基于J2EE的上機實驗CAI系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

張永恒+艾曉燕+劉紅霞

摘 要： 為滿足計算機課程實驗教學(xué)需要，改善上機實驗效果，提高學(xué)生實驗課時間利用率，減輕教師指導(dǎo)學(xué)生實驗的工作強度，設(shè)計了基于Web的上機實驗CAI系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的功能模塊，設(shè)計了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型和功能結(jié)構(gòu)，并基于J2EE技術(shù)SSH框架（Struts + Spring + Hibernate）實現(xiàn)系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該方案便于教師下發(fā)實驗任務(wù)，實現(xiàn)在線指導(dǎo)和作業(yè)統(tǒng)計，便于學(xué)生查看實驗任務(wù)并提交實驗報告，能有效提高計算機課程的上機實驗教學(xué)質(zhì)量和指導(dǎo)效率。

關(guān)鍵詞： CAI； J2EE； 上機實驗； SSH

中圖分類號： TN915.02?34； TP391 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0129?04

Design and development of J2EE?based computer experiment CAI system

ZHANG Yongheng， AI Xiaoyan， LIU Hongxia

（School of Information Engineering， Yulin University， Yulin 719000， China）

Abstract： To satisfy the demands of experiment teaching in computer courses， improve the effect of computer experiment， raise students′ time utilization to experiment courses， reduce teachers′ work intensity for guiding students experiment， the computer experiment CAI system based on Web was designed. In which the function module was analyzed， and system data model and function structure were designed. The system is implemented based on J2EE technology SSH （Struts+ Spring+ Hibernate） framework. Application results show that this scheme is convenient for teachers to assign experimental tasks， implement online guidance and work statistics， and also convenient for students checking experiment tasks and submitting experiment reports. The system can improve the quality of computer experiment teaching and guidance efficiency availably.

Keywords： CAI； J2EE； computer experiment； SSH

0 引 言

上機實驗是培養(yǎng)學(xué)生實際動手操作能力的重要環(huán)節(jié)，在計算機課程的實驗教學(xué)中，教師們普遍使用多媒體電子教室軟件進行輔助教學(xué)。教師在實驗課上首先通過多媒體電子教室軟件下發(fā)實驗題目或作業(yè)，并進行一定的示范，然后讓學(xué)生按照實驗輔導(dǎo)書操作，在實驗過程中教師指導(dǎo)學(xué)生，并且往往要重復(fù)某些相雷同的解釋，學(xué)生在下課時通過多媒體電子教室軟件要提交實驗作業(yè)，上機實驗課全部環(huán)節(jié)一般都必須在不到兩小時的時間內(nèi)完成，這一方面加大了教師的工作量，提高了工作難度，另一方面，對于學(xué)生來說，諸如熟悉實驗、等待指導(dǎo)、交作業(yè)、填寫完成實驗報告等擠占了寶貴的上機時間[1]。隨著學(xué)校的發(fā)展、招生人數(shù)的增加，本校各個機房上機人數(shù)往往超過80人，最多的近120人，此時還使用這種管理方式已經(jīng)不能滿足教學(xué)需要。

目前，國內(nèi)外關(guān)于計算機CAI系統(tǒng)的研究應(yīng)用主要有三類：即基于實驗室的實驗輔助系統(tǒng)，基于計算機類課程的實驗學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)，基于課程輔助教學(xué)的多媒體電子教室軟件。其中，基于實驗室的實驗輔助系統(tǒng)以實驗室為研究對象，主要目標(biāo)是實現(xiàn)實驗室的有效使用，關(guān)心的是實驗時間和地點的安排、實驗室的使用效率和如何提高等[2]；基于計算機類課程的實驗學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)以學(xué)生為中心，主要目標(biāo)是幫助學(xué)生進行某一門計算機類課程的實驗，關(guān)心的是如何對學(xué)生實驗過程進行支持與幫助，促進學(xué)生獨立學(xué)習(xí)并完成實驗任務(wù)[3]；多媒體電子教室軟件對實驗教學(xué)的支持手段較為缺乏，而且基于C/S結(jié)構(gòu)的限制其一般僅能在機房使用。總之，這些實驗教學(xué)輔助系統(tǒng)對實驗教學(xué)過程及管理的支持考慮較少。為有效提高學(xué)生上機時間的利用率，提高教師實驗教學(xué)管理效率，減輕教師的工作負(fù)擔(dān)，需要開發(fā)一個基于Web的計算機課程上機實驗CAI系統(tǒng)，解決多媒體電子教室軟件輔助實驗教學(xué)的不足，實現(xiàn)實驗過程的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化管理。一方面可以解決課堂效率低下及時間不足的缺點，另一方面可以在服務(wù)器上客觀記載實驗過程，并實現(xiàn)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的長期保存，為進一步進行統(tǒng)計分析和計算機自動閱卷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且使實驗拓展至校園網(wǎng)，而不再局限于某一實驗室，為教師和學(xué)生的使用提供方便。

本文根據(jù)對計算機課程上機實驗過程和現(xiàn)有教學(xué)輔助軟件的深入理解，結(jié)合本校實際情況，改進了多媒體電子教室軟件輔助教學(xué)方法的不足，應(yīng)用先進的設(shè)計理念和開發(fā)技術(shù)，介紹了基于B/S結(jié)構(gòu)的上機實驗輔助教學(xué)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及采用Java輕量級框架技術(shù)進行功能實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)建的計算機課程上機實驗CAI系統(tǒng)，既能滿足師生實驗教學(xué)業(yè)務(wù)的當(dāng)前需求，又著眼于未來其他課程輔助上機實驗業(yè)務(wù)的需要，同時也能滿足實驗教學(xué)管理的進一步擴展需求。

1 系統(tǒng)的主要功能模塊分析

1.1 系統(tǒng)總體功能分析

本CAI系統(tǒng)由基礎(chǔ)信息管理、實驗任務(wù)管理、實驗報告管理及實驗成績管理4個子系統(tǒng)構(gòu)成?；A(chǔ)信息管理用于設(shè)置學(xué)生、教師、課程、專業(yè)班級等相應(yīng)的基本信息；實驗任務(wù)管理用于教師填寫實驗內(nèi)容和要求、上傳實驗素材文件以及發(fā)布實驗題目、網(wǎng)上答疑等業(yè)務(wù)需求；實驗報告管理是實現(xiàn)對學(xué)生上傳實驗結(jié)果文件的管理、提交實驗報告的管理、教師對實驗結(jié)果檢驗的管理、教師評判實驗報告等業(yè)務(wù)的管理；而實驗成績管理則是對實驗成績的查詢、統(tǒng)計分析與導(dǎo)出。系統(tǒng)實現(xiàn)的具體功能如圖1所示。

圖1 功能組成圖

1.2 系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程

在上機實驗教學(xué)活動中，主要的角色是教師和學(xué)生，各項業(yè)務(wù)活動都圍繞著教師和學(xué)生這兩個主體進行，此外，上機實驗輔助系統(tǒng)還有管理員這一角色，這些角色在登錄后分別進入不同的界面具有不同的操作功能。教師登錄后可修改基本信息、定制和下發(fā)實驗任務(wù)、上傳實驗素材文件、批改和查看實驗報告、評定和查看實驗成績、回答學(xué)生問題、實驗成績分析和導(dǎo)出等。管理員成功登錄后能夠初始化教師、學(xué)生、專業(yè)班級和課程的信息。學(xué)生登錄后可修改自身信息、查看實驗任務(wù)、向老師提問、查看老師回答、完成實驗后上傳實驗成果文件、提交實驗報告、查看實驗批語和實驗成績等。

根據(jù)以上流程分析，進行系統(tǒng)的主要用例圖設(shè)計，用例圖主要的角色（Actor）包括教師、學(xué)生和管理員，教師用例圖如圖2所示，學(xué)生用例圖如圖3所示，系統(tǒng)管理員用例圖如圖4所示。

圖2 教師用例圖

圖3 學(xué)生用例圖

圖4 管理員用例圖

2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

上機實驗CAI系統(tǒng)采用B/S開發(fā)模式，系統(tǒng)架構(gòu)基于J2EE技術(shù)體系設(shè)計，將系統(tǒng)劃分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層，并從有效提高系統(tǒng)的開放性、可維護性出發(fā)，嚴(yán)格遵循MVC設(shè)計模式，將中間層細化設(shè)計為業(yè)務(wù)層、DAO層和持久化對象層。CAI系統(tǒng)架構(gòu)模型如圖5所示。

其中，表現(xiàn)層（Web層）采用Struts2框架，MVC的控制器既不參與業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)，也不允許對持久層訪問，從而構(gòu)造一個層次清晰、可讀性較好的表現(xiàn)層。持久化對象層采用Hibernate框架將關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)（實體）映射成對象，從而以面向?qū)ο蟮姆绞讲僮鲾?shù)據(jù)庫[4]。系統(tǒng)通過采用Spring框架技術(shù)無縫整合Web層、業(yè)務(wù)邏輯層、DAO層以及持久化對象層，其作用貫穿于整個中間層[5]。

圖5 CAI系統(tǒng)架構(gòu)模型圖

2.2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型設(shè)計

系統(tǒng)的業(yè)務(wù)實體用于實現(xiàn)不同層之間的數(shù)據(jù)交互和傳遞，其在數(shù)據(jù)庫中表現(xiàn)為關(guān)系數(shù)據(jù)。通過分析，上機實驗CAI系統(tǒng)應(yīng)用中涉及到的業(yè)務(wù)實體共有14個，具體為教師信息實體、實驗任務(wù)實體、實驗素材實體、學(xué)生信息實體、課程信息實體、實驗問題實體、問題回答實體、實驗報告實體、實驗成績實體、實驗批語實體、實驗作品實體、實驗日志實體、專業(yè)班級實體、管理員用戶實體等。下面介紹主要的實體模型含義。

（1） 學(xué)生：主要屬性有學(xué)號、姓名、專業(yè)班級編號、訪問密碼、電子郵件、QQ號碼、聯(lián)系電話等。

（2） 教師：主要屬性有教師編號、教師姓名、密碼、電子郵件、聯(lián)系地址、聯(lián)系電話等。

（3） 管理員用戶：主要屬性有管理員用戶名、管理員密碼。

（4） 課程：主要屬性有課程編號、課程名稱等。

（5） 專業(yè)班級：主要屬性有專業(yè)班級編號（取自學(xué)號前6位）、所屬院系、上機課程編號等。

（6） 實驗任務(wù)：主要屬性有實驗編號、實驗類型（分驗證性、設(shè)計性、綜合性）、實驗難度、所屬課程、實驗標(biāo)題、實驗知識點、實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、實驗教師、實驗專業(yè)班級、發(fā)布時間、實驗素材編號等。

（7） 實驗素材：主要屬性有實驗素材編號、文件存儲路徑、所屬實驗任務(wù)。

（8） 問題：主要屬性有問題編號、學(xué)號、問題主題、標(biāo)題、內(nèi)容、提問時間、回答編號等。

（9） 問題回答：主要屬性有回答編號、問題編號、教師編號、回答內(nèi)容、回答時間等。

（10） 實驗報告：主要屬性有實驗報告編號、實驗任務(wù)編號、學(xué)號、所屬專業(yè)班級、實驗結(jié)果文檔名稱、實驗總結(jié)、提交時間等。

（11） 實驗評語：主要屬性有教師編號、實驗評語、批閱時間、實驗報告編號等。

（12） 實驗成績：主要屬性有實驗報告編號、實驗作品編號、學(xué)號、成績。

（13） 實驗日志：記載實驗監(jiān)控信息，主要屬性有學(xué)號、課程號、計算機IP地址、訪問時間、保存時間、提交時間、實驗報告編號等。

（14） 實驗作品：主要屬性有實驗作品編號、學(xué)號、實驗報告編號、文件存儲路徑等。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)

依據(jù)上述設(shè)計，上機實驗CAI系統(tǒng)遵循面向接口編程的原則并應(yīng)用自底向上的開發(fā)方法，即由數(shù)據(jù)層開始依次向上開發(fā)，其實現(xiàn)的核心關(guān)鍵為中間層，中間層的開發(fā)應(yīng)用了Spring + Hibernate框架。

（1） 實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫服務(wù)層：通過MySQL數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的存儲和組織、數(shù)據(jù)庫的分布式管理、數(shù)據(jù)庫的備份和同步等。

（2） 實現(xiàn)持久化對象層：將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)映射成對象，采用Hibernate框架實現(xiàn)O/R Mapping[6]。

（3） 實現(xiàn)DAO層（數(shù)據(jù)訪問層），包含DAO的接口類與DAO的實現(xiàn)類，負(fù)責(zé)與持久化對象交互，封裝數(shù)據(jù)的“增刪改查”操作[7]。

（4） 實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層：通過對DAO對象進行正面模式的封裝并實現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)邏輯[8]。業(yè)務(wù)邏輯層進一步劃分為業(yè)務(wù)邏輯接口類、業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)類兩類。

業(yè)務(wù)邏輯組件的實現(xiàn)類必須依賴DAO接口類提供DAO方法。DAO組件由Spring容器注入，因此在業(yè)務(wù)邏輯層中需要定義依賴注入的DAO組件所必須的setter方法[9]。

（5） 實現(xiàn)Web層：采用Struts2框架實現(xiàn)MVC模式里的“控制器”，完成業(yè)務(wù)邏輯層與表示層之間的信息交互，通過對業(yè)務(wù)邏輯層的調(diào)用，將得到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息返回給表現(xiàn)層進行顯示。

（6） 實現(xiàn)：采用標(biāo)準(zhǔn)的JSP技術(shù)，并結(jié)合Struts2標(biāo)簽庫實現(xiàn)。

3.2 用戶合法性訪問控制

SSH框架中對用戶合法性訪問的控制一般通過Spring的Action來實現(xiàn)，即需要繼承Spring的Action基類并且重新構(gòu)造其execute方法，在execute方法中再調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯組件的具體業(yè)務(wù)方法[10]。在上機實驗CAI系統(tǒng)中，由于每一個Action都需要調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯組件，因此可以構(gòu)造一個工廠類ManagermnetFactory，將業(yè)務(wù)邏輯組件進行統(tǒng)一封裝，并且使得每一個Action都派生自BasicAction基類。實現(xiàn)BasicAction基類的關(guān)鍵代碼[11]如下：

public class BasicAction extends Action {

//定義工廠類屬性，面向接口編程

protected ManagermentFactory managermentfactory；

//依賴注入業(yè)務(wù)邏輯組件必需的setter方法

public void setmanagermentfactory（ManagermentFactory mag） {this.managermentfactory = mag；}

public ActionForward execute（ActionMapping mapping，ActionForm form，HttpServletRequest request，HttpServletResponse response） throws Exception

{return super.execute（mapping，form， request， response）；}}

在上機實驗CAI系統(tǒng)中，由于絕大多數(shù)模塊都需要判斷用戶是否已經(jīng)登錄系統(tǒng)，為了驗證用戶訪問的合法性，設(shè)計了一個公用的安全控制基類SecureAction，該基類為每個需要進行登錄驗證的Action服務(wù)[11?12]。在SecureAction類中定義了一個檢驗用戶是否已經(jīng)登錄的方法execute，該方法的邏輯是：如果用戶沒有登錄，就將用戶重定向至登錄頁面，如果用戶已經(jīng)登錄則調(diào)用該SecureAction類中的另一個方法toExecute。toExecute屬于抽象方法，和一般的Action類中的execute方法有些類似，而且參數(shù)也完全相同，SecureAction的實現(xiàn)類則實現(xiàn)toExecute方法，不再需要調(diào)用執(zhí)行execute方法。

4 結(jié) 論

上機實驗CAI系統(tǒng)基于J2EE平臺設(shè)計并開發(fā)，實現(xiàn)了用戶登錄、實驗任務(wù)發(fā)布模塊、實驗報告生成模塊、實驗評價模塊、在線答疑模塊、實驗成績分析輸出模塊等。目前該系統(tǒng)已經(jīng)通過了測試，并在部分課程的實驗教學(xué)中使用，學(xué)生在校園網(wǎng)環(huán)境中通過使用該系統(tǒng)，可在實驗前查詢實驗任務(wù)，進行實驗任務(wù)預(yù)研并與教師互動交流，有效地提高了上機實驗效率，并實現(xiàn)了實驗成果和實驗報告的電子化保存；教師通過使用該系統(tǒng)減輕了工作負(fù)擔(dān)，有效地提高了實驗指導(dǎo)工作效率，提升了實驗教學(xué)管理的信息化水平。

參考文獻

[1] 李慧.高校計算機實驗教學(xué)輔助系統(tǒng)的研究[J].科技致富向?qū)В?014（18）：99?100.

[2] 王華秀.實驗教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子制作，2014（6）：273?274.

[3] 陳瑜.基于B/S構(gòu)架的在線實驗教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

[4] 周志平.基于MVC架構(gòu)實驗教學(xué)系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

[5] 盧磊，張峰.基于J2EE的高校資產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2011（2）：92?95.

[6] SU Lipi， NOLAN M， DEMARE G， et al. Prognostics frame work software design tool [C]// 2000 IEEE Proceedings of Aerospace Conference. Big Sky： IEEE， 2000： 9?13.

[7] 張永恒，張峰，吳敏寧，等.基于移動互聯(lián)平臺的馬鈴薯生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2013（21）：11?14.

[8] 張永恒.基于SSH架構(gòu)的無紙化考試在線考試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].榆林學(xué)院學(xué)報，2012（4）：61?62.

[9] ZHANG X J. System integration in business information systems： framework， implementation and case study [C]// 2008 IEEE International Conference on Wireless Communications， Networking and Mobile Computing. [S.l.]： IEEE， 2008： 468?474.

[10] 莊科君，賀寶勛.基于云計算的高校計算機實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計研究[J].電腦知識與技術(shù)，2013（2）：306?309.

[11] 趙小平，薛惠鋒.基于Seam的企業(yè)客戶服務(wù)平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2012（20）：10?12.

[12] 張偉.高校計算機實驗教學(xué)輔助系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].信息與電腦：理論版，2012（1）：180?181.