“互聯網+”背景下網絡化教學系統的設計與實現

蔣云 倪靜 袁勝超

“互聯網+”背景下網絡化教學系統的設計與實現

蔣云 倪靜 袁勝超

“互聯網+”是當今教育信息化的主旋律，信息技術已滲透到教育的方方面面，傳統教育受地域和時間的限制，正逐步被混合式學習所取代。在“互聯網+教育”背景下，網絡化教學系統將信息技術與教育融合，集班級管理、課程管理、考核管理、成績管理和教學質量管理功能于一體。運用大數據開展教學數據的采集和分析工作，探尋學生的個性化學習特征，既提高學生自主學習的能力，又促進教師教學方法的改善，打造教與學的新模式。

互聯網+；教育信息化；大數據；自動組卷；遺傳算法

隨著“互聯網+”行動計劃的深入開展，越來越多的傳統產業運用現代化信息技術加速產業轉型與升級，呈現全新的發展態勢。[1]在“互聯網+教育”背景下，涌現出大批新型教學模式，如微課、慕課、手機課堂、翻轉課堂等，給傳統教育事業帶來嚴重沖擊與挑戰。

傳統教育采用線下教學及手工記錄的方式，教學信息的共享性和準確性，學生學習的自主性和創造性，師生之間溝通的及時性和有效性都較低。一方面，傳統課堂教學形成以教師為主體、書本為中心的教學模式，學生在整個教學過程中被動接受知識，學習的主動性被忽視。另一方面，傳統課堂受時間和空間的限制，無法滿足教學的個性化需求。傳統教育事業亟待改革。

為推進信息技術與教育實踐的深度融合，本文提出網絡化教學系統，打造未來課堂實現智慧互聯，將班級管理、課程管理、考核管理、成績管理和教學質量管理集于一體，在充分發揮教師主導作用的同時又突出學生的主體地位，打造以“自主、探究、合作”為特征的新型教學方式。期望提高教學的質量和水平，實現優質教育資源共享，促進教育信息化和教育公平。

一、系統需求分析

網絡化教學系統以教學計劃為基礎，面向具體的課程安排，為教務處、教師和學生提供了一個在線學習交流的平臺，使得傳統教學突破時間和地域限制。該系統的一大特色是教學信息的采集和分析工作。在傳統的教學過程中，教師只能根據學生的課堂表現來對其學習態度進行主觀評價，無法跟蹤學生的課后學習情況，且無法準確把握學生對各個知識點的把握情況。因此網絡化教學系統提供專業的數據支持，打破傳統依賴教育經驗的方式，提高教學方法和教學模式的合理性和科學性。系統具體需求分析如下：

（1）管理員。管理員是網絡化教學系統的維護人員，負責用戶賬號和權限管理以及新聞的發布。

（2）教務處。教務處是教學活動的管理者，負責維護課程和開設教學班。維護課程包括添加新的課程信息、修改已有課程信息和刪除無效課程。教學班管理指在現有課程的基礎上，開設教學班，教學班與課程一一對應，同時為每個教學班分配一名任課教師。教學班開設后，學生通過選課加入課程。

（3）教師。教師是教學活動的主導者，負責制定教學計劃和課程內容。當教務處給教師分配教學班后，教師需要添加教學班對應課程的內容，包括課程的章節、內容和知識點，上傳課程的相關學習視頻和輔助文件資料。教師還需要根據課程知識點建立題庫，安排學生在線考試，管理學生成績。課程結束后，依據學生的在線學習行為，分析其參與課程教學的程度；根據學生的答卷情況，通過統計試卷知識點的覆蓋率以及答卷的正確率分析學生對課程知識點的掌握情況，以便總結課程教學的質量并做出相應的改進。

（4）學生。學生是教學活動的主體，可在線瀏覽教師上傳的課程內容和課程資料進行自主學習，還可以與教師線上交流問題，提高問題的解決效率。課程結束時參加在線考試。面向學生個體，系統具備統計學習時間、分析知識點掌握情況等功能，準確指出學生在課程學習中的優勢和薄弱環節，為其進一步學習指明方向。

二、系統功能模塊設計

網絡化教學系統主要面向教務處、教師和學生三類角色，系統的功能模塊圖如圖1所示，主要包括基本信息管理、開課管理、考核管理、教學質量管理四大模塊。

圖1 系統功能模塊圖

（1）基本信息管理。基本信息管理模塊包括教務處、教師和學生三類用戶的基本信息管理以及角色的分配，依據各角色的功能劃分其系統功能的使用權限，還包括對課程信息的管理與維護，只有課程信息中存在該課程，教務處才能進行后期的開課操作。

（2）開課管理。開課管理模塊包括教學班管理、科目內容管理和課程資源管理。教學班管理是指教務處根據系統已有課程進行開課操作，即組建教學班，為每個教學班分配任課教師，學生加入課程。科目內容管理是課程任課教師創建課程章節的內容及知識點。課程資源管理指教師上傳知識點的講解視頻和輔助學習資料。學生登錄系統在線學習，遇到問題通過系統與教師線上交流等。

（3）考核管理。考核管理包括試題管理、考卷管理、考核管理和成績管理。試題管理指由教師依據課程知識點建立課程的試題庫。考卷管理指由教師輸入出卷策略，包括試卷總分、考試時間、知識點分布、題型安排等，使用遺傳算法進行系統自動組卷。考核管理指學生根據教師安排的考試時間登錄系統，完成在線考試，系統自動評卷，生成考試分數。成績管理指教師統計學生成績。

（4）教學質量管理。教學質量管理是網絡化教學的一個重要環節，系統記錄學生的在線學習情況，統計每位學生學習課程每個章節的時間，結合其考核情況，分析學生的學習效率，并發現學生在學習過程中的重點與難點。分析試卷中知識點的正確率，以便教師了解學生對知識點的掌握程度，在以后的教學過程中做出改進，以提高教學質量。

三、組卷算法的分析與設計

網絡化教學系統功能涵蓋班級創建、課程內容管理、在線學習及考試等，其核心模塊之一是智能化自動組卷，即用戶根據自身出題策略，運用組卷算法從海量試題庫中抽取試題生成試卷。[2]組卷的速度和試卷的質量主要取決于組卷算法的性能。[3]組卷算法主要有以下幾種。隨機算法簡單易操作，但是試題重復率較高，且無法滿足用戶多變的出題策略。回溯算法雖對隨機算法做了改善，但是當試卷總題量較大時，對內存占用量大，程序結構復雜。[4-5]然而當題庫規模較大和組卷指標復雜時，這些算法在組卷質量和組卷速度方面都差強人意。針對以上問題，網絡教學系統使用一種基于遺傳算法的智能高效組卷算法。[6]使用遺傳算法用于解決自動組卷問題[7-9]已相對成熟，且實驗結果表明，該算法生成的試卷能較大程度滿足用戶的需求。

1.組卷的數學模型

自動組卷問題實質上是一個多目標優化問題，其基本原理是將用戶的要求量化為試卷模型，并對模型進行求解。數學模型的建立包括定義約束條件和確定目標函數。

（1）約束條件。依據用戶提出的多方面出題策略建立試題指標，主要包括試卷總分數、考試時間、試題難度、涉及知識點、試題類型等。設m為試卷所含的試題的個數，n為試題的屬性個數，試卷結構可以表示為一個m×n的矩陣T。矩陣T的每一行由某一試題的n個屬性決定，即

目標矩陣中的參數要符合如下約束條件：

①試卷分數：試卷總分Sum，一般設為100；

②考試時間：試卷總考試時間，一般為2小時；

其中fi表示第i個指標與用戶要求的誤差的絕對值（為避免各個誤差相互抵消，指標與用戶要求的誤差都取絕對值），wi表示第i個指標的權值。因此組卷問題就是約束條件下的尋求F值最小的優化問題。

2.組卷的遺傳算法設計

（1）編碼策略。采用二進制編碼策略。題庫中共有m道題都出現在二進制串中，即T1,T2,…,Tm，若Tk=1，則第k題被選中；若Tk=0，則第k題沒有被選中。

（2）初始化群體。通過隨機函數ran?dom(m)隨機生成規模為n的初始化群體。

（5）交叉算子。在群體中隨機選擇兩個串進行兩兩配對，對每對串產生一個[0, 1]的隨機數r，如果滿足r＜Pc＜1-Pm,那么將這兩個串進行交換，否則不進行交換，Pc為交換概率，Pm為變異概率。

（6）變異算子。依據變異概率Pm隨機確定將段內某位取反，然后在該位所在分段內，隨機確定向后或向前方向尋找一位，并將其取反，用來消除非法基因滿足約束條件。

（7）判斷算法終止。設t為進化的代數，t=t+1。按照步驟(3)的方法計算當前群的個體適應度。當t達到最大代數Max，或者滿足優化要求時算法終止，否則轉步驟(4)繼續執行。

四、數據庫設計

網絡化教學系統的實體包括教師、學生、教學班級等，其實體關系圖如圖2所示。

圖2 系統實體關系圖

根據圖2中的實體以及實體之間的關系創建表單并建立表單之間的聯系。網絡化教學系統數據庫邏輯結構包括17張數據表，下面列出比較具有代表性的有關試卷信息3張表（表1-表3）。

表1 試題題庫表

表2 試卷基本信息表

表3 試卷試題信息表

五、系統實施

網絡化教學系統采用B/S結構，系統集成采用SSH（Struts+Spring+Hibernate）框架，分層構建web應用程序。[10]系統功能包括班級創建、課程內容管理、在線學習及考試等，下面選取自動組卷模塊作詳細介紹。

（1）試題管理。試題由教學班級的任課教師管理，如圖3所示，試題與課程的章節知識點一一對應，試題的類型包括單選、多選、判斷、填空和簡答5種。

圖3 試題管理界面

（2）組卷管理。組卷首先由教師安排考試時間和確定試卷總分，如圖4，同時設計出卷規則，即設置試卷結構，試卷結構包括各題型的數量和分值。

圖4 試卷設計界面

（3）試題策略管理。試卷結構設置完成后，需添加分配實體的策略，如圖5所示，任課教師確定試卷考察的知識點以及考察的難易程度，系統根據設置的規則自動組卷。組卷完成后教師可在線預覽，如圖6所示。

圖5 試題策略管理界面

圖6 試卷預覽界面

六、總結與展望

在“互聯網+教育”的背景下，網絡化教學系統打破傳統線下教學的模式，用管理信息系統的思想來管理教學事務。系統采用結構化的開發方法，且經過專業的系統測試，測試結果表明系統穩定性良好，較大程度滿足用戶需求。

網絡化教學系統將傳統的線下課堂整合到線上，一方面高度整合優秀的教育資源，促進教育公平，另一方面能極大程度滿足學生的個性化需求。對于學習中的重點難點可以進行反復學習，遇到問題可線上咨詢任課教師，教師能給予及時的反饋，提高教學的效率和質量。促進學生學習的自主性和師生之間的互動性。在系統的后期改進中，將繼續完善系統操作便利、資源豐富、實時互動、教學靈活等特征，重視大數據應用和思維可視化，更好地服務教育、服務教師、服務學生，推動教育信息化的全面發展。

[1]李克強．政府工作報告[N]．人民日報，2015-03-15(001)．

[2]張琨,楊會菊,宋繼紅,等.基于遺傳算法的自動組卷系統的設計與實現[J].計算機工程與科學,2012,34(5):178-183.

[3]魏乎,于海光,熊偉清.基于進化穩定策略的單親遺傳算法求解組卷問題[J]．微電子學與計算機,2005,22(1):105-109.

[4]楊永斌.網絡智能試題庫系統建設研究[J].計算機科學,2007,34(12):296-298.

[5]唐朝舜,董玉德,熊蓉.在線隨機組卷算法研究及實現[J].合肥工業大學學報:自然科學版，2006,29(3):296-299.

[6]GEN MITSUO,CHENG RUNWEI.遺傳算法與工程優化[M].于歆杰,周根貴,譯.北京:清華大學出版社,2004:83-86.

[7]馬德良,陸昌輝,王小樂.基于改進遺傳算法的智能組卷方法[J].計算機應用,2009,29(7): 1884-1886.

[8]吳美娟,黃煙波,劉中宇.基于改進遺傳算法的智能組卷系統研究[J].計算機應用與軟件，2007,24(12):191-193.

[9]陳國彬,張廣泉.基于改進遺傳算法的快速自動組卷算法研究[J].計算機應用研究, 2015,32(10):2996-2998.

[10]劉中兵.開發者突擊:J2EE+Struts+Hiber?nate+Spring.Java Web主流框架整合開發[M].北京:電子工業出版社,2008.

（作者單位：上海理工大學管理學院）

10.16653/j.cnki.32-1034/f.2016.23.051

上海市自然科學基金（編號：14ZR1427800）]