務器通信和數(shù)據(jù)庫支持，應用程序調(diào)試則是為保證系統(tǒng)的正確運行和功能的完整，進行業(yè)務邏輯的測試。

由于系統(tǒng)適用地點的多樣性和服務器資源[15]的有限性，需要客戶端與服務器進行遠程通信，特別是簽到系統(tǒng)對實時性的要求較高，更需要保證這種遠程通信的暢通，在本系統(tǒng)中，使用WebSocket協(xié)議在簽到系統(tǒng)中實現(xiàn)客戶端和服務器的通信。本系統(tǒng)使用基于PHP的WebSocket框架Workerman，由于在Windows下無法做到進程守護，且無法fork多進程充分利用多CPU資源，所以服務器使用Linux系統(tǒng)。在基本的LAMP運行環(huán)境安裝完成后，編寫Workerman測試程序，在Terminal中輸入PHP start.PHP start進行調(diào)試，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)調(diào)試過程圖

這個界面顯示W(wǎng)orkerman已經(jīng)正常工作，然后使用前端測試頁面與服務器建立WebSocket連接，測試連接是否暢通。此外還需測試服務器端Apache服務器，PHP運行環(huán)境和MySQL數(shù)據(jù)庫是否正常運行。

在調(diào)試好整個服務器端系統(tǒng)服務后，把之前編寫好的Web應用程序上傳至服務器的Web目錄(/var/www/html),在客戶端打開瀏覽器輸入服務器IP地址，219.216.65.147端口號10002，就可以訪問本系統(tǒng)，輸入管理員賬號進行對業(yè)務邏輯的測試。測試流程圖如圖5所示。系統(tǒng)經(jīng)過嚴格測試，運行穩(wěn)定。

圖5 測試流程圖

4 結 語

本文基于實驗教學示范中心建設應以培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新能力和提高教學質(zhì)量為宗旨，以實驗教學改革為核心，以實驗資源開放共享為基礎，以高素質(zhì)實驗教學隊伍和完備的實驗條件為保障，創(chuàng)新管理機制，利用計算機輔助教學的理念，全面提高實驗教學水平和實驗室使用效益。