張廣斌,王長順,袁 婷,吳 婧,凌 駿,武升宇

(南京航空航天大學 物理學院,江蘇 南京 211100)

中共中央、國務院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》重點部署了面向教育現(xiàn)代化的十大戰(zhàn)略任務,其中包括加快信息化時代教育變革,建設智能化校園,統(tǒng)籌建設一體化智能化教學、管理與服務平臺,利用現(xiàn)代技術加快推動人才培養(yǎng)模式改革,實現(xiàn)規(guī)?；逃c個性化培養(yǎng)的有機結(jié)合。在教育領域,打破傳統(tǒng)教學觀念,充分發(fā)揮信息技術的優(yōu)勢,大力推進信息技術在教學過程中的應用,促進信息技術與課程的融合,近年來成為教育研究和探索的熱點[1-5]。

大學物理實驗是高等學校理工科類專業(yè)學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程,在引導學生掌握物理知識與技能、培養(yǎng)實踐動手能力、提高科學研究素養(yǎng)、提升參與實踐與科學研究內(nèi)驅(qū)力、建立科學的世界觀、人生觀和價值觀方面具有非常重要和深遠的作用。實驗課程的性質(zhì)和重要性決定了其排課方式、上課形式、教學模式和考核方法不同于一般的理論課程,在課程種類多、學生體量大,課堂次數(shù)多、實驗項目全、實驗室場地有限的前提下,教學的組織和實施越來越依賴于信息技術的支持[6-10]。傳統(tǒng)的實驗教學管理系統(tǒng)依托于計算機使用,在時域和空域上受到一定的限制,隨著移動互聯(lián)技術的快速發(fā)展和5G時代的到來,智能手機逐漸超越了電腦的使用范圍,智能手機已成為當代大學生日常生活和學習必不可少的工具,其在智慧教學、智慧管理中的作用也愈加明顯。

南京航空航天大學物理實驗教學長期實行開放式管理模式,依據(jù)課程教學要求和培養(yǎng)計劃安排實驗開放課堂,學生可以根據(jù)所在專業(yè)、個人興趣和空余時間,利用選課系統(tǒng)靈活自主地預約實驗課堂。在原有管理模式下,我校物理實驗中心融合現(xiàn)代技術手段,與徐州柏拉圖科技有限公司合作完善了物理實驗教學管理系統(tǒng)功能,形成了以物理實驗中心網(wǎng)站和物理實驗中心微信公眾號為依托的智慧教學綜合管理體系,充分發(fā)揮了智能手機在選課、報告下載、上課提醒、智能考勤、報告上傳、成績反饋等一系列教學環(huán)節(jié)中的便捷作用,受到學生普遍好評。

1 系統(tǒng)功能架構

教學管理系統(tǒng)包括前臺和后臺兩個部分。后臺主要包括系統(tǒng)設置、課程管理、用戶管理、預約管理、綜合查詢等模塊,前臺包括信息查詢、用戶預約、課堂管理等模塊。按使用對象,綜合管理系統(tǒng)分為管理員、教師和學生三類用戶。管理員通過電腦后臺系統(tǒng)管理基礎數(shù)據(jù),學生和教師既可以在電腦端登錄使用,又可以利用智能手機在微信端實現(xiàn)移動操作。

教學管理系統(tǒng)的主要功能體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)課程信息管理:主要包括開課學期設置、課程類別及要求的設置、學生信息導入等。系統(tǒng)管理員首先要將當前學期設置為開課學期,并編輯開課學期的課程類別和課程要求。學生信息導入系統(tǒng)后,管理員以班級為單位將其劃分在相應的實驗課程下,以便學生查看到相應的實驗課程和具體要求。

(2)實驗項目管理:主要包括項目編輯和實驗室編輯。實驗項目是在實驗室完成教學任務和目標的必備環(huán)節(jié),管理員首先要編輯所有實驗項目信息和實驗室信息(房間號),其次根據(jù)課程要求對其添加開設的實驗項目和實驗室信息,以便對課程學生實施開放排課或整班排課,也可按項目或?qū)嶒炇也樵兿嚓P開課信息。

(3)實驗開放預約:主要包括管理員排課管理和學生選課管理。實驗預約可以針對不同課程提前選擇和安排實驗內(nèi)容,教師根據(jù)教學進度表,實驗室空閑情況以及學生人數(shù)安排實驗項目。學生根據(jù)自身情況和課程要求,自主預約選擇難易度不同的實驗項目,循序漸進的選擇和完成實驗。而管理系統(tǒng)會根據(jù)以上的預約情況實時更新數(shù)據(jù)庫信息,不斷為實驗人員提供最新的課堂信息。

(4)報告管理與成績評定:主要包括報告上傳、報告批閱和報告管理三部分。學生選課后可以自行下載并打印該實驗項目的實驗報告,完成實驗和報告后,按照要求將報告拍照上傳至選課系統(tǒng)。教師則根據(jù)評判標準查看、批閱實驗報告,并予以成績反饋,對于問題報告教師可做退回處理。

(5)課堂管理與服務:主要包括消息提醒、課堂考勤派位、綜合查詢等。消息提醒功能適時為學生選課、退課和上課推送消息,同時為教師發(fā)送上課提醒;課堂考勤功能便于課堂出勤統(tǒng)計和自動派位;綜合查詢功能為管理員、學生和教師提供了便捷的查詢服務,包括開課情況查詢、工作量統(tǒng)計、課堂查詢、成績查詢、報告查詢及各類匯總等。

2 主要技術

2.1 開發(fā)環(huán)境

教學系統(tǒng)運行在Linux環(huán)境,由前端和后端兩個部分組成,均采用開源技術開發(fā)。后端利用JAVA語言編寫,將MySQL作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),主要負責具體業(yè)務功能的實現(xiàn)與持續(xù)改進;前端使用JavaScript語言開發(fā),基于Html5和Css3技術構建交互頁面與視覺效果,其主要功能包括信息展示和用戶交互兩部分,通過訪問后臺接口完成具體業(yè)務流程。系統(tǒng)的開發(fā)工具采用了微軟提供的開源軟件Visual Studio Code,開發(fā)和部署使用了Docker容器技術。

2.2 技術架構

為便于部署與維護,系統(tǒng)采用B/S架構[11-12]設計,用戶可以直接通過瀏覽器和微信使用。PC端和微信端教學系統(tǒng)采用前端技術實現(xiàn),通過nginx提供訪問,后端API部署在Servlet容器Glassfish上,通過nginx反向代理提供訪問。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 技術架構圖

后端所有功能皆以REST-API的形式提供,包括登錄認證、角色的權限管理服務以及教學相關的各類業(yè)務邏輯的實現(xiàn)(例如查看開放課堂和預約情況、下載實驗報告文件、實驗考勤、上傳實驗報告圖片、批閱報告、查詢成績以及各類管理與統(tǒng)計等)。前端代碼通過訪問接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、創(chuàng)建、更新與刪除。前端主要負責顯示數(shù)據(jù),響應用戶的操作以及發(fā)起對接口的請求并處理返回的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

實驗教學活動以開放預約的形式進行組織,由管理員發(fā)布開放的場次,設定時間、地點、實驗科目和任課教師,學生則可以選擇預約某一個具體的場次。管理員若不指定任課教師,可由任課教師自行選擇上課場次。主要的教學流程如圖2所示。

圖2 教學流程

3.1 數(shù)據(jù)庫設計

實驗教學管理系統(tǒng)涉及實驗開放教學的每個環(huán)節(jié),主要包括發(fā)布實驗場次、學生選課、簽到實驗、提交報告、學生評教、批閱報告(打分)。系統(tǒng)主要涉及兩個核心業(yè)務關系,一個是發(fā)布場次,一個是選課。在數(shù)據(jù)庫中以場次表(lesson)和選課表(elect)來表述這兩個業(yè)務關系,其他諸如人員、部門、班級、科目、時間、地點等等都以實體表進行表述,通過外鍵關聯(lián)與核心業(yè)務表建立聯(lián)系。主要的數(shù)據(jù)庫關系的設計如圖3所示。

圖3 實體關系圖

3.2 后臺管理的實現(xiàn)

系統(tǒng)后臺由一組基于遵循JSR311規(guī)范標準的接口構成,即所謂的REST API,每個接口相互獨立,并定義特定的訪問權限,各自完成一部分系統(tǒng)功能。因此各接口之間沒有耦合,可獨立替換而不造成影響。

接口的實現(xiàn)在JAVA代碼中以三個層級的對象完成,資源對象響應HTTP請求,通過響應的業(yè)務對象執(zhí)行具體流程,通常需要通過數(shù)據(jù)訪問層的數(shù)據(jù)訪問對象進行持久化操作,具體的數(shù)據(jù)庫交互是由Dbutils對象完成。如圖4所示。

圖4 業(yè)務對象關系

以下載報告為例,用戶請求接口/report_paper/{rptNum}傳遞報告編號,系統(tǒng)由Report Paper Resource對象響應請求,通過Jasper對象生成pdf文件返回,該過程通過ReportDao查詢相關信息置入報告模板對象。實際查詢數(shù)據(jù)由Dbutils封裝JDBC來實現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)前臺的實現(xiàn)

系統(tǒng)的用戶交互實現(xiàn)分為PC端和微信端,均采用前端技術實現(xiàn),分別適配電腦和手機屏幕尺寸。PC端設計采用Dojo(1.x)框架實現(xiàn),微信端使用Vue實現(xiàn)。兩者都是模塊化、組件化設計,通過Ajax請求與后臺接口進行交互。系統(tǒng)主要功能在兩個終端都有實現(xiàn),區(qū)別在于學生上傳報告圖片時依賴于手機拍照功能,只能在微信端使用,而教師批閱報告則需要較大的畫面顯示,只能在PC端實現(xiàn),這里僅以微信端為例介紹主要的程序構成。

微信端教學系統(tǒng)程序功能包含查詢實驗、選課/取消/改選實驗、下載報告紙、上傳實驗報告圖片、查看批閱和實驗成績等等。每個功能在一個或多個頁面中實現(xiàn),頁面之間的切換通過前端路由實現(xiàn)。整個微信端教學系統(tǒng)程序的狀態(tài)統(tǒng)一由Store對象管理,并負責發(fā)起對后臺接口的請求,獲取數(shù)據(jù)響應更新狀態(tài)變量。各頁面元素與狀態(tài)變量綁定,當數(shù)據(jù)變化時將自動更新頁面顯示(vue響應式編程設計)。

基于這種設計思想,整個教學前端程序就拆分成若干個組件單元,包含頁面模板的UI組件或者僅實現(xiàn)特定功能的非交互組件。

4 系統(tǒng)界面

以學生手機微信端和教師電腦端顯示為例,簡單介紹一下系統(tǒng)界面。學生登錄系統(tǒng)后,可以查看到課程的相關要求,并根據(jù)具體要求自由選擇實驗項目。對于預約選課或取消已預約課堂,系統(tǒng)會在操作后推送消息,上課前一天,系統(tǒng)會定時發(fā)送上課提醒。報告下載、預習測試、報告提交、課堂評價、成績查看、信息反饋、出勤記錄和實驗進展的查看等均可通過手機微信端實現(xiàn),部分微信端界面如圖5所示。另外,教師可以通過電腦端登錄系統(tǒng),查看學生的實驗進度、測試情況、評教情況、各個數(shù)據(jù)的統(tǒng)計情況等,并通過報告批改系統(tǒng)在線批閱實驗報告。教師電腦端的開課項目統(tǒng)計和報告批改界面如圖6所示。

圖5 學生微信端界面

圖6 教師電腦端界面

5 系統(tǒng)運行

歷經(jīng)5年探索和持續(xù)改進,開放式實驗教學管理系統(tǒng)運行效果顯著,經(jīng)過近20 000余名學生檢驗,實踐效果顯著,學生高度認可。多次通過校內(nèi)外座談和成果匯報推廣建設成效,受到業(yè)內(nèi)同仁、工程教育專業(yè)認證專家和學校主管部門的高度贊揚。江蘇省物理學會對教改成果給予“為其他高校深入推進大學物理實驗教學改革指明了方向”的高度評價。

開放式實驗教學管理系統(tǒng)的教學管理理念先進,組織靈活,該系統(tǒng)除了在本校大學物理實驗課程和應用物理實驗課程使用外,在國內(nèi)高校中已推廣到河海大學、南京信息工程大學、江蘇師范大學等10余所高校使用或試用。

6 結(jié) 論

本文介紹的開放式實驗教學管理系統(tǒng),充分發(fā)揮了智能手機的巨大潛力,學生通過微信公眾號登錄教學管理系統(tǒng)即可實現(xiàn)移動學習、移動查詢、實時選退課、上課提醒、遠程提交報告、成績查詢等功能,提高了實驗課程的管理水平和課堂管理效率,教學和管理效果受到行內(nèi)專家和校內(nèi)師生的普遍好評,為深層次開展實驗教學改革提供了必要的信息化條件支撐。