綜合課堂信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王智

關(guān)鍵詞：線上教學(xué)；虛擬仿真；實(shí)訓(xùn)與考核；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）08-0046-03

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展，線上教育模式已經(jīng)是我國(guó)教育的亮點(diǎn)模式。在線教育有“教”與“學(xué)”不受時(shí)間、空間、地點(diǎn)條件的限制，知識(shí)獲取渠道靈活與多樣化等優(yōu)點(diǎn)，且隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展浪潮，在線教育市場(chǎng)呈快速發(fā)展階段[1]。

在線教育分為線上理論教學(xué)與在線虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，目前線上理論教學(xué)平臺(tái)非常多，技術(shù)也比較成熟；但在線上進(jìn)行實(shí)踐類課程教學(xué)，經(jīng)常面臨場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)的困難，所以在線虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)開發(fā)的難度較大[2]。這類平臺(tái)往往需要安裝客戶端，有一定的局限性，并且目前把線上理論教學(xué)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合的平臺(tái)比較少。故設(shè)計(jì)一套不但可以實(shí)現(xiàn)線上理論知識(shí)教學(xué)與考核，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)線上虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)與考核的系統(tǒng)，有很好的應(yīng)用推廣前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合課堂信息化系統(tǒng)以WeX5開發(fā)平臺(tái)作為集成開發(fā)環(huán)境，此平臺(tái)完全開源免費(fèi)， 有非常多的組件框架[3]。系統(tǒng)按網(wǎng)站設(shè)計(jì)方式進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)是采用html5+JavaScript+CSS3技術(shù)，后端采用Java技術(shù)。除了設(shè)計(jì)常用的網(wǎng)絡(luò)課堂功能模塊之外，還設(shè)計(jì)了若干個(gè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊、設(shè)備3D模型操作體驗(yàn)?zāi)K、VR教學(xué)模塊等，實(shí)現(xiàn)了線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)與考核。系統(tǒng)的框架圖如圖1所示。

后端數(shù)據(jù)庫采用MySQL，MySQL是所有大型數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中最流行的一種，它的功能很豐富，并且是開源的產(chǎn)品，能為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供很好的支持[4]。主要的數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)如表1、表2所示。

系統(tǒng)支持多種使用平臺(tái)，PC、手機(jī)、平板電腦都可以使用瀏覽器訪問該系統(tǒng)，無須安裝客戶端軟件，解決了目前流行的在線虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)需要安裝客戶端的問題。

2 系統(tǒng)功能

“綜合課堂信息化系統(tǒng)”主要功能如下：

有一套完整且完善的后臺(tái)管理功能，對(duì)教師、學(xué)生、資源、課程等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及管理；系統(tǒng)內(nèi)置一套教學(xué)資源，包括教學(xué)視頻、PPT、圖片、設(shè)備3D模型、VR教學(xué)模塊等，供教師用戶直接調(diào)用；系統(tǒng)有三種用戶，分別為管理員、教師、學(xué)生。

2.1 管理員功能

包含管理員信息維護(hù)、主頁公告、教師信息管理、班級(jí)信息管理、學(xué)生信息管理、共享資源管理、課程信息管理等功能?？蒃xcel導(dǎo)出教師信息、課程信息，也可Excel導(dǎo)入導(dǎo)出學(xué)生信息。

2.2 教師端功能

包含教師個(gè)人信息維護(hù)、資源管理、題庫及試卷管理、課程管理、班級(jí)信息查詢、學(xué)生信息查詢等功能?？缮蟼髡n程資料，也可把資源共享，讓其他教師直接調(diào)用，還可以使用系統(tǒng)內(nèi)置資源；可建立理論知識(shí)題庫，包含判斷題、單選題、多選題，題目可Excel導(dǎo)入導(dǎo)出；可創(chuàng)建理論知識(shí)試卷、仿真實(shí)訓(xùn)試卷等；可創(chuàng)建課程并把課程分發(fā)給班級(jí)。

2.3 學(xué)生端功能

包含學(xué)生個(gè)人信息維護(hù)、課程內(nèi)容、課程資源、課堂考勤、主題討論、隨堂測(cè)試、課程考試等功能。可選擇課程進(jìn)入學(xué)習(xí)，可觀看PPT、圖片、視頻，可進(jìn)行設(shè)備3D模型操作體驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備VR體驗(yàn)，可以進(jìn)行理論知識(shí)練習(xí)、仿真實(shí)訓(xùn)練習(xí)?？上螺d課程附件資源?？蛇M(jìn)入“課堂考勤”簽到。可進(jìn)入“主題討論”并發(fā)言。可進(jìn)入“隨堂測(cè)試”和“課程考試”進(jìn)行理論知識(shí)、仿真實(shí)訓(xùn)考試，可查詢隨堂測(cè)試與課程考試成績(jī)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)有后臺(tái)管理、資源管理、網(wǎng)絡(luò)課堂、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)等主要模塊，其中虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊包含電氣故障檢測(cè)與排除、電路接線、設(shè)備安裝維修等子模塊。這里介紹“電氣故障檢測(cè)與排除”仿真實(shí)訓(xùn)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其他模塊不做一一贅述。

3.1 電氣故障檢測(cè)與排除仿真實(shí)訓(xùn)模塊的界面設(shè)計(jì)

在電氣維修中，通常先觀察設(shè)備故障現(xiàn)象，再通過查看電路圖，鎖定故障范圍，使用儀表對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，找出故障點(diǎn)并修復(fù)[5]。本模塊將場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)電氣維修過程。

在界面設(shè)計(jì)虛擬的電氣控制箱、萬用表等，在虛擬電氣控制箱面板上設(shè)置指示燈、按鈕開關(guān)等，控制箱內(nèi)部設(shè)置空氣開關(guān)、交流接觸繼電器、時(shí)間繼電器、接線端子以及線路等。另外還要設(shè)計(jì)設(shè)備控制電路圖的界面、排除故障的界面等。模塊界面要使用大量的圖片，為了界面操作流暢，在進(jìn)入界面時(shí)先把圖片全部緩存到瀏覽器，主要代碼如下：

3.2 電氣故障檢測(cè)與排除仿真實(shí)訓(xùn)模塊的功能描述

教師用戶設(shè)置好故障點(diǎn)及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，組成一套試卷并下發(fā)給學(xué)生用戶練習(xí)或考核；學(xué)生用戶進(jìn)入電氣故障檢測(cè)與排除仿真實(shí)訓(xùn)頁面后，可以先虛擬啟停設(shè)備，如有故障即不能正常開啟設(shè)備，可通過查看設(shè)備的控制電路圖，分析故障所在的回路，然后使用虛擬萬用表檢測(cè)虛擬電路，查出確切的故障點(diǎn)后排除故障；用戶交卷后顯示詳細(xì)卷評(píng)（如圖2所示），如果是考核模式即考核數(shù)據(jù)保存到后端數(shù)據(jù)庫。

3.3 電氣故障檢測(cè)與排除仿真實(shí)訓(xùn)模塊的實(shí)現(xiàn)方法

以冷水機(jī)組電氣故障檢測(cè)與排除為例。冷水機(jī)組的控制電路圖如圖3所示。

3.3.1 實(shí)現(xiàn)電路的控制邏輯

用JavaScript編寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)電路的控制邏輯。為每一條回路（比如冷卻塔風(fēng)機(jī)控制回路）編寫對(duì)應(yīng)的函數(shù)，函數(shù)的主要代碼如下：

當(dāng)用戶在虛擬電氣控制箱面板上操作按鈕開關(guān)控制設(shè)備時(shí)，調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)來計(jì)算該設(shè)備的啟停狀態(tài)，并在界面顯示出來。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某回路異常斷開時(shí)，查看電路圖初步判斷后，用虛擬萬用表檢測(cè)虛擬電路。

3.3.2 實(shí)現(xiàn)萬用表檢測(cè)邏輯

用JavaScript編寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)萬用表檢測(cè)邏輯，主要算法如下：

1） 設(shè)置數(shù)組，把回路中的開關(guān)、某段線路、繼電器線圈、其他元器件等數(shù)據(jù)按電路編號(hào)順序傳給數(shù)組元素；

2） 測(cè)電阻時(shí)，根據(jù)虛擬萬用表兩支表筆之間的數(shù)組元素值計(jì)算出電阻值，并在虛擬萬用表上顯示出來；

3） 測(cè)電壓時(shí)，根據(jù)虛擬萬用表兩支表筆所處的前后數(shù)組元素值計(jì)算出電壓值，并在虛擬萬用表上顯示出來。

當(dāng)用戶用虛擬萬用表檢測(cè)虛擬電路時(shí)，調(diào)用“萬用表檢測(cè)邏輯”函數(shù)來計(jì)算出電阻值或電壓值，從而判斷出回路中是否存在故障，如果存在故障用戶可排除故障。

3.3.3 統(tǒng)計(jì)考核結(jié)果并保存

用戶練習(xí)或考核完畢，交卷后自動(dòng)統(tǒng)計(jì)成績(jī)，將卷評(píng)結(jié)果顯示出來，如果處于考核模式即把成績(jī)數(shù)據(jù)保存到后端數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)保存機(jī)制：進(jìn)入考核時(shí)先添加一條成績(jī)記錄，記0分，交卷后再用實(shí)際分?jǐn)?shù)按成績(jī)記錄ID更新成績(jī)記錄。這種機(jī)制目的是防止用戶沒有交卷，強(qiáng)行退出，然后再次進(jìn)入考核。因?yàn)閯傔M(jìn)入考核時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生了一條成績(jī)記錄（0分），如果沒有交卷就退出，最終成績(jī)?yōu)?分，并且后端數(shù)據(jù)庫里已有了成績(jī)記錄，會(huì)限制用戶再次進(jìn)入考核。實(shí)現(xiàn)的主要代碼如下：

數(shù)據(jù)組件testScore已配置關(guān)聯(lián)后端MySQL數(shù)據(jù)庫表test_score，前端可通過數(shù)據(jù)組件testScore與后端數(shù)據(jù)庫表test_score進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4 結(jié)束語

綜合課堂信息化系統(tǒng)已開發(fā)完成并升級(jí)到2.0版本，已申請(qǐng)了計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)，名稱：綜合課堂信息化系統(tǒng)V2.0，著作權(quán)人：廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院。目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于專業(yè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)中。線上虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模式為實(shí)訓(xùn)課堂打造為更高效的沉浸式互動(dòng)體驗(yàn)，打破課堂的時(shí)空限制，將知識(shí)具象化、可視化、趣味化，并與線下實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，提高實(shí)訓(xùn)的效率。另外，利用虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)與考核模式可減免大型實(shí)訓(xùn)設(shè)備的購置投入。