“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣云 倪靜 袁勝超

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣云 倪靜 袁勝超

“互聯(lián)網(wǎng)+”是當(dāng)今教育信息化的主旋律，信息技術(shù)已滲透到教育的方方面面，傳統(tǒng)教育受地域和時間的限制，正逐步被混合式學(xué)習(xí)所取代。在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下，網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)將信息技術(shù)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(xué)質(zhì)量管理功能于一體。運(yùn)用大數(shù)據(jù)開展教學(xué)數(shù)據(jù)的采集和分析工作，探尋學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)特征，既提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，又促進(jìn)教師教學(xué)方法的改善，打造教與學(xué)的新模式。

互聯(lián)網(wǎng)+；教育信息化；大數(shù)據(jù)；自動組卷；遺傳算法

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計(jì)劃的深入開展，越來越多的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)運(yùn)用現(xiàn)代化信息技術(shù)加速產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級，呈現(xiàn)全新的發(fā)展態(tài)勢。[1]在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下，涌現(xiàn)出大批新型教學(xué)模式，如微課、慕課、手機(jī)課堂、翻轉(zhuǎn)課堂等，給傳統(tǒng)教育事業(yè)帶來嚴(yán)重沖擊與挑戰(zhàn)。

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

為推進(jìn)信息技術(shù)與教育實(shí)踐的深度融合，本文提出網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)，打造未來課堂實(shí)現(xiàn)智慧互聯(lián)，將班級管理、課程管理、考核管理、成績管理和教學(xué)質(zhì)量管理集于一體，在充分發(fā)揮教師主導(dǎo)作用的同時又突出學(xué)生的主體地位，打造以“自主、探究、合作”為特征的新型教學(xué)方式。期望提高教學(xué)的質(zhì)量和水平，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源共享，促進(jìn)教育信息化和教育公平。

一、系統(tǒng)需求分析

網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)以教學(xué)計(jì)劃為基礎(chǔ)，面向具體的課程安排，為教務(wù)處、教師和學(xué)生提供了一個在線學(xué)習(xí)交流的平臺，使得傳統(tǒng)教學(xué)突破時間和地域限制。該系統(tǒng)的一大特色是教學(xué)信息的采集和分析工作。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，教師只能根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)來對其學(xué)習(xí)態(tài)度進(jìn)行主觀評價，無法跟蹤學(xué)生的課后學(xué)習(xí)情況，且無法準(zhǔn)確把握學(xué)生對各個知識點(diǎn)的把握情況。因此網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)提供專業(yè)的數(shù)據(jù)支持，打破傳統(tǒng)依賴教育經(jīng)驗(yàn)的方式，提高教學(xué)方法和教學(xué)模式的合理性和科學(xué)性。系統(tǒng)具體需求分析如下：

（1）管理員。管理員是網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)的維護(hù)人員，負(fù)責(zé)用戶賬號和權(quán)限管理以及新聞的發(fā)布。

（2）教務(wù)處。教務(wù)處是教學(xué)活動的管理者，負(fù)責(zé)維護(hù)課程和開設(shè)教學(xué)班。維護(hù)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(xué)班管理指在現(xiàn)有課程的基礎(chǔ)上，開設(shè)教學(xué)班，教學(xué)班與課程一一對應(yīng)，同時為每個教學(xué)班分配一名任課教師。教學(xué)班開設(shè)后，學(xué)生通過選課加入課程。

（3）教師。教師是教學(xué)活動的主導(dǎo)者，負(fù)責(zé)制定教學(xué)計(jì)劃和課程內(nèi)容。當(dāng)教務(wù)處給教師分配教學(xué)班后，教師需要添加教學(xué)班對應(yīng)課程的內(nèi)容，包括課程的章節(jié)、內(nèi)容和知識點(diǎn)，上傳課程的相關(guān)學(xué)習(xí)視頻和輔助文件資料。教師還需要根據(jù)課程知識點(diǎn)建立題庫，安排學(xué)生在線考試，管理學(xué)生成績。課程結(jié)束后，依據(jù)學(xué)生的在線學(xué)習(xí)行為，分析其參與課程教學(xué)的程度；根據(jù)學(xué)生的答卷情況，通過統(tǒng)計(jì)試卷知識點(diǎn)的覆蓋率以及答卷的正確率分析學(xué)生對課程知識點(diǎn)的掌握情況，以便總結(jié)課程教學(xué)的質(zhì)量并做出相應(yīng)的改進(jìn)。

（4）學(xué)生。學(xué)生是教學(xué)活動的主體，可在線瀏覽教師上傳的課程內(nèi)容和課程資料進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，還可以與教師線上交流問題，提高問題的解決效率。課程結(jié)束時參加在線考試。面向?qū)W生個體，系統(tǒng)具備統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)時間、分析知識點(diǎn)掌握情況等功能，準(zhǔn)確指出學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的優(yōu)勢和薄弱環(huán)節(jié)，為其進(jìn)一步學(xué)習(xí)指明方向。

二、系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)主要面向教務(wù)處、教師和學(xué)生三類角色，系統(tǒng)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(xué)質(zhì)量管理四大模塊。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

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

（2）開課管理。開課管理模塊包括教學(xué)班管理、科目內(nèi)容管理和課程資源管理。教學(xué)班管理是指教務(wù)處根據(jù)系統(tǒng)已有課程進(jìn)行開課操作，即組建教學(xué)班，為每個教學(xué)班分配任課教師，學(xué)生加入課程。科目內(nèi)容管理是課程任課教師創(chuàng)建課程章節(jié)的內(nèi)容及知識點(diǎn)。課程資源管理指教師上傳知識點(diǎn)的講解視頻和輔助學(xué)習(xí)資料。學(xué)生登錄系統(tǒng)在線學(xué)習(xí)，遇到問題通過系統(tǒng)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(jù)課程知識點(diǎn)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(diǎn)分布、題型安排等，使用遺傳算法進(jìn)行系統(tǒng)自動組卷。考核管理指學(xué)生根據(jù)教師安排的考試時間登錄系統(tǒng)，完成在線考試，系統(tǒng)自動評卷，生成考試分?jǐn)?shù)。成績管理指教師統(tǒng)計(jì)學(xué)生成績。

（4）教學(xué)質(zhì)量管理。教學(xué)質(zhì)量管理是網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)記錄學(xué)生的在線學(xué)習(xí)情況，統(tǒng)計(jì)每位學(xué)生學(xué)習(xí)課程每個章節(jié)的時間，結(jié)合其考核情況，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。分析試卷中知識點(diǎn)的正確率，以便教師了解學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度，在以后的教學(xué)過程中做出改進(jìn)，以提高教學(xué)質(zhì)量。

三、組卷算法的分析與設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)功能涵蓋班級創(chuàng)建、課程內(nèi)容管理、在線學(xué)習(xí)及考試等，其核心模塊之一是智能化自動組卷，即用戶根據(jù)自身出題策略，運(yùn)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(zhì)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(jī)算法簡單易操作，但是試題重復(fù)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(jī)算法做了改善，但是當(dāng)試卷總題量較大時，對內(nèi)存占用量大，程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜。[4-5]然而當(dāng)題庫規(guī)模較大和組卷指標(biāo)復(fù)雜時，這些算法在組卷質(zhì)量和組卷速度方面都差強(qiáng)人意。針對以上問題，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)學(xué)模型

自動組卷問題實(shí)質(zhì)上是一個多目標(biāo)優(yōu)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(jìn)行求解。數(shù)學(xué)模型的建立包括定義約束條件和確定目標(biāo)函數(shù)。

（1）約束條件。依據(jù)用戶提出的多方面出題策略建立試題指標(biāo)，主要包括試卷總分?jǐn)?shù)、考試時間、試題難度、涉及知識點(diǎn)、試題類型等。設(shè)m為試卷所含的試題的個數(shù)，n為試題的屬性個數(shù)，試卷結(jié)構(gòu)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(biāo)矩陣中的參數(shù)要符合如下約束條件：

①試卷分?jǐn)?shù)：試卷總分Sum，一般設(shè)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(biāo)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(biāo)與用戶要求的誤差都取絕對值），wi表示第i個指標(biāo)的權(quán)值。因此組卷問題就是約束條件下的尋求F值最小的優(yōu)化問題。

2.組卷的遺傳算法設(shè)計(jì)

（1）編碼策略。采用二進(jìn)制編碼策略。題庫中共有m道題都出現(xiàn)在二進(jìn)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(jī)函數(shù)ran?dom(m)隨機(jī)生成規(guī)模為n的初始化群體。

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

（6）變異算子。依據(jù)變異概率Pm隨機(jī)確定將段內(nèi)某位取反，然后在該位所在分段內(nèi)，隨機(jī)確定向后或向前方向?qū)ふ乙晃唬⑵淙》矗脕硐欠ɑ驖M足約束條件。

（7）判斷算法終止。設(shè)t為進(jìn)化的代數(shù)，t=t+1。按照步驟(3)的方法計(jì)算當(dāng)前群的個體適應(yīng)度。當(dāng)t達(dá)到最大代數(shù)Max，或者滿足優(yōu)化要求時算法終止，否則轉(zhuǎn)步驟(4)繼續(xù)執(zhí)行。

四、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)體包括教師、學(xué)生、教學(xué)班級等，其實(shí)體關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)體關(guān)系圖

根據(jù)圖2中的實(shí)體以及實(shí)體之間的關(guān)系創(chuàng)建表單并建立表單之間的聯(lián)系。網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)包括17張數(shù)據(jù)表，下面列出比較具有代表性的有關(guān)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(tǒng)實(shí)施

網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)集成采用SSH（Struts+Spring+Hibernate）框架，分層構(gòu)建web應(yīng)用程序。[10]系統(tǒng)功能包括班級創(chuàng)建、課程內(nèi)容管理、在線學(xué)習(xí)及考試等，下面選取自動組卷模塊作詳細(xì)介紹。

（1）試題管理。試題由教學(xué)班級的任課教師管理，如圖3所示，試題與課程的章節(jié)知識點(diǎn)一一對應(yīng)，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(shè)計(jì)出卷規(guī)則，即設(shè)置試卷結(jié)構(gòu)，試卷結(jié)構(gòu)包括各題型的數(shù)量和分值。

圖4 試卷設(shè)計(jì)界面

（3）試題策略管理。試卷結(jié)構(gòu)設(shè)置完成后，需添加分配實(shí)體的策略，如圖5所示，任課教師確定試卷考察的知識點(diǎn)以及考察的難易程度，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的規(guī)則自動組卷。組卷完成后教師可在線預(yù)覽，如圖6所示。

圖5 試題策略管理界面

圖6 試卷預(yù)覽界面

六、總結(jié)與展望

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的背景下，網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)打破傳統(tǒng)線下教學(xué)的模式，用管理信息系統(tǒng)的思想來管理教學(xué)事務(wù)。系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化的開發(fā)方法，且經(jīng)過專業(yè)的系統(tǒng)測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，較大程度滿足用戶需求。

網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)將傳統(tǒng)的線下課堂整合到線上，一方面高度整合優(yōu)秀的教育資源，促進(jìn)教育公平，另一方面能極大程度滿足學(xué)生的個性化需求。對于學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)難點(diǎn)可以進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)，遇到問題可線上咨詢?nèi)握n教師，教師能給予及時的反饋，提高教學(xué)的效率和質(zhì)量。促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和師生之間的互動性。在系統(tǒng)的后期改進(jìn)中，將繼續(xù)完善系統(tǒng)操作便利、資源豐富、實(shí)時互動、教學(xué)靈活等特征，重視大數(shù)據(jù)應(yīng)用和思維可視化，更好地服務(wù)教育、服務(wù)教師、服務(wù)學(xué)生，推動教育信息化的全面發(fā)展。

[1]李克強(qiáng)．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(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2012,34(5):178-183.

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

[4]楊永斌.網(wǎng)絡(luò)智能試題庫系統(tǒng)建設(shè)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2007,34(12):296-298.

[5]唐朝舜,董玉德,熊蓉.在線隨機(jī)組卷算法研究及實(shí)現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006,29(3):296-299.

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

[7]馬德良,陸昌輝,王小樂.基于改進(jìn)遺傳算法的智能組卷方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,29(7): 1884-1886.

[8]吳美娟,黃煙波,劉中宇.基于改進(jìn)遺傳算法的智能組卷系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007,24(12):191-193.

[9]陳國彬,張廣泉.基于改進(jìn)遺傳算法的快速自動組卷算法研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2015,32(10):2996-2998.

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

（作者單位：上海理工大學(xué)管理學(xué)院）

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

上海市自然科學(xué)基金（編號：14ZR1427800）]