对当前网络化教学系统的设计与实现探索
发布时间：2015-07-06 10:51
摘要: 针对工科课程数学知识多、问题抽象、与其它学科关系密切的特点设计了网络化教学系统。为解决在线实验参数交互问题，采用iis6.0和matlab web server共同构建在线实验系统，使学生通过在线提交参数的方式完成相应实验，输出实验结果。为了解决复杂数学公式的录入、存储、搜索和显示的问题，基于mathml的对ascii码的翻译功能，在客户端安装mathplayer软件的基础上，实现公式的在线录入，搜索。另外，系统还设计学习园地，教学资源，在线考试等环节，具备较为完善的辅助教学功能。该系统作为学校精品课程建设项目已连续运行近一年，收到良好效果。
关键词 ：网络化教学系统；在线实验；公式在线录入；公式搜索
abstract: in view of mathematics courses in engineering knowledge, abstract problem, and other subjects closely related to the design characteristics of the network teaching system. to solve the problem of interactive on-line parameters experimental using iis6.0 and matlab web server to build a common on-line test system so that students submit on-line parameters experimental corresponding manner, the output results. in order to solve complex mathematical formula of entry, storage, search and display, mathml based on the ascii code for the translation function, the client software to install mathplayer on the basis of the formula to achieve the on-line entry, search. in addition, the system has to learn garden design, teaching resources, online examinations and so on, have better support teaching function. the system as a quality school curriculum construction project has been running for nearly a year, received good results.
key words: network-based teaching systems; online experiment; formula on-line entry; formula search
1引言
网络辅助教学首先是传统教学的工具和手段。提高了教学效率，弥补了由于知识激增、课时缩短、特殊学科和课程需求而造成的不足。由最初的演示教学，拓展为自主学习、协作学习、讨论学习、个别辅导和探索学习等多种教学模式。网络辅助教学目前自身还存在互动性不够、缺乏灵活性等缺陷[1]。对此，基于学校精品课程建设项目，设计了本系统。主要提供了在线实验、在线交流等功能。为解决在线实验参数交互问题，采用iis6.0和matlabwebserver构建在线实验系统[2]，使学生通过在线提交参数的方式完成相应实验，输出实验结果。为了解决复杂数学公式的录入、存储和搜索的问题，基于mathml的对ascii码的翻译功能[3]，将mathplayer嵌入网页，使学生可以在线录入公式，并进行相关问题及公式的搜索。
2工科课程网络化教学的特点
工科课程的网络化教学是教育信息化的重要分支，而课程本身具有实用性强、理论内容丰富且涉及知识面广的特点。课程涉及的数学知识多，包括高等代数、数值分析、概率统计、随机过程等[4-5]。同时，无论是电路分析基础、模拟电路、数字电路和信号与系统等基础课程，还是通信理论、计算机、微电子技术以至人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科研究都成为工科教学中的重点和难点。然而，学生在学习这门课程时，普遍感到课程的概念抽象，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。因此，如何帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及综合应用所学知识解决实际问题的能力，是本课程教学中所要解决的关键问题。
本文作者针对工科课程的特点，建立了网络化辅助课程教学系统，实现了在线实验、网上交流、在线考试等功能。
3系统设计
硬件系统主要由两台ibm服务器构成。系统网络结构如图1所示。
图1硬件系统结构图
系统软件部分可以分为：课程简介、学习园地、教学资源、在线实验、网上交流、在线考试六项内容。
课程简介主要介绍数字信号处理课程的特点和内容体系，给出学习本课程所需要的先修课程，使学生对课程的主体结构予以掌握。
学习园地主要是对数字信号处理课程的进一步扩展，从传统的频谱分析到现代频谱分析，从一维信号到图像的二维信号处理，以及与数字信号处理的软件、硬件实现方法相关的文献和资料。
教学资源主要提供课程讲义和教师上课的视频录像的在线播放和下载，针对各知识点的matlab单机版程序，为学生课下学习调试提供方便。
在线实验主要针对课程中的重点难点，使学生能采用交互的形式实现在网上通过简单的操作就能看到该参数下的处理结果。便于学生对所学知识进一步深化理解。
网上交流部分其主要功能是一个留言板，有疑问的同学可以直接将问题贴在留言板上，老师定期查看留言。这不仅为学生提供了一个开放、自由的提问空间，更成为老师能及时发现教学中的问题进而及时改进的重要途径。
在线考试主要是将课程内容按照知识点形成试题存放在sql2000数据库中，学生在题库中随机抽题，并在规定的时间内完成做题并提交答案。系统自动对学生答题情况进行评分，并进一步根据学生答题情况得到对该学生知识掌握情况的定量评价，从而为教师课堂教学提供依据，并可作为下一次抽题的参考。
系统的六个功能模块之间互相补充，从内容上互相呼应，共同促进学生对课堂内容的学习和掌握。
4网上交流功能模块的设计
系统提供了网上交流答疑的功能，其主要部分是一个开放式的留言系统，然而现在绝大多数留言系统、论坛系统对于数学公式的支持功能较差，通常是将数学公式转换成图片的形式加以保存和显示，公式录入也多通过贴图的方式进行，对学生在线提问造成很大的不便，更不利于公式搜索。对此，作者基于mathml的对ascii码的翻译功能，将mathplayer嵌入网页进行公式显示，这样存储在数据库中的文字信息，可以方便快捷的进行复杂的数学公式的录入、显示及搜索。系统中公式的显示需要客户端安装firefox浏览器或在ie6.0浏览器的基础上安装mathplayer软件。公式录入界面如图2所示，运行结果如图3所示。
图2数学公式的录入界面
图3数学公式的在线显示
对“σ”的搜索可直接在搜索栏中输入“sum”实现，运行结果如图4所示。
图4对“σ”搜索结果
5在线实验功能模块的设计
为完成“数字信号处理”课程中算法的在线实验和演示，本文利用matlab强大的信号处理功能基于iis6.0+matlabwebsever进行开发，实现了信号参数的在线提交 、给定参数信号波形生成、fft频谱分析和fir、iir滤波，处理过程参数均可通过网页在线提交。运行界面及结果如图5、图6所示。
图5正弦信号参数输入窗口
图6正弦信号图形输出
此外，在生成给定参数信号和信噪比的基础上，通过编制matlab程序实现了生成信号的fft谱分析，通过带噪声信号的频谱是学生直观认识信号的频谱结构。进一步，系统提供了参数滤波器频率特性分析功能，学生可以通过自己输入滤波器参数的方式查看该参数下滤波器的频率特性，从而增强学生对滤波器工作过程的理解。此外，通过设置不同的截止频率、通带增益、阻带增益等参数对所产生的信号进行滤波分析，并将滤波后信号的波形显示在网页中。
在线实验系统以windows自带的iis6.0信息服务作为网站调试过程中可能会遇到“connect()failure”错误，这是因为matlabserver服务未被启动，只要到“控制面板—>服务”启动该项服务即可。
6结束语
本文设计的数字信号处理课程网络化教学系统在传统网络化教学系统的基础上，针对“数字信号处理”课程的特点，增加了在线实验和网上交流的功能模块，实现了在线参数提交、信号在线生成、结果显示下载的功能，并且针对传统网络化教学系统中数学公式在线录入的难题设计了在线交流子模块，实现了复杂数学公式的在线录入、存储、显示和搜索。
该系统已正常运行近一年，效果良好。基于现有研究，作者认为该系统在以下方面有待进一步完善：网上考试系统的进一步完善，在线实验模块信号波形动态显示功能的实现及完善。
参考文献
[1]龚德良，袁敏.基于校园网的网络化教学系统设计与实施方案.湖南学院学报，2007，28(2)：89-93
[2]朱勇.matlabwebserver在交互式网络课件开发中的应用.阜阳师范学院学报(自然科学版)，2005，22(2)：49-52
[3]周俊，冯军焕，钮小明.基于web的数学公式编辑系统设计.中国远程教育，2004，15：69-70，75
[4]高军萍，王霞等.数字信号处理课程教学改革的探索与体会．电气电子教学学报，2007，29(2)：19-21
[5]翟因虎，潘保昌.基于网络资源利用的“数字信号处理”课程教改试验研究.广东工业大学学报(社会科学版)，2006，6：131-132
关键词 ：网络化教学系统；在线实验；公式在线录入；公式搜索
abstract: in view of mathematics courses in engineering knowledge, abstract problem, and other subjects closely related to the design characteristics of the network teaching system. to solve the problem of interactive on-line parameters experimental using iis6.0 and matlab web server to build a common on-line test system so that students submit on-line parameters experimental corresponding manner, the output results. in order to solve complex mathematical formula of entry, storage, search and display, mathml based on the ascii code for the translation function, the client software to install mathplayer on the basis of the formula to achieve the on-line entry, search. in addition, the system has to learn garden design, teaching resources, online examinations and so on, have better support teaching function. the system as a quality school curriculum construction project has been running for nearly a year, received good results.
key words: network-based teaching systems; online experiment; formula on-line entry; formula search
1引言
网络辅助教学首先是传统教学的工具和手段。提高了教学效率，弥补了由于知识激增、课时缩短、特殊学科和课程需求而造成的不足。由最初的演示教学，拓展为自主学习、协作学习、讨论学习、个别辅导和探索学习等多种教学模式。网络辅助教学目前自身还存在互动性不够、缺乏灵活性等缺陷[1]。对此，基于学校精品课程建设项目，设计了本系统。主要提供了在线实验、在线交流等功能。为解决在线实验参数交互问题，采用iis6.0和matlabwebserver构建在线实验系统[2]，使学生通过在线提交参数的方式完成相应实验，输出实验结果。为了解决复杂数学公式的录入、存储和搜索的问题，基于mathml的对ascii码的翻译功能[3]，将mathplayer嵌入网页，使学生可以在线录入公式，并进行相关问题及公式的搜索。
2工科课程网络化教学的特点
工科课程的网络化教学是教育信息化的重要分支，而课程本身具有实用性强、理论内容丰富且涉及知识面广的特点。课程涉及的数学知识多，包括高等代数、数值分析、概率统计、随机过程等[4-5]。同时，无论是电路分析基础、模拟电路、数字电路和信号与系统等基础课程，还是通信理论、计算机、微电子技术以至人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科研究都成为工科教学中的重点和难点。然而，学生在学习这门课程时，普遍感到课程的概念抽象，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。因此，如何帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及综合应用所学知识解决实际问题的能力，是本课程教学中所要解决的关键问题。
本文作者针对工科课程的特点，建立了网络化辅助课程教学系统，实现了在线实验、网上交流、在线考试等功能。
3系统设计
硬件系统主要由两台ibm服务器构成。系统网络结构如图1所示。
图1硬件系统结构图
系统软件部分可以分为：课程简介、学习园地、教学资源、在线实验、网上交流、在线考试六项内容。
课程简介主要介绍数字信号处理课程的特点和内容体系，给出学习本课程所需要的先修课程，使学生对课程的主体结构予以掌握。
学习园地主要是对数字信号处理课程的进一步扩展，从传统的频谱分析到现代频谱分析，从一维信号到图像的二维信号处理，以及与数字信号处理的软件、硬件实现方法相关的文献和资料。
教学资源主要提供课程讲义和教师上课的视频录像的在线播放和下载，针对各知识点的matlab单机版程序，为学生课下学习调试提供方便。
在线实验主要针对课程中的重点难点，使学生能采用交互的形式实现在网上通过简单的操作就能看到该参数下的处理结果。便于学生对所学知识进一步深化理解。
网上交流部分其主要功能是一个留言板，有疑问的同学可以直接将问题贴在留言板上，老师定期查看留言。这不仅为学生提供了一个开放、自由的提问空间，更成为老师能及时发现教学中的问题进而及时改进的重要途径。
在线考试主要是将课程内容按照知识点形成试题存放在sql2000数据库中，学生在题库中随机抽题，并在规定的时间内完成做题并提交答案。系统自动对学生答题情况进行评分，并进一步根据学生答题情况得到对该学生知识掌握情况的定量评价，从而为教师课堂教学提供依据，并可作为下一次抽题的参考。
系统的六个功能模块之间互相补充，从内容上互相呼应，共同促进学生对课堂内容的学习和掌握。
4网上交流功能模块的设计
系统提供了网上交流答疑的功能，其主要部分是一个开放式的留言系统，然而现在绝大多数留言系统、论坛系统对于数学公式的支持功能较差，通常是将数学公式转换成图片的形式加以保存和显示，公式录入也多通过贴图的方式进行，对学生在线提问造成很大的不便，更不利于公式搜索。对此，作者基于mathml的对ascii码的翻译功能，将mathplayer嵌入网页进行公式显示，这样存储在数据库中的文字信息，可以方便快捷的进行复杂的数学公式的录入、显示及搜索。系统中公式的显示需要客户端安装firefox浏览器或在ie6.0浏览器的基础上安装mathplayer软件。公式录入界面如图2所示，运行结果如图3所示。
图2数学公式的录入界面
图3数学公式的在线显示
在输入公式之前以$表示公式的开始和结束。
对“σ”的搜索可直接在搜索栏中输入“sum”实现，运行结果如图4所示。
图4对“σ”搜索结果
5在线实验功能模块的设计
为完成“数字信号处理”课程中算法的在线实验和演示，本文利用matlab强大的信号处理功能基于iis6.0+matlabwebsever进行开发，实现了信号参数的在线提交 、给定参数信号波形生成、fft频谱分析和fir、iir滤波，处理过程参数均可通过网页在线提交。运行界面及结果如图5、图6所示。
图5正弦信号参数输入窗口
图6正弦信号图形输出
此外，在生成给定参数信号和信噪比的基础上，通过编制matlab程序实现了生成信号的fft谱分析，通过带噪声信号的频谱是学生直观认识信号的频谱结构。进一步，系统提供了参数滤波器频率特性分析功能，学生可以通过自己输入滤波器参数的方式查看该参数下滤波器的频率特性，从而增强学生对滤波器工作过程的理解。此外，通过设置不同的截止频率、通带增益、阻带增益等参数对所产生的信号进行滤波分析，并将滤波后信号的波形显示在网页中。
在线实验系统以windows自带的iis6.0信息服务作为网站调试过程中可能会遇到“connect()failure”错误，这是因为matlabserver服务未被启动，只要到“控制面板—>服务”启动该项服务即可。
6结束语
本文设计的数字信号处理课程网络化教学系统在传统网络化教学系统的基础上，针对“数字信号处理”课程的特点，增加了在线实验和网上交流的功能模块，实现了在线参数提交、信号在线生成、结果显示下载的功能，并且针对传统网络化教学系统中数学公式在线录入的难题设计了在线交流子模块，实现了复杂数学公式的在线录入、存储、显示和搜索。
该系统已正常运行近一年，效果良好。基于现有研究，作者认为该系统在以下方面有待进一步完善：网上考试系统的进一步完善，在线实验模块信号波形动态显示功能的实现及完善。
参考文献
[1]龚德良，袁敏.基于校园网的网络化教学系统设计与实施方案.湖南学院学报，2007，28(2)：89-93
[2]朱勇.matlabwebserver在交互式网络课件开发中的应用.阜阳师范学院学报(自然科学版)，2005，22(2)：49-52
[3]周俊，冯军焕，钮小明.基于web的数学公式编辑系统设计.中国远程教育，2004，15：69-70，75
[4]高军萍，王霞等.数字信号处理课程教学改革的探索与体会．电气电子教学学报，2007，29(2)：19-21
[5]翟因虎，潘保昌.基于网络资源利用的“数字信号处理”课程教改试验研究.广东工业大学学报(社会科学版)，2006，6：131-132