集成課堂互動教學系統設計與實現*

楊瑞龍 朱慶生 張 敏 古 平 李 佳

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集成課堂互動教學系統設計與實現*

楊瑞龍 朱慶生 張 敏 古 平 李 佳

（重慶大學計算機學院，重慶400044）

基于無線網絡，利用手機、平板電腦、計算機等設備構建了課堂互動教學系統，實時記錄和跟蹤課堂教學情況，改進課堂互動手段，提高課堂教學的交互效率。提供手機短信、微信、手機瀏覽器等多種訪問方式；集成課堂點名、課堂應答、授課實時反饋、統計分析、課堂教學展示等功能；構建多維課堂教學評價指標實現教學效果評價。

課堂互動教學；教學系統；課堂點名；課堂應答；教學評價

引言

課堂是開展教學活動的主要場所，課堂教學質量對高校實現培養人才的目標有重要的影響。分析當前課堂教學現狀后，發現還存在如下問題：①大課教學中維護課堂紀律比較困難，主要涉及學生的出勤率。教師點名占據較長的時間，減少了有效課堂教學時間。②參與課堂互動的學生數偏少。有限的課堂教學時間內，教師不能關注到每個學生，不利于改進課堂教學效果。③課堂教學使用PPT課件后，某種程度上削弱了課堂教學的演化過程。很多情況下需要借助黑板演示推導過程，但是這些過程不能保存下來。

針對課堂教學中存在的問題，一些研究者設計出了一些課堂點名系統[1]和應答系統[2-4]。本文作者[5]利用能夠收發短信的Android平板電腦設計了一個課堂互動系統，集成了課堂點名和應答功能。通過實踐發現，僅使用短信技術實現課堂點名與應答，吞吐量小、效率低、準確率不高。

為了解決這些問題，作者繼續深入研究，設計了一套集成課堂互動教學系統。集成了手機短信、微信、手機瀏覽器等訪問方式；集成課堂點名、課堂應答、授課實時反饋、課堂教學展示、綜合統計分析、教學評價等功能模塊為一體；從出勤率、課堂應答效果、授課實時反饋等多個維度評價課堂教學效果。

一 業務分析與功能設計

1 業務分析

集成課堂互動教學系統主要設計目標是優化課堂互動教學手段，實現課堂互動教學過程記錄、課堂教學評價，提高學生的課堂參與度和學習積極性，最終提高課堂教學質量。

對課堂互動教學系統的需求進行分析，主要包含：

（1）能夠適應不同的教學網絡環境，提供短信、微信、手機瀏覽器等訪問方式。

（2）能夠實時準確的收集學生出勤數據，實現快速、準確的出勤考核。

（3）提供課堂應答功能，準確收集學生對教師提問的反饋信息。

（4）進行課堂教學評價，便于教師掌握學生學習動態，優化教學內容，革新教學方法。

（5）利用平板電腦便攜、書寫方便等特點，提供課堂教學板書新途徑，記錄課堂教學過程。

2 系統功能設計

（1）課堂點名子系統

實現學生的點名簽到管理。點名時，首先由教師把系統設置為課堂點名模式。根據當前時間生成一個兩位隨機數展示給學生，學生把兩位隨機數和自己的手機號（或者學號）進行簡單的加法運算，產生的結果作為令牌發送到系統。系統通過三碼驗證確定學生是否簽到成功，即發送短信的手機號、令牌、系統中登記的學生手機號。如果學生使用大屏智能手機，可以用微信代替短信。如果使用手機瀏覽器訪問系統，進入點名簽到Web界面，輸入運算后的令牌，提交就可以了。另外，可設置課堂點名時限，一般為2~3分鐘，學生必須在規定時間內提交信息；否則，視為遲到或者缺勤。

從數據接收速度和吞吐量兩個指標衡量，手機瀏覽器訪問Web界面性能最好，其次是微信、短信。大部分學生使用手機瀏覽器、微信等方式，速度快、又節省費用；少部分學生使用短信。

（2）課堂應答子系統

該子系統主要實現師生課堂即興問答互動、課堂在線測試，準確收集學生對教師提問的反饋信息等功能。在應答模式下劃分多個問題模式：

模式1：教師即興提問模式。在此模式下，由教師提出問題，學生把答案發送給系統，系統自動判斷是否正確。支持單選題、多選題、填空題和程序閱讀題。

模式2：微試卷模式。此模式下，由教師組織多道題目形成一個微試卷，在課堂上進行測試。

模式3：開放問題模式。該模式用于沒有固定答案的開放提問，將學生的回答進行分類匯總。

模式4：學生提問模式。此模式下，學生可以把問題發送給教師，由教師一一回答。

上述各種模式，都可以使用“課堂教學展示”子系統把師生交互結果顯示在大屏幕上。教師可以對學生進行分組，問題模式以分組方式工作，學生以組為單位回答問題。

（3）授課實時反饋子系統

授課實時反饋模式下，教師與學生沒有進行直接問答。講課過程中，學生把聽不懂的知識點、疑問等信息發給教師，教師講課中止時，根據學生反饋的信息進行補充講解。

（4）課堂教學展示子系統

在平板電腦上實現電子板書功能。平板電腦手寫、批注方便，教師可以在平板電腦上進行書寫代替黑板上的推導過程，這些過程記錄可以作為圖像保存下來，傳輸到教室PC并投影到大屏幕。教師可以在平板上播放PPT，傳輸到教室PC；也可以遠程控制教室PC上的PPT播放。

（5）綜合統計分析子系統

主要對前面四個子系統收集的數據和測試結果進行統計分析，為教學評價提供多個維度的指標；深入掌握學生的學習動態，做到個性化教學。①統計出勤率，掌握每個學生的到課情況。②統計學生的應答參與率、正確率、知識點掌握程度等，并進行趨勢分析。③對實時反饋進行統計分析。

（6）教學評價子系統

利用統計分析結果數據，結合課堂教學評價體系和指標，一方面對學生的學習效果進行評價；另一方面對教師的教學效果進行評價。效果劃分為1~10個等級。

（7）系統管理子系統

提供系統正常運行需要的數據維護和輔助功能。如課程管理、教學班管理、試題管理、學生基本信息維護等。

二 系統架構設計

1 物理架構設計

本系統的物理架構如圖1所示，有兩部分組成。一部分是學生端使用的手機；另一部分是教師端使用的平板電腦、Web服務器、教室PC和教室投影儀等。

圖1 系統物理架構

圖2 系統軟件架構與模塊

2 軟件架構設計

本系統通過三個獨立執行、相互協作的子軟件完成所有功能：WebInteract、PadInteract和ReceiverServer。WebInteract 軟件運行在Web服務器上，為使用微信、手機瀏覽器訪問系統的師生提供服務。PadInteract運行在平板電腦上為使用短信的學生提供服務。ReceiverServer運行在教室PC上，接受PadInteract發送來的圖像數據并顯示在投影儀大屏幕上。每個子軟件由一些功能模塊組成，軟件架構與模塊如圖2所示。

WebInteract子軟件的結構劃分為：接口層、業務層和數據訪問層。接口層包括兩個模塊：微信收發模塊負責把收到的微信傳遞給業務調度模塊；Web接口模塊提供師生訪問系統所需的Web頁面，把提交的數據傳遞給業務調度模塊。業務層包括業務調度模塊和具體的業務功能模塊。業務調度模塊負責根據當前工作模式，調度執行相應的業務模塊。數據訪問層為各業務模塊提供讀寫數據庫的功能。

PadInteract子軟件的結構、模塊與WebInteract類似。課堂教學展示模塊的一個進程在后臺執行，負責把平板電腦的當前屏幕發送到ReceiverServer軟件；另一個進程前臺執行，提供操作界面遠程控制教室PC上的PPT播放。

ReceiverServer子軟件作為一個服務進程運行在教室PC上。數據收發模塊負責接收指令和圖像數據；顯示控制模塊執行指令、把接受到的圖像顯示在屏幕上。

3 系統工作方式

（1）獨立工作方式。

WebInteract與PadInteract子軟件可以分別獨立工作。PadInteract獨立工作時，只支持手機短信訪問方式。適應場所比較廣泛，適合小班教學、野外教學使用。

WebInteract獨立工作時，師生可以使用手機瀏覽器訪問本系統的所有業務功能。交互界面友好、時延短、吞吐量大、支持用戶多，適合大班教學。

（2）協同工作方式

WebInteract子軟件作為主體全功能運行，PadInteract子軟件主要完成收發短信的功能，傳遞給WebInteract的Web接口模塊。此工作方式集成了兩種獨立工作方式的優點，支持的并發用戶數高、時延短，能夠適應不同的網絡環境。

三 軟件實現

WebInteract使用Java SE 7為運行平臺，按照圖2所示三層架構進行實現。接口層使用JSP、Servlet、HTML5和AJAX等技術。微信收發模塊連接微信公眾賬號和本系統。業務調度模塊使用Facade設計模式[6]把所有具體業務模塊封裝成統一的接口，為接口層的Servlet服務。數據訪問層使用DAO設計模式封裝了所有對數據庫的訪問操作，供業務層調用。

PadInteract軟件使用Android 4.1作為基本運行平臺，每個層次的功能與WebInteract類似。短信收發模塊直接使用Android SDK提供的API實現。協同工作時，把短信數據封裝成JSON格式，傳輸到WebInteract軟件。

教學展示模塊在后臺完成屏幕截圖，截圖前先獲取Root權限，然后從Android平臺底層Linux內核的FrameBuffer讀取數據，將FrameBuffer的內容寫入到內存圖片文件中。

ReceiverServer軟件作為一個系統托盤程序執行，其絕大部分代碼使用Java技術開發，少部分發送鍵盤、鼠標消息的代碼調用User32.dll中封裝的Windows API完成。

四 課堂應用與教學評價

本文設計的系統首先在“Java程序設計”課堂中進行了應用，約90人組成一個教學班。使用本系統后，學生對參與課堂互動表現出了極大的積極性。不僅可以回答教師提出的各種問題，而且能表達自己獨特的見解和新穎的想法。

1 課堂應答流程示例

課堂應答業務流程包含學生、教師兩種訪問角色，劃分為三種類型12個活動，如圖3所示。設置時間限制后，如果時限內未主動提交，則由系統自動提交。對于符合問題模式1和2的微試卷，系統可以自動改卷。

統計分析環節從四個維度進行：

（1）試卷統計，統計每次應答參與人數、及格率、分數段分布。

（2）試題統計，統計每個試題的正確與錯誤人數，計算試題難度，常見錯誤答案。

（3）學生統計，按照時間順序統計每次應答的參與度、分數、知識點的掌握情況。

（4）知識點分析，根據每次應答結果，從全體學生角度，分析每個知識點的掌握情況。

圖3 課堂應答業務執行流程

2 教學評價

本系統以教學過程產生的具體數據為依據，對教師的授課效果、學生的聽課效果進行及時評價，流程如圖4所示。統計分析模塊在原始數據的基礎上產生評價指標；教學評價模塊對評價指標進行分類，為每個指標賦予一定的權重，綜合計算后產生評價結果。評價結果取值范圍為1~10；10為最好，1為最差。

圖4 課堂教學評價流程

評價指標包含：學生出勤率、課堂應答參與度、分數等級、試題總分等級、學生按知識點分類分數、疑難反饋效果等。評價結果包含總體效果、知識點分類效果、效果時間變化趨勢等。

五 總結

本文設計了一套集成課堂互動教學系統綜合解決當前課堂互動教學中存在的問題。本系統集成了點名簽到、課堂應答、授課實時反饋、教學展示等業務功能，提供了豐富的互動教學手段；并且能夠利用本系統記錄的互動教學過程數據，進行統計分析，形成課堂教學評價指標，實現課堂授課效果、學習效果雙評價。有利于教師改善教學內容、教學方法，提高教學質量。集成了手機短信、微信、手機瀏覽器等訪問方式，支持多種工作方式和業務模式，能夠適應不同的教學網絡環境。

實際課堂應用驗證了本系統改進課堂互動教學效果的有效性和實用性，調動了學生的學習積極性；在廣大學生的積極參與下，本系統在進行持續的完善和改進。

[1]唐明偉,莊玉良,蔣勛等.基于短信貓的課堂自動點名系統[J].現代教育技術,2013,(10):115-120.

[2]卓晴,李海霞,趙昊熠.基于手機短信的課堂應答系統設計與實現[J].現代教育技術,2011,(9):98-102.

[3]李紅美.教學應答系統問題設計的框架與策略[J].電化教育研究,2013,(8):53-60.

[4]姜虹,李峰.基于Web技術的智能手機課堂應答系統設計[J].現代電子技術,2012,(14):48-51.

[5]張敏,朱慶生,楊瑞龍等.基于平板電腦的教學互動系統研究與設計[J].計算機教育,2013,(18):87-90.

[6]楊瑞龍,朱征宇,朱慶生等.引入軟件設計模式的面向對象程序設計教學方法[J].計算機教育,2012,(10):97-100.

編輯：小西

Design and Implementation of Integrated Interactive Classroom Teaching System

YANG Rui-long ZHU Qing-sheng ZHANG Min GU Ping LI Jia

)

Based on wireless network, the integrated interactive classroom teaching system which is constructed by mobile phones, tablet computer and teaching computers records and traces teaching process in classrooms. Teachers take advantage of this system to refine interactive methods and improve efficiency in classrooms. It provides multiple access consisting of SMS, Weixin and Mobile browser. The functions of classroom roll call, classroom response, real-time feedback, statistics and teaching presentation are integrated into an organism. The data collected from these models are transformed into indices for evaluating teaching effect in classrooms.

interactive classroom teaching; teaching system; roll call; classroom response; teaching evaluation

G40-057

A

1009—8097（2015）05—0115—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2015.05.018

本文為重慶市教委高等教育教學改革研究重大項目“利用平板電腦構建課堂教學互動系統提高教學質量的研究與實踐”（項目編號：1201013）、重大項目“強化課程教學過程和評價，全面提升學生的綜合能力”（項目編號：1201026）和重慶大學教改項目“基于無線網絡的課堂應答系統”（項目編號：2014Y24）的研究成果。

楊瑞龍、重慶大學計算機學院、講師、博士、研究方向為數據挖掘、生物計算模型，郵箱為yangrl@cqu.edu.cn。

2014年10月8日。