殷建軍，尹 令

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣東 廣州 510642）

0 引 言

為了創(chuàng)新教育模式，提升教育系統(tǒng)，我國(guó)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)，發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，輔助教師和學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)[1]。Web技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的分布式應(yīng)用解耦，用于實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)端之間的信息交流，采用應(yīng)用程序、腳本程序、插件技術(shù)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的信息交流[2]。

傳統(tǒng)的輔助教學(xué)系統(tǒng)故障較多，連接不穩(wěn)定，因此為優(yōu)化傳統(tǒng)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)的不足，本文以Web技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種基于Web技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)，從硬件和軟件兩個(gè)角度出發(fā)，詳細(xì)地設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的物理設(shè)備和應(yīng)用程序，對(duì)于提升教學(xué)效果、加強(qiáng)教師對(duì)學(xué)生的評(píng)估、為學(xué)生提供良好的遠(yuǎn)程教學(xué)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有重要意義，更能促進(jìn)Web技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 基于Web技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)基于Web技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)是物質(zhì)基礎(chǔ)，在進(jìn)行遠(yuǎn)程輔助教學(xué)的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)是教師與學(xué)生之間的交流媒介。計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)邏輯如圖1所示。

圖1 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)邏輯圖

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器即為指令保存器，主要用于存儲(chǔ)教師所發(fā)出的多條指令與學(xué)生所回復(fù)的多條指令，因此該硬件分為教師端存儲(chǔ)器與學(xué)生端存儲(chǔ)器兩種，但作用卻是相同的。存儲(chǔ)器的主要作用為增強(qiáng)嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)的整體續(xù)航能力與抗干擾能力。在該系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，存儲(chǔ)器首先會(huì)將接收到教師所輸入的代碼指令進(jìn)行依次排版與復(fù)刻，然后傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)的下一硬件中，當(dāng)所接收到的代碼指令過(guò)多或者過(guò)于繁瑣而無(wú)法一次性地進(jìn)行傳輸時(shí)，存儲(chǔ)器則會(huì)對(duì)沒(méi)有完成傳輸?shù)拇a指令進(jìn)行保留，并時(shí)刻把持這些代碼指令的完整性與活躍性。在正在傳輸?shù)拇a指令完成傳輸后，存儲(chǔ)器才會(huì)將保留的代碼指令依次地再次進(jìn)行傳輸，并保證前后二者的完美銜接，其銜接誤差不會(huì)高于0.001 s，因此不會(huì)對(duì)本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)造成影響。而針對(duì)學(xué)生的代碼指令，該硬件也會(huì)起到相同的作用，即在完成代碼指令完全傳輸?shù)耐瑫r(shí)保證所有指令的完整性與連續(xù)性[3-4]。存儲(chǔ)器參數(shù)如表1所示。

表1 存儲(chǔ)器參數(shù)

1.2 中央處理器

中央處理器又名CPU，是本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心硬件之一，該處理器主要由三個(gè)單元組成，分別為算術(shù)邏輯單元（ALU）、控制單元、輸入/輸出單元。CPU的具體組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 中央處理器組成結(jié)構(gòu)

該硬件處理器在工作的過(guò)程中，首先會(huì)通過(guò)算術(shù)邏輯單元（ALU）不斷地接收兩端存儲(chǔ)器所發(fā)送的代碼指令，并將這些指令單元化，而之所以會(huì)單元化是因?yàn)榻?jīng)過(guò)單元化的指令會(huì)更好地融入到中央處理器的整體運(yùn)行當(dāng)中，大大地提高中央處理器的整體運(yùn)行與工作效率[5-6]。

處理器參數(shù)如表2所示。

表2 處理器參數(shù)

算術(shù)邏輯單元（ALU）的主要作用是對(duì)所有的單元化代碼指令進(jìn)行運(yùn)算與比較，最終進(jìn)行排版的功能模塊，它會(huì)在計(jì)算的過(guò)程中先逐步列出該單元化代碼指令的所有可能項(xiàng)，再進(jìn)行逐步地排除，最終得到最為確定的單元化代碼指令可能項(xiàng)。當(dāng)所有的單元化代碼指令都確定完畢后，算術(shù)邏輯單元（ALU）會(huì)將這些單元化代碼指令進(jìn)行整合得到集合M，再將集合通過(guò)傳輸/輸入單元交給控制單元進(jìn)行處理[7]。

控制單元是主要負(fù)責(zé)管理單元化代碼指令的整體動(dòng)作的功能模塊，當(dāng)控制單元接收到單元化代碼指令集合M后，它會(huì)根據(jù)順序?qū)⒓螹中的單元化代碼指令進(jìn)行分解與剖析。最終將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)作化處理進(jìn)而得到最為明確的單元化代碼指令，再傳輸給兩端的存儲(chǔ)器以供雙方接收與回應(yīng)[8]。

1.3 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備

本文所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)中的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備分別為教師端輸入/輸出設(shè)備與學(xué)生端輸入/輸出設(shè)備，輸入設(shè)備的主要作用為將存儲(chǔ)器的代碼指令傳輸給該系統(tǒng)的中央處理器供其進(jìn)行計(jì)算分析，而輸出設(shè)備的主要作用則為將中央處理器的單元化代碼指令集合M傳輸給存儲(chǔ)器，與輸入設(shè)備不同的是輸出設(shè)備具有將單元化代碼指令集合M轉(zhuǎn)化為代碼指令集合N的數(shù)集化轉(zhuǎn)換器[9]。

2 基于Web技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序是基于Web技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)的主導(dǎo)，學(xué)生和教師通過(guò)運(yùn)行在計(jì)算機(jī)中的程序?qū)崿F(xiàn)交互，通過(guò)編寫程序可以對(duì)整個(gè)輔助教學(xué)流程進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)功能。因此本文在系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件配合硬件協(xié)同工作，其中主要的軟件設(shè)計(jì)包括基于Web技術(shù)的Web服務(wù)器和基于Web技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)[10-11]。

Web服務(wù)器是目前使用最廣泛、性能最全面的一種服務(wù)器，以Web技術(shù)為基礎(chǔ)，指在相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為基于Web技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)提供教學(xué)信息瀏覽的一種計(jì)算機(jī)程序，學(xué)生與教師之間可以通過(guò)服務(wù)器發(fā)送教學(xué)請(qǐng)求、教學(xué)文件等數(shù)據(jù)信息。一般來(lái)說(shuō)，Web服務(wù)器包括建立連接、發(fā)送請(qǐng)求、發(fā)出響應(yīng)以及關(guān)閉連接等四個(gè)工作過(guò)程，其工作原理如圖4所示。

圖4 Web服務(wù)器的工作原理

圖4中，建立連接是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接Web服務(wù)器和瀏覽器，用戶可以登錄瀏覽器查看是否建成連接[12]。發(fā)送請(qǐng)求是指用戶通過(guò)瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，例如登錄請(qǐng)求、訪問(wèn)請(qǐng)求、教學(xué)請(qǐng)求等各種所需要的請(qǐng)求。Web服務(wù)器在接收到請(qǐng)求后，利用相關(guān)算法對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行計(jì)算和處理，最后將結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)綖g覽器中，并在顯示結(jié)果的同時(shí)顯示請(qǐng)求內(nèi)容。在結(jié)束響應(yīng)后，斷開Web服務(wù)器與瀏覽器之間的連接，對(duì)Web服務(wù)器進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)[13]。

數(shù)據(jù)庫(kù)是存儲(chǔ)教學(xué)相關(guān)信息的電子化文件柜，教師端和學(xué)生端可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的文件進(jìn)行增加、下載、更新以及刪除等操作，根據(jù)系統(tǒng)需求可將數(shù)據(jù)庫(kù)分為在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)和在線考試數(shù)據(jù)庫(kù)兩種形式，分別存儲(chǔ)學(xué)生和教師的在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和在線考試數(shù)據(jù)。為了更清楚地展示數(shù)據(jù)庫(kù)各類信息之間的屬性，使其概念化，采用E-R圖對(duì)其基本屬性進(jìn)行描述。具體的基于Web技術(shù)在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖如圖5所示。

圖5 基于Web技術(shù)在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖

通過(guò)觀察圖5可以清楚地了解到，在線學(xué)習(xí)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)由較多的表組成，分別為班級(jí)、測(cè)驗(yàn)、答案、公告、管理、教程、教程編號(hào)、教師、問(wèn)題、系統(tǒng)設(shè)定、用戶、資料表[14]。其中“班級(jí)”每個(gè)表都具有特殊的意義，這些表分別代表學(xué)生的個(gè)人信息、平常測(cè)驗(yàn)成績(jī)、教師教學(xué)筆記等一些必要的資料。每張表的數(shù)據(jù)管理員都可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的增加與刪減。基于Web技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是，在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中，如果中途出現(xiàn)其他屬性的改變，通過(guò)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，更改相對(duì)應(yīng)的屬性特征，就可以保留之前學(xué)習(xí)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，又可以繼續(xù)進(jìn)行新模式的學(xué)習(xí)[15]。

基于Web技術(shù)的在線考試數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖如圖6所示。

圖6 基于Web技術(shù)在線考試數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖

本文設(shè)計(jì)的基于Web技術(shù)遠(yuǎn)程輔助在線考試子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)由12個(gè)表組成，如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)表格

考試子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和學(xué)生在線學(xué)習(xí)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)具有相同的特性，管理員可以隨時(shí)更改各個(gè)表的屬性、數(shù)據(jù)內(nèi)容，以便達(dá)到基于計(jì)算機(jī)技術(shù)遠(yuǎn)程輔助的目的。其中，學(xué)生考試子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)最獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)是對(duì)于存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)部的考試題，自由管理員通過(guò)指紋認(rèn)證才可以查看，通過(guò)密碼是不可以查看的，這樣就保證了學(xué)生考試的公平。另一方面基于Web技術(shù)的學(xué)生考試子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)可以對(duì)學(xué)生考試卷子的部分客觀題進(jìn)行批閱，減少了教師的工作，提高教師教學(xué)的效率。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文提出的基于Web技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)的有效性，將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)和基于信息分析的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比教學(xué)范圍和輔助時(shí)間。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別針對(duì)不同的難度比例進(jìn)行教學(xué)輔導(dǎo)，對(duì)比輔助范圍。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5～表7所示。

表5 知識(shí)點(diǎn)難度較難時(shí)教學(xué)系統(tǒng)范圍 %

表6 知識(shí)點(diǎn)難度適中時(shí)教學(xué)系統(tǒng)范圍 %

表7 知識(shí)點(diǎn)難度較易時(shí)教學(xué)系統(tǒng)范圍 %

根據(jù)表5～表7可知，本文提出的基于Web技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)能夠有效擴(kuò)大系統(tǒng)輔助范圍，針對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)采取不同的輔助方式，知識(shí)點(diǎn)難度不同時(shí)，傳統(tǒng)的輔助系統(tǒng)輔助范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本文提出的輔助范圍。

本文提出的教學(xué)系統(tǒng)與另外兩種對(duì)比系統(tǒng)的輔助時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。觀察圖7可知，相較于傳統(tǒng)輔助教學(xué)系統(tǒng)，本文提出的輔助教學(xué)系統(tǒng)輔助時(shí)間更短，能夠在短時(shí)間內(nèi)分辨信息，實(shí)現(xiàn)輔助，具有極強(qiáng)的輔助能力，輔助效果更好，更適用于實(shí)際應(yīng)用。

圖7 輔助時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以Web技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種基于Web技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程輔助教學(xué)系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為媒介，以軟件程序?yàn)橹鲗?dǎo)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)器、中央處理器、輸入/輸出設(shè)備等物理基礎(chǔ)以及Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)等應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程嵌入式輔助教學(xué)系統(tǒng)，為學(xué)生遠(yuǎn)程在線考試、在線學(xué)習(xí)提供了便捷，不僅使教師更準(zhǔn)確清楚地了解學(xué)生的真實(shí)能力，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估以便制定合理的教學(xué)方案，更使學(xué)生在家就能夠獲得更好的教育資源，為其提供良好的教學(xué)環(huán)境。