張永恒+艾曉燕+劉紅霞

摘 要： 為滿足計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，改善上機(jī)實(shí)驗(yàn)效果，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)課時(shí)間利用率，減輕教師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的工作強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了基于Web的上機(jī)實(shí)驗(yàn)CAI系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的功能模塊，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該方案便于教師下發(fā)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)在線指導(dǎo)和作業(yè)統(tǒng)計(jì)，便于學(xué)生查看實(shí)驗(yàn)任務(wù)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，能有效提高計(jì)算機(jī)課程的上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和指導(dǎo)效率。

關(guān)鍵詞： CAI； J2EE； 上機(jī)實(shí)驗(yàn)； SSH

中圖分類號(hào)： TN915.02?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作能力的重要環(huán)節(jié)，在計(jì)算機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師們普遍使用多媒體電子教室軟件進(jìn)行輔助教學(xué)。教師在實(shí)驗(yàn)課上首先通過(guò)多媒體電子教室軟件下發(fā)實(shí)驗(yàn)題目或作業(yè)，并進(jìn)行一定的示范，然后讓學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)書操作，在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)通過(guò)多媒體電子教室軟件要提交實(shí)驗(yàn)作業(yè)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)課全部環(huán)節(jié)一般都必須在不到兩小時(shí)的時(shí)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(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，諸如熟悉實(shí)驗(yàn)、等待指導(dǎo)、交作業(yè)、填寫完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等擠占了寶貴的上機(jī)時(shí)間[1]。隨著學(xué)校的發(fā)展、招生人數(shù)的增加，本校各個(gè)機(jī)房上機(jī)人數(shù)往往超過(guò)80人，最多的近120人，此時(shí)還使用這種管理方式已經(jīng)不能滿足教學(xué)需要。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于計(jì)算機(jī)CAI系統(tǒng)的研究應(yīng)用主要有三類：即基于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)，基于計(jì)算機(jī)類課程的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的有效使用，關(guān)心的是實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)的安排、實(shí)驗(yàn)室的使用效率和如何提高等[2]；基于計(jì)算機(jī)類課程的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行某一門計(jì)算機(jī)類課程的實(shí)驗(yàn)，關(guān)心的是如何對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行支持與幫助，促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)并完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)[3]；多媒體電子教室軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jī)房使用?？傊?，這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程及管理的支持考慮較少。為有效提高學(xué)生上機(jī)時(shí)間的利用率，提高教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理效率，減輕教師的工作負(fù)擔(dān)，需要開(kāi)發(fā)一個(gè)基于Web的計(jì)算機(jī)課程上機(jī)實(shí)驗(yàn)CAI系統(tǒng)，解決多媒體電子教室軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)間不足的缺點(diǎn)，另一方面可以在服務(wù)器上客觀記載實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存，為進(jìn)一步進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算機(jī)自動(dòng)閱卷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且使實(shí)驗(yàn)拓展至校園網(wǎng)，而不再局限于某一實(shí)驗(yàn)室，為教師和學(xué)生的使用提供方便。

本文根據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)課程上機(jī)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)有教學(xué)輔助軟件的深入理解，結(jié)合本校實(shí)際情況，改進(jìn)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(jìn)的設(shè)計(jì)理念和開(kāi)發(fā)技術(shù)，介紹了基于B/S結(jié)構(gòu)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及采用Java輕量級(jí)框架技術(shù)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)建的計(jì)算機(jī)課程上機(jī)實(shí)驗(yàn)CAI系統(tǒng)，既能滿足師生實(shí)驗(yàn)教學(xué)業(yè)務(wù)的當(dāng)前需求，又著眼于未來(lái)其他課程輔助上機(jī)實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)的需要，同時(shí)也能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的進(jìn)一步擴(kuò)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(shí)驗(yàn)任務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理及實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理4個(gè)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(jí)等相應(yīng)的基本信息；實(shí)驗(yàn)任務(wù)管理用于教師填寫實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求、上傳實(shí)驗(yàn)素材文件以及發(fā)布實(shí)驗(yàn)題目、網(wǎng)上答疑等業(yè)務(wù)需求；實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理是實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生上傳實(shí)驗(yàn)結(jié)果文件的管理、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的管理、教師對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)的管理、教師評(píng)判實(shí)驗(yàn)報(bào)告等業(yè)務(wù)的管理；而實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理則是對(duì)實(shí)驗(yàn)成績(jī)的查詢、統(tǒng)計(jì)分析與導(dǎo)出。系統(tǒng)實(shí)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(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，主要的角色是教師和學(xué)生，各項(xiàng)業(yè)務(wù)活動(dòng)都圍繞著教師和學(xué)生這兩個(gè)主體進(jìn)行，此外，上機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)任務(wù)、上傳實(shí)驗(yàn)素材文件、批改和查看實(shí)驗(yàn)報(bào)告、評(píng)定和查看實(shí)驗(yàn)成績(jī)、回答學(xué)生問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)成績(jī)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(jí)和課程的信息。學(xué)生登錄后可修改自身信息、查看實(shí)驗(yàn)任務(wù)、向老師提問(wèn)、查看老師回答、完成實(shí)驗(yàn)后上傳實(shí)驗(yàn)成果文件、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、查看實(shí)驗(yàn)批語(yǔ)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)等。

根據(jù)以上流程分析，進(jìn)行系統(tǒng)的主要用例圖設(shè)計(jì)，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(jì)

2.1 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

上機(jī)實(shí)驗(yàn)CAI系統(tǒng)采用B/S開(kāi)發(fā)模式，系統(tǒng)架構(gòu)基于J2EE技術(shù)體系設(shè)計(jì)，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(kāi)放性、可維護(hù)性出發(fā)，嚴(yán)格遵循MVC設(shè)計(jì)模式，將中間層細(xì)化設(shè)計(jì)為業(yè)務(wù)層、DAO層和持久化對(duì)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(shí)現(xiàn)，也不允許對(duì)持久層訪問(wèn)，從而構(gòu)造一個(gè)層次清晰、可讀性較好的表現(xiàn)層。持久化對(duì)象層采用Hibernate框架將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)（實(shí)體）映射成對(duì)象，從而以面向?qū)ο蟮姆绞讲僮鲾?shù)據(jù)庫(kù)[4]。系統(tǒng)通過(guò)采用Spring框架技術(shù)無(wú)縫整合Web層、業(yè)務(wù)邏輯層、DAO層以及持久化對(duì)象層，其作用貫穿于整個(gè)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(jì)

系統(tǒng)的業(yè)務(wù)實(shí)體用于實(shí)現(xiàn)不同層之間的數(shù)據(jù)交互和傳遞，其在數(shù)據(jù)庫(kù)中表現(xiàn)為關(guān)系數(shù)據(jù)。通過(guò)分析，上機(jī)實(shí)驗(yàn)CAI系統(tǒng)應(yīng)用中涉及到的業(yè)務(wù)實(shí)體共有14個(gè)，具體為教師信息實(shí)體、實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)體、實(shí)驗(yàn)素材實(shí)體、學(xué)生信息實(shí)體、課程信息實(shí)體、實(shí)驗(yàn)問(wèn)題實(shí)體、問(wèn)題回答實(shí)體、實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)體、實(shí)驗(yàn)成績(jī)實(shí)體、實(shí)驗(yàn)批語(yǔ)實(shí)體、實(shí)驗(yàn)作品實(shí)體、實(shí)驗(yàn)日志實(shí)體、專業(yè)班級(jí)實(shí)體、管理員用戶實(shí)體等。下面介紹主要的實(shí)體模型含義。

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

（2） 教師：主要屬性有教師編號(hào)、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(hào)、課程名稱等。

（5） 專業(yè)班級(jí)：主要屬性有專業(yè)班級(jí)編號(hào)（取自學(xué)號(hào)前6位）、所屬院系、上機(jī)課程編號(hào)等。

（6） 實(shí)驗(yàn)任務(wù)：主要屬性有實(shí)驗(yàn)編號(hào)、實(shí)驗(yàn)類型（分驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性）、實(shí)驗(yàn)難度、所屬課程、實(shí)驗(yàn)標(biāo)題、實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教師、實(shí)驗(yàn)專業(yè)班級(jí)、發(fā)布時(shí)間、實(shí)驗(yàn)素材編號(hào)等。

（7） 實(shí)驗(yàn)素材：主要屬性有實(shí)驗(yàn)素材編號(hào)、文件存儲(chǔ)路徑、所屬實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

（8） 問(wèn)題：主要屬性有問(wèn)題編號(hào)、學(xué)號(hào)、問(wèn)題主題、標(biāo)題、內(nèi)容、提問(wèn)時(shí)間、回答編號(hào)等。

（9） 問(wèn)題回答：主要屬性有回答編號(hào)、問(wèn)題編號(hào)、教師編號(hào)、回答內(nèi)容、回答時(shí)間等。

（10） 實(shí)驗(yàn)報(bào)告：主要屬性有實(shí)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)、實(shí)驗(yàn)任務(wù)編號(hào)、學(xué)號(hào)、所屬專業(yè)班級(jí)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果文檔名稱、實(shí)驗(yàn)總結(jié)、提交時(shí)間等。

（11） 實(shí)驗(yàn)評(píng)語(yǔ)：主要屬性有教師編號(hào)、實(shí)驗(yàn)評(píng)語(yǔ)、批閱時(shí)間、實(shí)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)等。

（12） 實(shí)驗(yàn)成績(jī)：主要屬性有實(shí)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)、實(shí)驗(yàn)作品編號(hào)、學(xué)號(hào)、成績(jī)。

（13） 實(shí)驗(yàn)日志：記載實(shí)驗(yàn)監(jiān)控信息，主要屬性有學(xué)號(hào)、課程號(hào)、計(jì)算機(jī)IP地址、訪問(wèn)時(shí)間、保存時(shí)間、提交時(shí)間、實(shí)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)等。

（14） 實(shí)驗(yàn)作品：主要屬性有實(shí)驗(yàn)作品編號(hào)、學(xué)號(hào)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)、文件存儲(chǔ)路徑等。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上述設(shè)計(jì)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)方法，即由數(shù)據(jù)層開(kāi)始依次向上開(kāi)發(fā)，其實(shí)現(xiàn)的核心關(guān)鍵為中間層，中間層的開(kāi)發(fā)應(yīng)用了Spring + Hibernate框架。

（1） 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)層：通過(guò)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和組織、數(shù)據(jù)庫(kù)的分布式管理、數(shù)據(jù)庫(kù)的備份和同步等。

（2） 實(shí)現(xiàn)持久化對(duì)象層：將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)映射成對(duì)象，采用Hibernate框架實(shí)現(xiàn)O/R Mapping[6]。

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

（4） 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層：通過(guò)對(duì)DAO對(duì)象進(jìn)行正面模式的封裝并實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)邏輯[8]。業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)一步劃分為業(yè)務(wù)邏輯接口類、業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)類兩類。

業(yè)務(wù)邏輯組件的實(shí)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(shí)現(xiàn)Web層：采用Struts2框架實(shí)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(guò)對(duì)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(jìn)行顯示。

（6） 實(shí)現(xiàn)：采用標(biāo)準(zhǔn)的JSP技術(shù)，并結(jié)合Struts2標(biāo)簽庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

3.2 用戶合法性訪問(wèn)控制

SSH框架中對(duì)用戶合法性訪問(wèn)的控制一般通過(guò)Spring的Action來(lái)實(shí)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(jī)實(shí)驗(yàn)CAI系統(tǒng)中，由于每一個(gè)Action都需要調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯組件，因此可以構(gòu)造一個(gè)工廠類ManagermnetFactory，將業(yè)務(wù)邏輯組件進(jìn)行統(tǒng)一封裝，并且使得每一個(gè)Action都派生自BasicAction基類。實(shí)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(jī)實(shí)驗(yàn)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(yàn)證用戶訪問(wèn)的合法性，設(shè)計(jì)了一個(gè)公用的安全控制基類SecureAction，該基類為每個(gè)需要進(jìn)行登錄驗(yàn)證的Action服務(wù)[11?12]。在SecureAction類中定義了一個(gè)檢驗(yàn)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(méi)有登錄，就將用戶重定向至登錄頁(yè)面，如果用戶已經(jīng)登錄則調(diào)用該SecureAction類中的另一個(gè)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(shí)現(xiàn)類則實(shí)現(xiàn)toExecute方法，不再需要調(diào)用執(zhí)行execute方法。

4 結(jié) 論

上機(jī)實(shí)驗(yàn)CAI系統(tǒng)基于J2EE平臺(tái)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了用戶登錄、實(shí)驗(yàn)任務(wù)發(fā)布模塊、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成模塊、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)模塊、在線答疑模塊、實(shí)驗(yàn)成績(jī)分析輸出模塊等。目前該系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)了測(cè)試，并在部分課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用，學(xué)生在校園網(wǎng)環(huán)境中通過(guò)使用該系統(tǒng)，可在實(shí)驗(yàn)前查詢實(shí)驗(yàn)任務(wù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)預(yù)研并與教師互動(dòng)交流，有效地提高了上機(jī)實(shí)驗(yàn)效率，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)成果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的電子化保存；教師通過(guò)使用該系統(tǒng)減輕了工作負(fù)擔(dān)，有效地提高了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)工作效率，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的信息化水平。

參考文獻(xiàn)

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