現代網絡教育交互式教學平臺的設計與實現

蔣漪漣，鄧康一，劉曉丹

（1.陜西工商職業學院　計算機與信息管理系，陜西　西安　710119；2.陜西廣播電視大學 開放教育學院，陜西 西安　710119）

現代網絡教育交互式教學平臺的設計與實現

蔣漪漣1，鄧康一2，劉曉丹1

（1.陜西工商職業學院計算機與信息管理系，陜西西安710119；2.陜西廣播電視大學 開放教育學院，陜西 西安710119）

針對現代網絡教育師生交互性差的問題給出解決方案。采用當前流行的MVC模式的Django框架。開發了一個B/S結構的基于Web的交互式教學平臺系統。交互式課程評價體系以及自動分組算法可以使得學生以團隊協作方式學習，教師進行監測和評分。

交互式教學平臺；課程評價體系；自動分組算法；MVC模式；B/S結構

網絡教育就是指學生和教師以及學生和教育組織間主要是利用多種媒體方式進行系統教學和通信聯系的一種教育形式［1］?，F代網絡教育是在計算網絡技術、通信技術和多媒體技術發展下產生的一種新型教育形式，運用多媒體和多種交互方式使老師與學生進行教學和通信聯系［2］。網絡教育是遠程教育的主要形式，也是高職教育的一個輔助教學形式［3］。

相比常規的教學方式，網絡教育的優勢非常明顯。第一、網絡教育在時間和地點這兩方面非常靈活。老師和學生不再需要在規定的時間趕到規定的地點，而是可以根據自己的日程安排靈活調整，學校也不再需要安排教室，在很大程度上降低了教學成本［4］。學生也不再需要去教室，只需要一臺能夠連上互聯網的電腦，甚至智能移動終端就能夠學習，省下了往返教室需要的時間［5］。第二、學生在選擇課程時擁有了更多的自主權，可以根據自己的興趣和需要自由選擇最優質的課程［6］。而在另一方面，由于受眾的增多，在把知識傳遞給更多學子的同時，也能夠促進教師不斷提升自己的教學質量，講授出更多、更加優質的課程［7］。

對于網絡教育來說，缺乏面對面的情感交流是無可避免的一個難題，網絡學習者缺乏人與人之間的溝通交流，難以塑造個人自信心和培養良好的個人情誼，造成學習者不喜歡通過網絡進行學習［8］。尤其是學生在學習是遇到問題而得不到解決會對學習喪失信息，堅持不下去，教師在網上批改作業也是難度較大的工作。

本系統是一個B/S結構的基于web的交互式教學系統。設計一套新穎的交互式評價體系，專注于改善教師布置和批改課程任務的整個流程，讓學生能夠以更加接近真實企業團隊工作方式的形式來完成任務，增強專業技能，并且拓寬知識面，增強就業競爭力。與以往線下布置與批改課程任務的流程相比較，本系統提出的交互式課程評價體系旨在為教師提供更多有價值的參考信息，同時減輕教師批閱課程作業工作量。

在本系統中，教師不僅可以上傳課程的簡介、課件以及視頻，還能夠針對課程任務進行高效的管理與批改。在實際教學過程中，為了培養學生的團隊合作能力，很多作業是以分組的形式布置，再由同學們合作完成提交給老師。為了發揮每個組內的每位同學的不同方面的優勢，從而進行優勢互補，更好地完成老師布置的課程任務，本系統還實現了自動分組的功能。

1　評價體系

1.1交互式教學系統指標體系結構

本系統以遠程開放教育計算機科學與技術專業的學生為對象構建指標體系，這套指標體系分為知識架構、能力要求和素質要求3個方面［9］，每個方面又包含了若干項細分指標共35個，計算機科學與技術專業能力要求指標體系如表1所示。

表1　計算機科學與技術專業能力要求指標體系

針對學生的各項綜合素質，中央電大頒布了計算機科學與技術的人才培養方案和知識、能力要求［10］，根據中央電大的要求制訂了陜西電大的一整套評價指標，這套指標體系分為知識架構、能力要求和素質要求3個方面，每個方面又包含了若干項細分指標。其中知識架構和素質要求不在此一一列舉。

1.2交互式教學系統的自動分組算法

根據上述35項評價指標把每個學生的各項素質抽象為一個35維的向量，并在此基礎上實現對學生進行自動分組的功能。每個學生的每項指標的可評分范圍在 1～5之間，目前系統中共有35項可評價的指標，以圖 1所示數據為例，如果某項指標沒有被評過分，則保持在初始狀態 0。

圖1　初始評價指標數據

各項指標中顯示為0的部分表示該學生沒有選修過與這項指標有關聯的課程，并不能說明該學生這方面的能力就為“0”。所以如果直接拿這樣的數據來使用，得出的結果一定是非常不理想的。經過觀察發現，相鄰的指標所代表的意思往往非常接近，如表 1中的“CA5.軟件基礎知識”與其相鄰項“CB1.計算機基礎知識”，對同一個學生而言，在這兩項的得分一定是非常近似的。根據這個發現，可以對上表中的“0”數據進行清洗，用近似“0”數據兩側的數據來代替原始的“0”，得出的新數據如圖2所示。

圖2　清洗后的指標數據

在進行數據清洗之后，再分析每個同學各項指標的差距，盡量讓不同類型的人才分在同一個小組，例如有的同學代碼能力很強，但是很貪玩，經常連作業都來不及做，那么就應該安排一位項目經理型的同學和他一組，來幫助規劃和督促整個項目的進度。由于在數據清洗之后每個指標的取值范圍都在 1～5之間，可以用余弦相似度來判斷每位同學在各方面綜合素質上的相似度。設我們要比較的兩個學生的各項指標分別為X1，X2，X3……X34，X35和Y1，Y2，Y3……Y34，Y35，那么它們的余弦相似度可以表示為:

如果某個班級有N位同學，那么就可以求得一個 N*N的相似矩陣來表示出班上同學兩兩之間的相似度。余弦的取值范圍只能在 0到 1之間，所求得cosθ的值越接近 1，則表示x和y兩位同學的各項綜合能力越接近。而所求得cosθ的值越接近0，則說明這兩位同學的差異性越大，就越應該把他們分在相同的組內，互相取長補短。

在求出相似性矩陣之后，下一步是對這個矩陣里的行或每一列信息進行排序，以找出每行或每列中差異性最大的值，由于數組在計算機中是按行排列的，所以我們還是按行進行排序。接下來就可以開始進行分組了。而關于組長的挑選也不需要老師來操心，系統會自動根據這些指標來把綜合能力較強的同學挑選出來，作為每個小組的負責人。由于每個小組需要一個能力較強的組長作為負責人，所以我們還需要班上每位同學綜合能力的排序?；谥扒逑催^的數據，同學X的綜合素質可以用他各項指標所得分值的向量長度來表示，再用數組把全班N位同學的Q值保存起來。

按照老師輸入的分組數量 G，把數組 L所代表的每位同學按 Q值從大到小的順序進行排序，依次放入每個分組。這樣，每個組的組長就選好了。

現在得到了一個長度為老師輸入的分組數量G，代表每個組內都有且僅有一個組長的一維矩陣 Ld，以此為基礎，再根據之前求出的相似度矩陣，把相似度最小的同學們添加進到相應的分組中，從而實現自動分組功能。

2　系統的設計與實現

2.1交互式教學系統的總體設計

系統使用基于 MVC架構的 Django框架，MVC架構是一種優秀的設計模式［11］，很多優秀的 web框架都遵循了這種模式，它將軟件的業務邏輯內聚到一個文件夾里，不需要在對配置文件或者對交互界面進行更改后重新編寫業務邏輯［12］。Django是一個由 Python寫成的開源網站框架［13］。Django最大的優勢在于便于快速開發和部署，能夠讓開發人員專注于系統邏輯，很快做出原型系統［14-15］。

2.2系統功能模塊設計

本系統中，有3個主要的功能模塊，分別是學生模塊、教師模塊以及后臺管理模塊，如圖3所示。

圖3　系統功能模塊圖

學生模塊主要是查看課程列表、觀看課程視頻、查看、下載課程任務等。教師模塊能夠查看和編輯自己所教授的課程，對學生和課程任務進行管理等。而后臺管理模塊的主要功能主要是一些批處理操作，例如批量導入各種信息、對教師和學生的個人信息進行管理等。

2.3自動分組算法的實現

1）清洗數據

對圖1中的“0”數據進行清洗，用近似“0”數據兩側的數據來代替原始的“0”，具體代碼如下：

其中 student Num表示班級總人數，indicator Num表示指標數，本系統中設為35。在清洗之前，先把原始數據裝入一個大小為 student Num*indicator Num 的矩陣indicator ［student Num］［indicator Num］中，然后判斷是否有孤立的“0”存在，如果有，則把它的值設為左右兩邊數字的平均數。

2）判斷相似度并排序

在進行數據清洗之后，再分析每個同學各項指標的差距，盡量讓不同類型的人才分在同一個小組，在計算向量長度時，將數據直接保存在一個字典結構 capability里，這樣在求余弦的計算中“順便”計算了每位同學的綜合能力值，之后只需要直接取用即可，無需再次計算。

具體代碼如下，在這部分代碼的最后一行，對之前存在字典中的數據進行了排序，保存在capability Sort列表內。

3）自動選出組長并分組

由于每個小組需要一個能力較強的組長作為負責人，所以我們還需要班上每位同學綜合能力的排序。基于之前清洗過的數據，同學X的綜合素質可以用他各項指標所得分值的向量長度來表示，再用數組把全班N位同學的Q值保存起來。這部分代碼已經在前一部分實現，直接把 capability Sort拿來用即可。

接下來，按照老師輸入的分組數量 group Num，把數組group所代表的每位同學按Q值從大到小的順序進行排序，依次放入每個分組。這樣，每個組的組長就選好了。在下列代碼中，group Num表示教師輸入的分組數量，group是用來存儲整個分組結果的矩陣。除此之外還需要建立一個 stu Has Grp列表，用布爾值存儲每個學生是否已經加入分組，每個元素都初始化為False。在下面的實際代碼中可以看到，把每組組長加入分組之后都會把相應的 stu Has Grp值設為True。

現在得到了一個長度為老師輸入的分組數量 group Num，代表每個組內都有且僅有一個組長的一維矩陣 group，以此為基礎，再根據之前求出的相似度矩陣，把相似度最小的同學們添加進到相應的分組中，從而實現自動分組功能。

3　結束語

系統分析了交互式教學系統中最關鍵的評價指標體系，并在此基礎上實現了系統模塊的功能需求。

在本系統中，教師不僅可以上傳課程的簡介、課件以及視頻，還能夠針對課程任務進行高效的管理與批改。在實際教學過程中，為了培養學生的團隊合作能力，作業采取分小組來完成，系統可自動進行分組并選定組長，提交作業，可以降低老師的作業批改量，同時可以實現較好的交互。

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The design and implementation of the interactive teaching platform of modern network education

JIANG Yi-lian1，DENG Kang-yi2，LIU Xiao-dan1
（1.Computer and Information Management Department，Shanxi Business College，Xi'an 710119，China；2.Open Education College，Shanxi Radio＆amp;TV University，Xi'an 710119，China）

In view of the modern network education teachers and students to give the solution to the problem of poor interaction.Using the current popular Django framework based on MVC pattern.An interactive teaching platform system based on B/S is developed for Web structure.The interactive curriculum evaluation system and the automatic grouping algorithm can make the students to learn with team work approach，and the teachers monitor and score.

interactive teaching platform；curriculum evaluation system；automatic grouping algorithm；MVC；B/S

TN3

A

1674－6236（2016）16-0105-04

2016-01-18稿件編號：201601148

陜西省教育廳2015年研究課題（15JK1060）；陜西工商職業學院2013年度科研項目（13G-04-A02）；陜西廣播電視大學2013年度科研項目（13DJ-B27）

蔣漪漣（1970—），女，陜西西安人，碩士，副教授。研究方向：計算機網絡技術、信息技術。