基于“編譯原理”課程的在線答疑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梅 蓉，張友能

1 研究背景與意義

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)迅猛發(fā)展，教育教學(xué)領(lǐng)域發(fā)生一系列重大變革［1］.傳統(tǒng)教學(xué)模式條件苛刻，要求教師和學(xué)生必須在學(xué)校課堂上完成教學(xué)任務(wù)和學(xué)習(xí)任務(wù)，導(dǎo)致師生之間溝通交流的機(jī)會較少［2］.為解決這一問題，眾多高校紛紛引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，搭建師生交流平臺.而在線答疑系統(tǒng)作為交流平臺的典型代表，能打破時(shí)間和地域限制，幫助教師和學(xué)生開展學(xué)習(xí)交流活動［3］.針對課堂中不解以及疑惑的知識點(diǎn)，學(xué)生可通過該平臺向教師和其他同學(xué)尋求幫助，而教師也可以隨時(shí)隨地通過該平臺進(jìn)行答疑，幫助學(xué)生順利完成學(xué)習(xí)任務(wù).本課題以“編譯原理”為試驗(yàn)課程，設(shè)計(jì)與搭建在線答疑系統(tǒng)，以期完善平臺功能，便于日后在高校中推廣［4］.

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 B/S架構(gòu)

“B/S架構(gòu)”是Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)的簡稱［5］，是當(dāng)前Web開發(fā)中廣泛使用的一種技術(shù)“.C/S架構(gòu)”是Client/Server（客戶端/服務(wù)器）架構(gòu)的簡稱，基于該傳統(tǒng)架構(gòu)的應(yīng)用程序［6］，用戶需要在本地下載安裝客戶端，通過本地客戶端和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，才能完成系統(tǒng)既定功能［7］.例如日常使用的QQ桌面軟件，需要用戶下載并安裝QQ客戶端，然后在客戶端進(jìn)行登錄后才可完成聊天功能.而基于B/S架構(gòu)的應(yīng)用程序，用戶通過瀏覽器即可與服務(wù)器完成交互操作，如圖1所示.

圖1 B/S架構(gòu)原理

具體實(shí)現(xiàn)如下：用戶在瀏覽器中通過form表單發(fā)出操作請求（Request），該請求被Web服務(wù)器接收后，服務(wù)器會調(diào)用相應(yīng)邏輯代碼進(jìn)行處理，處理完畢后將處理結(jié)果通過Response響應(yīng)給瀏覽器，而后瀏覽器解析并渲染該響應(yīng)結(jié)果，呈現(xiàn)給用戶，這就是B/S架構(gòu)的工作流程.

2.2 MVC模式

“MVC模式”是Model—View—Controller（模型—視圖—控制器）模式的簡稱［8］，其中“V”代表View（視圖），是指瀏覽器呈現(xiàn)給用戶的界面，用戶通過視圖界面與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；“M”代表Model（模型），是指后端程序的具體邏輯功能，不同請求數(shù)據(jù)經(jīng)過Model模型層會得到不同處理結(jié)果，例如在Java中，將實(shí)體類和邏輯功能封裝成JavaBean，而Java-Bean在MVC模型設(shè)計(jì)中是Model模型，又稱“實(shí)體模型層”；“C”代表Controller（控制器），是視圖和模型之間的橋梁和紐帶.控制器可以將用戶從視圖提交的請求轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)模型進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理，并將模型處理結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)視圖［9］，進(jìn)行頁面展示，如圖2所示.基于MVC設(shè)計(jì)模式，可以將應(yīng)用程序的開發(fā)分為三個(gè)模塊：即頁面展示、業(yè)務(wù)邏輯、轉(zhuǎn)發(fā)控制.分模塊開發(fā)既能提升開發(fā)效率，也可為后期維護(hù)和擴(kuò)展提供方便，比如項(xiàng)目上線后需要額外增加功能，只需在三個(gè)模塊增加相應(yīng)代碼即可完成［10］.

圖2 MVC模式原理

2.3 Servlet和JSP

“Servelt”是Server Applet的 簡 稱［11］，狹 義的Servlet是指Java語言實(shí)現(xiàn)的一個(gè)接口；廣義的Servlet是指所有實(shí)現(xiàn)了該接口的Java類［12］.在Java語言中，Servlet繼承HttpServlet類，并覆寫doget以 及dopost等 方 法［13］.而Servlet正 是上述MVC結(jié)構(gòu)中的控制器，Servlet的實(shí)現(xiàn)遵循了服務(wù)器能識別的規(guī)則，即當(dāng)用戶通過瀏覽器發(fā)起請求時(shí)，該請求被Servlet識別并轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)業(yè)務(wù)邏輯，待處理完畢后，Servlet會將處理結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)展示頁面.而JSP（Java Server Pages）是一種簡化的Servlet，便于開發(fā)人員編寫前端代碼.但服務(wù)器只認(rèn)識Servlet，因此需要將JSP轉(zhuǎn)譯成Servlet，即當(dāng)瀏覽器向服務(wù)器請求JSP頁面時(shí)，服務(wù)器接收到該請求后，調(diào)用內(nèi)部JspServlet，將該JSP頁面轉(zhuǎn)譯成相應(yīng)的Servlet，隨后服務(wù)器執(zhí)行轉(zhuǎn)譯后的Servlet，并將執(zhí)行結(jié)果響應(yīng)給瀏覽器，具體如圖3所示.

圖3 JSP原理

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)答疑系統(tǒng)基本業(yè)務(wù)需求和功能分析，將答疑系統(tǒng)分為三個(gè)功能模塊：即學(xué)生功能模塊、教師功能模塊和管理員功能模塊，具體如圖4所示.

圖4 “編譯原理”在線答疑系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.1 學(xué)生功能模塊

學(xué)生功能模塊具有如下五方面功能，具體如圖5所示.

圖5 學(xué)生功能模塊圖

（1）學(xué)生注冊和登錄.學(xué)生登錄系統(tǒng)時(shí)采取實(shí)名制，未注冊學(xué)生憑借學(xué)號和姓名完成注冊后方可登錄系統(tǒng).

（2）學(xué)生成功登錄系統(tǒng)后，可查看個(gè)人信息、修改個(gè)人信息和密碼.

（3）可查看所選課程信息，包括該課程下的提問信息和回復(fù)信息.

（4）可查看自己的提問信息以及回復(fù)信息，并參與提問以及課程問題討論環(huán)節(jié)，這也是學(xué)生角色的核心功能.

（5）可檢索學(xué)校開設(shè)的課程，并根據(jù)自身興趣愛好申請相關(guān)課程.

3.2 教師功能模塊

教師功能模塊具有如下五方面功能，具體如圖6所示.

圖6 教師功能模塊圖

（1）教師注冊和登錄.教師登錄系統(tǒng)時(shí)采取實(shí)名制，由于系統(tǒng)設(shè)定，注冊用戶均為學(xué)生角色，因此教師完成注冊后需向管理員申請修改角色權(quán)限.

（2）教師登錄成功后，可查看個(gè)人信息，修改個(gè)人信息和密碼.

（3）可查看未回答的問題和已回答的問題，從而解答未回答的問題，對已回答的問題進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)充，這是教師角色的核心功能.

（4）可查看所授課程信息，以及選課學(xué)生情況.

（5）可查看所授課程的學(xué)生申請情況，并對申請學(xué)生進(jìn)行管理，也可通過學(xué)號搜索，將學(xué)生主動添加進(jìn)入課程.

3.3 管理員功能模塊

管理員功能模塊具有如下五方面功能，具體如圖7所示.

圖7 管理員功能模塊圖

（1）管理員登錄.管理員分為超級管理員和普通管理員兩種，普通管理員只有獲得超級管理員授權(quán)，才能擁有管理員賬號.

（2）管理員登錄成功后，可查看當(dāng)前開設(shè)的課程信息、添加課程信息、修改課程信息，以及刪除課程信息.

（3）可查看當(dāng)前系統(tǒng)中的所有提問和回復(fù)，并全面甄別提問和回復(fù)內(nèi)容，一旦發(fā)現(xiàn)不恰當(dāng)?shù)难哉?，可以進(jìn)行刪帖操作.

（4）可修改學(xué)生角色、教師角色，以及普通管理員角色的權(quán)限，系統(tǒng)默認(rèn)注冊均為學(xué)生角色，如有需要可以向管理員提出修改角色權(quán)限的申請.

（5）超級管理員可查看所有管理員信息，并對這些信息進(jìn)行增、刪、改操作，普通管理員只能查看個(gè)人信息，無權(quán)查看系統(tǒng)中其他管理員信息.

4 數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求和部署規(guī)模，需要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫以存放用戶數(shù)據(jù).該系統(tǒng)共需建立如下6張表：用戶信息表、課程信息表、申請信息表、提問信息表、回復(fù)信息表和課程表.

4.1 用戶信息表

用戶信息表實(shí)體內(nèi)容包含以下字段：uid（用戶編號）、uname（用戶姓名）、upwd（用戶密碼）、ugender（用戶性別）、uemail（用戶電子郵箱）、urole（用戶角色）、uregdate（用戶注冊日期）和ulastlogin（用戶最后登錄日期）.其中uid為主鍵約束.

4.2 課程信息表

課程信息表實(shí)體內(nèi)容包含以下字段：cid（課程編號）、cname（課程名字）和cdetail（課程描述）.其中cid為主鍵約束.

4.3 申請信息表

申請信息表實(shí)體內(nèi)容包含以下字段：aid（申請編號）、uid（用戶編號）、cid（申請課程編號）、areason（申請?jiān)颍?、astatus（申請狀態(tài)）和aflag（申請?zhí)幚順?biāo)志）.其中aid為主鍵約束，uid、cid為外鍵約束.

4.4 提問信息表

提問信息表實(shí)體內(nèi)容包含以下字段：qid（提問編號）、uid（提問人編號）、cid（提問所屬課程編號）、qtitle（提問標(biāo)題）、qcontent（提問內(nèi)容）和qdate（提問日期）.其中qid為主鍵約束，uid、cid為外鍵約束.

4.5 回復(fù)信息表

回復(fù)信息表實(shí)體內(nèi)容包含以下字段：rid（回復(fù)編號）、qid（回復(fù)對應(yīng)提問編號）、uid（回復(fù)人編號）、rtitle（回復(fù)標(biāo)題）、rcontent（回復(fù)內(nèi)容）和rdate（回復(fù)日期）.其中rid為主鍵約束，qid、uid為外鍵約束.

4.6 課程表

課程表負(fù)責(zé)維護(hù)用戶和課程之間的關(guān)系，一位用戶可以選擇多門課程，而一門課程可以對應(yīng)多位用戶，課程表負(fù)責(zé)記錄用戶和課程之間的信息.課程表實(shí)體內(nèi)容包含以下字段：ucid（課程表編號）、uid（用戶編號）和cid（課程編號）.其中ucid為主鍵約束，uid、cid為外鍵約束.

4.7 數(shù)據(jù)庫表的邏輯關(guān)系

上述6張數(shù)據(jù)庫表通過主鍵約束和外鍵約束確定表與表之間的聯(lián)系，具體如圖8所示.其中主鍵約束用來唯一標(biāo)識數(shù)據(jù)庫表中的每條記錄，外鍵約束使主表與從表之間產(chǎn)生聯(lián)系，從而保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性.例如在提問信息表中，提問編號作為主鍵唯一標(biāo)識每條提問記錄，而提問人編號作為外鍵，用來關(guān)聯(lián)用戶表中的詳細(xì)信息；課程編號作為外鍵，用來關(guān)聯(lián)課程信息表中的詳細(xì)信息.如此關(guān)聯(lián)后，根據(jù)提問信息表編號，可查詢另外2張表的詳細(xì)信息，同時(shí)即便修改另外2張表（主表）中的記錄信息也不會影響提問信息表（從表）數(shù)據(jù)的完整性和正確性.

圖8 數(shù)據(jù)表邏輯關(guān)聯(lián)圖

5 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整體系統(tǒng)采用MVC分層模式，即系統(tǒng)分為Model模型 層、View視圖 層、Controller控 制器層［14］.Model層負(fù)責(zé)建立相應(yīng)的實(shí)體數(shù)據(jù)庫模型，并與數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)交互（包括數(shù)據(jù)的增、刪、改、查）［15］.該系統(tǒng)使用JDBC（Java Data-Base Connection）技術(shù)完成客戶端與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互，并將JavaBean實(shí)體類與數(shù)據(jù)庫表一一對應(yīng)，方便數(shù)據(jù)的讀取和流轉(zhuǎn).為提高客戶端與數(shù)據(jù)庫的交互效率，該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫連接池技術(shù)，即在數(shù)據(jù)庫連接池中預(yù)先存放系統(tǒng)所需連接對象，在數(shù)據(jù)庫連接時(shí)，直接從連接池中獲取連接對象.當(dāng)客戶端與數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)交互后，將相應(yīng)連接對象返回到連接池中.數(shù)據(jù)庫連接池技術(shù)可實(shí)現(xiàn)連接對象的重復(fù)利用，減少不必要的連接操作，提高客戶端與數(shù)據(jù)庫的交互效率，是JVM優(yōu)化的重要環(huán)節(jié).View視圖層在該系統(tǒng)中由JSP頁面構(gòu)成，當(dāng)用戶訪問該系統(tǒng)時(shí)，服務(wù)器將初始JSP頁面響應(yīng)給瀏覽器，用戶通過該頁面完成與服務(wù)器的交互操作，包括登錄和注冊，為后續(xù)業(yè)務(wù)操作提供便利.在JSP頁面中可以包含HTML語言、CSS腳本、JavaScript腳本和Java語言，服務(wù)器通過特殊語言標(biāo)志符將JSP頁面轉(zhuǎn)譯成Servlet，進(jìn)而在服務(wù)器上運(yùn)行.Controller控制器在該系統(tǒng)中特指Servlet，當(dāng)用戶通過瀏覽器向服務(wù)器發(fā)起請求后，服務(wù)器會根據(jù)請求類別轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的Servlet，Servlet獲取Request請求數(shù)據(jù)后，調(diào)用Model模型層的邏輯代碼處理該請求，將業(yè)務(wù)邏輯的處理結(jié)果以Response的形式返回給JSP頁面，并將處理結(jié)果動態(tài)寫入JSP頁面的HTML標(biāo)簽中，以供瀏覽器解析渲染，最終呈現(xiàn)給用戶［16］.

5.1 學(xué)生功能模塊

該部分介紹系統(tǒng)注冊登錄功能，并著重介紹學(xué)生功能模塊的核心，即課程提問和討論功能.

（1）系統(tǒng)的登錄和注冊.系統(tǒng)首頁提供用戶登錄入口（圖9），已注冊的用戶可直接憑借賬號和密碼進(jìn)行登錄，未注冊的用戶可點(diǎn)擊系統(tǒng)首頁的注冊鏈接進(jìn)行注冊.該部分采用JavaScript進(jìn)行表單校驗(yàn)，針對表單中不合法的輸入，比如賬號或者密碼為空，以及賬號或密碼不符合規(guī)范等情況，直接給用戶反饋表單數(shù)據(jù)不合法的信息，不會將表單數(shù)據(jù)提交給后端邏輯代碼［17］.此設(shè)計(jì)既能提高系統(tǒng)與用戶的交互性，也可減輕數(shù)據(jù)庫負(fù)擔(dān).如果用戶輸入的表單信息符合規(guī)范，才會通過form表單將賬號和密碼提供給相應(yīng)的Servlet，Servlet調(diào)用后端登錄校驗(yàn)邏輯判斷賬號和密碼是否與數(shù)據(jù)庫中的記錄匹配，若信息匹配將繼續(xù)判斷用戶角色權(quán)限，系統(tǒng)根據(jù)用戶角色權(quán)限值跳轉(zhuǎn)到不同角色的主頁main；若信息不匹配，提示登錄失敗信息，并將頁面重新跳轉(zhuǎn)至登錄頁面［18］.

圖9 在線答疑系統(tǒng)登錄界面

（2）學(xué)生的提問功能.如圖10所示，當(dāng)學(xué)生登錄成功后，在頁面左側(cè)導(dǎo)航欄內(nèi)可選擇相應(yīng)操作.點(diǎn)擊課程提問，可針對當(dāng)前課程向教師或其他學(xué)生發(fā)起提問.為便于后續(xù)功能擴(kuò)展，如增加課程，學(xué)生可選擇提問的課程，將提問的關(guān)鍵詞、標(biāo)題，以及提問內(nèi)容填入form表單，提交給相應(yīng)課程的授課教師.

圖10 學(xué)生提問界面

（3）學(xué)生的討論功能.如圖11所示，學(xué)生在左側(cè)導(dǎo)航欄點(diǎn)擊“我要討論”按鈕，即可查看當(dāng)前課程的所有提問信息，選擇感興趣的提問，即可參與討論.在參與討論的界面，用戶可針對當(dāng)前提問信息發(fā)表自己的看法和觀點(diǎn)，點(diǎn)擊“參與討論”按鈕，即可將回答的信息提交給相應(yīng)用戶.

圖11 學(xué)生討論界面

5.2 教師功能模塊

該部分主要介紹教師用戶如何查看課程中未回答的問題、處理學(xué)生課程申請，以及查看參與當(dāng)前課程的學(xué)生信息.

（1）查看課程中未回答的問題.教師用戶進(jìn)入系統(tǒng)主頁后，在左側(cè)導(dǎo)航欄點(diǎn)擊“未回答問題”按鈕，即可查看當(dāng)前所授課程中未回答的問題.在該頁面中，教師可查看學(xué)生提問、學(xué)生討論情況，并對提問內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充回復(fù)，幫助學(xué)生解決困惑.

（2）處理學(xué)生課程申請.教師用戶點(diǎn)擊左側(cè)導(dǎo)航欄中的“課程申請”按鈕，即可查看當(dāng)前課程中的學(xué)生申請情況，教師可根據(jù)學(xué)生課程申請理由和教學(xué)需要，對課程申請進(jìn)行同意操作和拒絕操作，具體頁面如圖12所示.

圖12 教師課程申請界面

5.3 管理員功能模塊

管理員分為超級管理員和普通管理員，二者的差別在于：超級管理員可以創(chuàng)建和刪除普通管理員，同時(shí)可查看當(dāng)前系統(tǒng)中包括管理員在內(nèi)的所有成員.管理員的功能包括：課程管理、提問和回復(fù)內(nèi)容管理，以及用戶管理.其中，在課程管理模塊，管理員可以修改當(dāng)前開設(shè)的課程信息，也可添加新開設(shè)的課程；在提問和回復(fù)內(nèi)容管理模塊，管理員可查看師生互動情況，警告并刪除其中不恰當(dāng)?shù)难哉?；在用戶管理模塊，管理員可以對學(xué)生、教師、普通管理員進(jìn)行授權(quán)管理，處理用戶注冊請求，具體如圖13所示.

圖13 管理員用戶管理界面

6 結(jié)語

自21世紀(jì)以來，信息技術(shù)迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式逐漸取代傳統(tǒng)教學(xué)模式.而在線答疑系統(tǒng)作為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式的重要環(huán)節(jié)之一，在師生互動環(huán)節(jié)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.該系統(tǒng)可打破時(shí)空限制，隨時(shí)隨地為師生服務(wù)，既能解答學(xué)生在知識方面的疑惑，又能幫助教師高效利用碎片化時(shí)間，提高課程學(xué)習(xí)效率以及授課效率，可以說是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式的重要輔助平臺.在調(diào)研眾多高?，F(xiàn)有授課模式的基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計(jì)在線答疑系統(tǒng)，并以編譯原理課程作為試驗(yàn)課程.根據(jù)角色功能，該系統(tǒng)分為學(xué)生、教師和管理員三種角色，學(xué)生可以在平臺發(fā)起提問；教師可根據(jù)學(xué)生提問進(jìn)行反饋；管理員可管理師生行為，并監(jiān)控師生互動內(nèi)容.