計算機實驗教學研究
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0引言
隨著互聯網技術等信息技術的不斷發展以及計算機設備在各個領域中的廣泛運用，高校中各個專業的教學都和計算機產生了緊密的關聯，因此通過計算機實驗教學來提升學生的專業能力成為高校教學的關鍵部分[1]。所以，高校需要構建計算機實驗教學系統，通過該系統對計算機實驗教學進行管理，提升教學質量，促進學生的全面發展。而云計算的出現，為高校計算機實驗教學系統帶來新的構建思路。
1云計算對高校計算機實驗教學系統的支持
1.1云計算能夠降低計算機實驗教學系統設計成本
以云計算為支撐的計算機實驗教學系統對于用戶端硬件設備的要求較低，用戶只需要擁有一臺能夠上網的終端設備，設備上安裝有瀏覽器，并且設備擁有進入互聯網的接口，就能夠像使用本計算機存儲的文件以及安裝的軟件一樣去使用計算機實驗教學系統提供各種資源和服務[2]。這樣的使用方式使得計算機實驗教學系統設計不需要投入過多的成本，同時也不需要不斷地更新硬件設備和軟件，進一步降低了設計成本。
1.2云計算能夠實現對海量數據的存儲和訪問
基于云計算的計算機實驗教學系統能夠為用戶提供巨大的存儲空間，這就為計算機實驗教學存儲學生進行實驗所產生的數據提供了巨大的空間。同時，不管是學生在實驗過程中所產生的數據還是在實驗完成后得出的最終實驗結果，學生都能夠將這些數據存儲于云端，并且這些數據也可以永久性地存在在云端中，這樣在學生下次進行實驗時就能夠從云端下載數據繼續完成實驗，或者學生可以在其他設備上查看數據和繼續進行實驗[3]。這樣不僅能夠幫助學生對自己的實驗進行總結以及評價，還能夠幫助教師對學生的實驗進行指導。另外，云端存儲還能夠為學生提供自由訪問實驗數據的功能，改變了以往高校為了保護計算機而在計算機上安裝還原卡導致學生實驗數據無法存儲的問題，這樣能夠大大激發學生進行實驗的興趣。
1.3云計算能夠減輕實驗室的維護壓力和實現資源共享
云平臺能夠提供軟件、基礎設施以及平臺3個方面的服務，所以實驗室中的軟件更新和維護是由云平臺提供，基礎設施維護也是由云平臺提供，平臺的更新也是由云平臺提供，因此基于云計算的計算機實驗教學系統并不需要不斷對基礎設施進行維護，同時也不需要對軟件進行不斷更新。這樣減輕了高校計算機實驗室對硬件和軟件進行維護和更新的壓力。另外，基于云計算的計算機實驗教學系統還能夠實現教學資源共享，這是因為所有教學資源中的信息資源都能夠存儲在云端。
2云計算下高校計算機實驗教學系統設計的可行性分析
在云計算下進行計算機實驗教學系統設計，其可行性可以從3個方面進行分析，分別是操作方面的可行性、技術方面的可行性以及經濟方面的可行性。
2.1操作方面的可行性
在操作方面，隨著數據庫技術以及信息技術的發展，以數據庫為基礎對數據進行管理的方式已經在很多領域和行業中得到應用。對于計算機實驗教學系統設計來說，其設計過程不僅僅是要實現一種程序的運行，還要實現開發出能夠滿足不同需求的功能。而數據庫技術能夠為實現關于教學管理系統整體設計的過程、方法等進行全面分析提供支撐，同時還能夠不斷完善系統，滿足系統在數據方面的各種需求。
2.2技術方面的可行性
首先，在數據庫方面，MySQL數據庫能夠實現數據的查詢、修改、增加以及刪除等操作，有著穩定的數據處理能力，并且數據庫技術還處于不斷發展的過程中，因此在之后的發展過程中能夠促使系統在這一方面的功能得到不斷完善[4]。其次，在設計環境方面，軟件環境可以使用B/S的架構模型，這樣用戶并不需要下載專門的客戶端，只需要在瀏覽器上打開即可使用。在硬件環境方面，計算機實驗教學系統設計只需要在普通的計算機上就可以完成。云環境方面采用hadoop就可以在計算機上搭建云平臺。再次，在服務器方面，Linux和Windows兩者均可。最后，在開發技術方面，HTML、CSS、MySQL、Tomcat、hadoop等均可進行開發。
2.3經濟方面的可行性
計算機實驗教學系統主要是對計算機實驗教學進行管理，在系統開發的過程中除了需要投入大量時間和人力以外，還需要一定的資金投入。但是在開放過程中，所需要的任何軟件都可以在網絡上免費下載，并且整個系統只需要少量的服務器就可以支撐。另外，整個系統操作簡單，相關設備費用支出較少，因此從經濟效益來看，計算機實驗教學系統的開發設計是可行的。
3云計算下計算機實驗教學系統結構設計
3.1云平臺架構設計
在云平臺架構設計方面，可以以云計算分層思想為指導，通過分布式存儲、虛擬化技術等實現對軟件和硬件資源的高效管理，其核心架構可以分為4層，分別是基礎設施層、基礎管理層、應用接口層以及應用層。其中，基礎設施層是系統的基礎，是保障本系統發揮出其功能的支撐。因此在本層使用了云計算虛擬化技術，在Windows下構建了服務器集群，以此對所有設施進行統一管理。基礎管理層主要部署了Hadoop系統，構建了偽分布式云環境。在這一環境中，hadoop中的每一個組件能夠擁有獨立的虛擬機，并且能夠通信。應用接口層主要在安裝hadoop時進行配置，實現了和hadoop平臺相連。應用層主要安裝和部署計算機實驗教學系統，能夠對平常的工作進行管理，并且該層提供給用戶的頁面只需要瀏覽器就可以打開和操作，方便快捷。
3.2軟件架構設計
計算機實驗教學系統可以采用B/S架構，這樣獲得的云平臺架構較合理。同時，B/S架構在前端只是實現極少的事務邏輯，大部分還是在服務器中實現，因此B/S符合云平臺的構建原則。對于B/S架構設計主要從3個層次進行設計，分別是表示層、業務層以及持久層。其中，表示層是用戶直接操作的層級，因此該層需要設計數據收集、錄入、展示的功能，從而能夠響應用戶的請求，并且進行處理。業務層是邏輯層，是整個程序的大腦，因此需要實現對數據信息進行驗證的功能，從而對用戶的業務流程進行建模，提供靈活的管理機制，并且對將出現的錯誤信息進行反饋。持久層和數據庫相連，容易失控，其主要的作用是建立和數據庫的對應關系，實現數據的添加、查詢以及修改等操作等。
3.3數據庫設計
數據庫設計主要分為數據表概念設計和數據邏輯結構設計。首先，在數據表概念設計方面，整個數據庫主要包含以下幾個表格：一是用戶信息表；二是學生課程表；三是教師信息表；四是實驗項目表；五是管理人員信息表；六是實驗信息表；七是書籍信息表等；八是實驗室設備信息表；九是項目任務分配表。除上述信息表以外，還包括了其他一些信息表。其次，在數據邏輯結構設計方面，主要是將各種信息轉化為數據庫能夠識別和處理的數據模型[5]。具體來說就是得出各種數據表的結構，比如在用戶信息表中，將用戶的ID設置為主鍵，其他設置為空；再比如在實驗室信息表中，將ID設置為主鍵，其余設置為空；在學生課程表中，將ID設置為主鍵，其余設置為空。
4計算機實驗教學系統功能設計
在該系統中主要設計了以下幾個功能，分別是查詢功能、日程記錄功能、群件管理功能、報修功能以及其他功能。
4.1查詢功能和存儲功能的設計
基于元計算的計算機實驗教學系統能夠將高校中所有學生實驗之后的數據以及相互交流之后產生的數據存儲到云端，擺脫了傳統的存儲工具，比如本地計算機、硬盤、U盤等，從而擺脫了傳統的存儲模式。云存儲能夠將各種數據信息存儲在云端服務器，其中的云查詢功能能夠幫助所有師生通過各種終端，如手機、電腦、掌上電腦等隨時隨地查詢自身所需要的數據信息，同時還能夠隨時隨地搜索符合自身需求的實驗資源。
4.2記錄功能的設計
日程記錄功能能夠幫助所有教師和學生通過不同終端查詢日歷、課程以及課程開展日期等內容，為所有教師和學生充分結合自身實際情況來開展實驗教學或者實驗室預約活動提供更多的便利[6]。通過日程記錄功能還能夠補充傳統日程管理中查詢、修改等方面的不足。另外，便簽記錄功能還能夠幫助學生更好地進行學習。在傳統的計算機實驗教學系統中，學生本身對于實驗課程的意見、建議以及一些見解都需要存儲到本地計算機中，這樣不可避免地會出現數據遺失的情況。而便簽記錄功能能夠實現即時記錄，學生只需要通過手機等終端就可以從云端看到自己所存儲的信息，并且還能夠在遠端建立起關于這些信息的文檔。
4.3管理功能的設計
在管理功能中，群件功能可以實現網頁的生成、評論管理、附件上傳以及信息共享等功能。教師和學生可以通過該功能將自己對教學效果的評論發布在云端或者是將自身擁有的信息資源共享到云端，促使其他人也可以分享這些資源。報修功能可以促使學生在進行實驗課過程中或者是完成實驗課程之后通過手機等終端設備將相關計算機等設備出現的問題傳輸到云端，這樣設備維護人員就可以通過云端及時了解出現的問題，從而對相關設備進行維修。這樣就可以更好地解決在傳統計算機實驗教學系統中出現的記錄不清晰、維修記錄丟失以及維修不能夠滿足需求等問題，從而提升工作效率。
4.4其他功能的設計
首先，設計人員管理功能能夠實現對學生、教師、課程、實驗項目等方面的管理，比如系統管理員可以修改學生、教師、課程等的信息，并且將信息在云端更新，促使學生和教師在第一時間收到消息，提前做出改變。同時，人員管理功能還能夠實現教師實驗預約、信息驗證、作業批改等[7]。在學生方面可以實現實驗預約、實驗分析以及實驗效果查詢等功能。其次，在實驗預約功能方面，教師和學生可以通過自己的ID、實驗課程編號、實驗課程申請時間等來實現預約。同時，計算機實驗教學系統能夠根據預約的信息對不同的實驗課程進行合理安排，對其中存在的課程沖突進行處理，并且及時告知相關教師和學生。另外，在預約之后，如果教師以及學生的實際情況出現變化，還可以及時取消預約。
5結語
對于高校來說，建設基于云計算的計算機實驗教學系統已經成為當前高校重要的內容之一。在傳統計算機實驗教學系統中，不僅需要以高投入來解決實驗室管理的難題，還需要通過人力來盡量保存師生存儲的數據，大大增加了實驗運行成本。而以云計算為基礎的計算機實驗教學系統不僅能夠降低投入成本，還能夠為師生提供巨大的存儲空間以及更強大的計算能力。因此，我國高校需要構建以云計算為基礎的計算機實驗教學系統，以此來提高高校計算機實驗教學的教學質量。
作者:崔家敏 單位:鄭州財經學院
計算機實驗教學篇2
0引言
傳統時代的智慧教育通常是用一套公眾接受的帶有真理性質的思維模式來啟發和教育學生。進入信息化時代，人們對智慧教育的認識又發生了改變：智慧教育是一種通過信息技術來改革傳統教育各個方面，目的在于培養學習者的創新能力、批判思維能力、問題解決能力等高階思維能力，即發展學習者的智慧[1]。信息時代的智慧教育是利用現代的科學技術，來改進或完善傳統教育的缺陷，通過對教育的不斷優化來培養學習者終生學習的能力和發展學習者的智慧。智慧實驗是智慧教育的一個分支。云計算作為分布式計算的一種，其在教育領域的遷移稱為“教育云”[2]。國外研究者在2009年前后開始關注教育云[3]。根據國家十二五規劃《素質教育云平臺》的要求，各個地區涌現出了諸多教育云的教學應用案例[4]。例如，2014年5月，重慶市召開了教育“云課堂”項目應用推進工作研討會，會上展示了教育云課堂教師講授與同學學習和互動的整個過程，整堂課利用云平臺+微課+PPT來呈現，學生在課堂上利用平板電腦學習，實現學習資源的共享。明確感受到了實驗教育云未來發展的強勁趨勢及學校自身發展的需要和辦學定位，我校——長春工業大學計算機科學與工程學院的科研團隊結合學院自身需要研發了實驗教育云平臺。
1實驗教育云平臺的功能設計、架構設計及實現
1.1實驗教育云平臺的功能設計
實驗教育云平臺功能模塊主要包含系統管理模塊、實驗教學管理模塊和實驗進度管理模塊。系統管理模塊包括班級管理、權限管理、課程管理和鏡像管理子模塊。班級管理子模塊主要是系統管理級以班級為單位導入學生的姓名、學號和密碼。權限管理子模塊是系統管理者為實驗教師和學生分配不同的使用權限。課程管理子模塊為教師分配本學期的實驗課程。鏡像管理子模塊為不同的實驗課程分配不同的實驗環境。實驗教學管理模塊主要是教師進行實驗教學的管理，包括教師上傳實驗指導書，課前布置每堂課使用的實驗環境。教師可以查詢學生的實驗報告完成情況，并對學生的實驗相擬度進行查詢，并最終給出學生的實驗成績。實驗進度管理模塊的操作者是學生。首先學生完成實驗教育云平臺的登錄，然后根據實驗指導書的實驗內容對實驗環境進行實際操作或程序設計，完成實驗內容后截圖并提交實驗報告，最后由教師給出實驗成績后，學生在學生端查詢實驗成績。實驗教育云平臺的功能設計如圖1所示。
1.2實驗教育云平臺的架構設計
在圖2中，Web服務器的主要功能是通過互聯網接入Web服務，通過虛擬現實技術將虛擬實驗環境移植到Web頁面和生成動態網頁[5]，這樣使用者就通過虛擬生成的實驗環境進行實驗操作。將多個Web服務器組成了云端Web客戶群。應用服務器端主要負責數據采集，并對采集后的數據進行數據分析和處理，然后將處理后的數據的結果傳送到數據庫服務器進行保存，同時將處理結果通過Web傳送到Web服務器端。由于此可，這種B/S結構極大地簡輕了云端Web服務器的工作負荷，只需安裝Web瀏覽器作為云端的運行平臺同時只負責一小部分的人機交互的業務邏輯處理工作，主要的業務邏輯處理工作由服務器群實現。所以這種“瘦客戶端/胖服務器”模式易于后臺管理和維護，并具有良好的穩定性、魯棒性和可擴展性。
1.3實驗教育云平臺的實現
按照實驗教育云平臺的功能設計與架構設計，其教育云平臺的實現如圖3所示。圖3的左側為學生的實驗指導書的內容，圖的右側為R語言的實驗環境。學生提交實驗報告后，教師可以在后臺查詢實驗報告提交情況和錄入實驗成績。
2結束語
本文介紹的實驗教育云平臺可以實現各類程序設計語言實驗環境的在線布署，該實驗教育云平臺自2019年9月對在校師生提供云在線實驗教學服務。至今，實驗教育云平臺所支持的在線實驗課程主要有C語言程序設計、數據結構、R語言編程技術、計算機網絡、操作系統、編譯原理、面向對象程序設計和LINUX程序設計等。該實驗教育云平臺為我校計算機科學與工程學院的近千位師生提供服務，其實驗教學示范作用顯著，并在師生中取得了良好的教學評價。我們還將在平臺的兼容性和可擴展性方面進行改進，使該平臺能夠與時俱進，適合不斷發展和變化的教學需要。
作者:孫慧然 應紅霞 王紅梅 單位:長春工業大學計算機科學與工程學院
計算機實驗教學篇3
0引言
在信息時代，各行各業的發展都離不開計算機，所以計算機人才在社會發展中發揮著重要的作用，培養能夠滿足企業需求的應用型人才迫在眉睫。因此，高校在展開計算機專業教學時，應重點培養學生的實操能力，這就意味著高校需要引入符合時代特征的網絡教學平臺，在提高教學質量的同時，幫助學生更好地掌握專業知識。在設計實驗教學網絡平臺時，應遵循實用性、安全性、可拓展性等原則，為提高教學質量提供硬件支持。
1高校計算機實驗教學網絡平臺的設計思路
在高校設計計算機實驗教學網絡平臺的過程中，應密切結合教學實際設計內容、功能。網絡平臺內容主要包含管理功能、客戶端、文件解析等，在實際設計時可從以下幾方面入手[1]。第一，在設計網絡平臺時應遵循實用性、安全性、可拓展性等原則。實用性是指該平臺需要合理有效整合網絡教學資源，為后續師生提供高效服務，比如便于教師錄入成績、方便學生查詢成績等。安全性是指擁有網絡權限的用戶才可進入網絡平臺，確保平臺中的數據不被泄露。可拓展性是指網絡平臺如果要添加新功能或新軟件就需要擁有較強的動態調整能力，才能滿足學習需求。第二，應對平臺中的學生信息、教師信息、功能等予以確定，從而生成用戶角色與功能模塊，在該部分確定好后才可以生成數據庫，并按照網絡平臺實用性、可拓展性等原則加以構建。第三，要優先考慮平臺客戶端中的模擬器安裝情況，了解其他平臺軟件的檢測原理，與本平臺模擬器實際情況充分融合明確最終的模擬器檢測方式。之后，在計算機實驗中會產生相關參數，需要將參數統一提取、儲存。針對平臺客戶端中傳輸過來的結果文件特征予以分析，才能確定正確的參數提取方法。第四，結合計算機專業學生的學習情況明確數據統計方法。
2高校計算機實驗教學網絡平臺的具體設計
2.1總體設計
在對計算機實驗教學網絡平臺進行總體設計時，可以分成實驗管理系統和教學管理系統。實驗管理系統的功能包括實驗介紹、作業管理、文件解析等，可以方便學生展開學習。教學管理系統的功能包括課程安排、成績管理、用戶管理和留言管理，教師可以在該模塊中安排課程內容，并對學生信息實施高效管理，引導學生進行學習[2]。具體模塊如圖1所示。不同模塊的功能也不同，但都必須按照規范進行設計，確保最終設計出來的網絡平臺可以發揮作用。
2.2子系統設計
在對實驗教學網絡平臺的總體架構進行設計的基礎上，需要對子系統進行設計，從而使子系統充分發揮作用。可將網絡平臺的子系統分成5部分。（1）學籍管理系統。在對該系統進行設計時，要確保系統功能的完善性。學生可在該系統中輸入名字等身份信息后能夠查詢到對應的學籍信息，也可以根據需要修改登錄密碼。（2）成績管理系統。管理人員通過該系統能夠對學生成績進行記錄、保存、統計、查詢等操作。在這些功能中，教師與學生可以獲得的權限只有成績查詢，其他功能只由管理人員才能使用。（3）實驗管理系統。該系統擁有文件下載、文件上傳、課程內容介紹、文件解析等功能。在眾多功能中，教師可以對文件進行上傳、下載以及查詢等操作，同樣學生也擁有這些權限。教師也可以通過該系統查詢教學地點、時間及班級信息。（4）課程安排系統。該系統是圍繞計算機實驗課程展開設計的，包含教師列表獲取、計算機課程具體安排以及課程內容查詢等。師生只能查詢計算機實驗課程內容，其他功能只有管理員才能使用。學生進入系統后能夠查詢計算機實驗課程的上課地點、上課時間、任課教師等信息。（5）留言管理系統[3]。教師與學生可以在該系統中進行發言和回復操作，而管理員則需要對系統中的留言加以審核，在具體設計過程中，要將新建、刪除、查詢權限賦予學生，而教師群體只擁有查詢和回復留言的權限。
2.3數據庫設計
數據庫在計算機實驗教學網絡平臺中占據重要地位，其設計效果關乎著整個平臺是否可以高效運作，因此這也意味著在設計數據庫時應確保設計的科學性與完善性。完善性主要是指數據庫中的數據參數是否可靠、真實，可用來衡量數參數的質量。數據庫設計內容包括結構設計與庫表。首先，在結構設計上可以分別從定義、實體、參考等領域判斷數據參數是否完整，在設計數據庫時應確保內部數據是精確的。結合實驗教學網絡平臺的設計需求，平臺系統應擁有留言管理、成績管理、計算實驗課程管理等功能，所以數據庫也應對這些系統功能中的數據予以收集、處理與儲存，為網絡平臺運行提供依據。其次，在對數據庫表進行設計時，結合網絡平臺需求可建立對應的庫表，比如教師與學生信息庫表、留言信息庫表、成績信息庫表等。其中，學生信息庫表主要用來記錄學生的姓名、身份證號、用戶名、權限級別等學籍信息。教師信息庫表主要用來記錄教師的職工編號、密碼等身份信息。留言信息庫表中可以顯示留言時間、主題、學生學號等信息。成績信息庫表則用來記錄學生的計算機實驗課程成績，如課堂表現、出勤次數、實驗學習成績等。另外，在設計數據庫時還應重點關注數據庫的安全性，可以采用相應的安全管理措施保障數據庫內的信息安全，例如通過密鑰對特殊信息進行加密[4]。
3高校計算機實驗教學網絡平臺的實現
3.1硬件設備支持
在將計算機實驗教學網絡平臺的系統功能設計完后，要想實現平臺運行，就需要引入硬件設施。網絡平臺的構建主要依賴于網絡，設計完成后的網絡平臺既可以在高校中運行，又可以通過遠程認證進入平臺內部，基于此可以使用PC機作為網絡終端。與此同時，還可以融入RCMS設備。通過該設備可以識別防火墻、路由器等，對整個網絡平臺加以監視管理。在計算機實驗教學網絡平臺中存在多組實驗臺，每組實驗臺都會配備RCMS設備，而設備與實驗臺中的所有設施相連接。由于是和實驗臺設施console口相連的，所以PC端可以訪問任何設備，且不用反復切換console口，只需要線上操作即可。在融入RCMS設備后，可以在實驗教學網絡平臺中生成用戶界面，學生與教師可以根據需要選擇相對應的圖標進入功能。如果一個實驗臺中有多名學生在做實驗，那么圖標中也會有對應顯示，便于學生選擇與教師管理。在上一組學生實驗完成后可以點擊清除功能，使上一組學生的實驗結果全部清空，便于下組學生進行操作。當實驗操作結束后，教師可以利用實驗管理模塊的結果統計功能統一查詢學生的實驗成績。為了方便學生在平臺內展開實驗操作，還需要在實驗管理模塊中應用ActiveX控件，該控件具有體積小、安裝簡單等優勢，學生也可以完成安裝。在安裝該控件的基礎上，學生在點擊進入實驗后界面就會通過插件自動檢測PacketTracer[5]。如果沒有檢測到插件，那么就會在界面彈出對話框以警告用戶，用戶必須遵守規范安裝PacketTracer后才可順利進入實驗操作界面。如果插件檢測到系統已經安裝了PacketTracer，就不會向用戶發出警告，會直接進入操作界面，學生可完成對應的實驗操作。
3.2技術支持
在互聯網背景下實現網絡通信的重要前提就是TCP/IP協議，對于計算機實驗教學網絡平臺中的眾多功能來說，要想發揮功能作用就必須引入TCP/IP協議。當實驗教學網絡平臺運行時，學生能夠在熟悉協議字段的前提下對各數據庫表加以編輯，并從相關數據編輯過程中對協議加以理解與掌握，這對于計算機專業的學生來說較為重要。通過TCP/IP協議可以將計算機專業理論知識加以實踐，學生通過實際操作加深理論知識印象，并從中培養解決問題的能力，為將來就業提供有力保障。而且，實驗教學網絡平臺的設計目的就是提高學生的自主學習能力，而TCP/IP協議的引入不僅有利于充分發揮教學網絡平臺作用，還能提高教學質量。
3.3實驗教學網絡平臺測試
實驗教學網絡平臺測試需要分別從實驗教學網絡平臺的性能、功能兩方面展開測試。在對性能進行測試時，可對平臺展開試運行，將平臺置于高負壓狀態下觀察各項指標是否符合設計標準。如果符合就說明該平臺能夠滿足計算機專業的教學需求，如果指標未達標，那么就需要加以優化，直至滿足標準為止。在對平臺功能進行測試時，需要對學生、教師及管理員進行多次測試，測試內容包含權限、用戶連接、功能等。
4結語
綜上所述，計算機實驗教學網絡平臺可分為實驗管理、教學管理系統兩大模塊，功能主要涵蓋學籍管理、成績管理、實驗管理、課程安排及留言管理。為確保平臺功能得以充分發揮，需要融入PC機、RCMS設備、ActiveX控件以及TCP/IP協議，以此來輔助計算機實驗教學高效開展。
作者:鄭偉 單位:南陽師范學院計算機科學與技術學院
