基于智能移動終端的無線投票教學系統設計開發

鐘世芬+柳榮其+魏冬梅

摘 要：在教學中使用傳統電子投票系統存在維護成本高、數據統計分析功能弱等諸多局限，借助智能移動終端、計算機網絡和現有投票系統模型而提出的一種無線投票教學系統方案將克服這些限制，使得用戶參與更方便。該方案將投票和教師授課用幻燈片結合，在幻燈片呈現問題時，學生在課堂上可以直接以投票方式答題，系統自動統計答題結果并呈現在幻燈片上，且同時記錄于數據庫中。利用該方案所設計的系統可節省教師大量批改作業的時間，教師也能在課堂上隨時掌握學生學習情況，以便及時調整教學內容和教學方法。使用該系統將有效提升教學質量。

關鍵詞：智能移動終端；投票；教學系統；服務器；幻燈片

DOIDOI：10.11907/rjdk.172273

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0120-04

0 引言

傳統教學中的師生互動、知識強化以及教師獲取學生對課堂教學內容掌握程度的信息，一般都通過課堂提問、課堂練習、課后作業等方式來完成。學生的掌握程度并不能準確、高效、實時地在課堂上得到反饋。將無線投票系統的原理引入到教學中，創建針對教學的無線投票教學系統，可以將“單向-滿堂灌”為特點的教學轉變為“基于問題”的師生交互式和探究式教學新模式。哈佛大學物理教授Eric Mazur 在1991年提出了Peer-Instruction（簡稱PI）教學方法[1]。PI教學法通過借助計算機應答交互系統（也稱投票系統）或選項卡片，使原來普通課堂只有少數學生回答問題變成每個學生都必須回答問題，大大提高了學生的學習成效[2-6]。

1 研究現狀

傳統電子投票系統一般包括主機、通訊主站和若干無線表決器。它可以應用于教學[7，8]（如圖1所示），但在使用過程中存在一些限制，如需租用專用硬件設備、維護成本高、數據統計分析功能弱等。隨著網絡技術的迅速發展，無線網絡的普及，以及手機、Ipad等智能移動終端的廣泛使用，完全可以摒棄專用表決器，借助學生的手機、Ipad等智能設備來完成投票或回答問題。借助智能移動終端和投票系統的方案，可以實現功能更強、更易于定制、用戶參與更方便的無線投票教學系統。使同學們在課堂上可以直接答題，系統可自動統計答題結果，教師不僅省去大量批改作業的時間，還能在課堂上隨時掌握學生學習狀態。

2 設計方案

無線投票教學系統主要包括手機App和服務器端程序。

2.1 系統總體架構

系統主要由若干智能移動終端、管理服務器端和數據服務器三部分構成[9]（如圖2所示）。數據服務器通過防火墻與管理服務器連接，管理服務器通過無線網絡與智能移動終端連接。智能移動終端主要完成業務表現等的處理功能，實現人機交互。管理服務器主要處理移動終端請求，并及時響應和完成數據交換工作，是用戶登錄、退出、管理題目信息、管理用戶信息的入口，也是輸出設備連接端。數據服務器用來存儲基礎數據和用戶修改后的信息，在后臺提供服務器所需要的數據，能夠對數據進行增加、刪除、修改、查詢和統計等功能。無線網絡包括互聯網、移動網絡或局域網，可以是Internet、Mobile Network或局域網WiFi網絡。防火墻用來確保數據服務器的數據安全。

管理服務器連接輸出設備，如打印機、顯示器或投影儀等。

2.2 系統構建模式

系統主要功能是借鑒手機投票方式實現問題回答，并在電腦端顯示。關鍵技術包括：（1）移動終端的數據提交；（2）電腦端的數據處理；（3）移動終端與電腦端數據傳輸的安全性和穩定性[10，11]。

可在普通電腦上利用Web編程技術搭建該系統，實現教學投票管理、過程控制、信息顯示、結果統計和分析等。利用移動終端的瀏覽器或移動終端的APP進行問題答案提交。

利用移動終端瀏覽器進行投票，移動終端無需額外安裝其它軟件，學生參與方便，但安全性、用戶使用方便性略差；使用專用的APP軟件，移動終端需要安裝專用的APP程序，但用戶使用便捷性強，且便于參數預設、用戶身份驗證、數據加密等。本系統主要采用APP模式投票回答問題。

2.3 服務器端

服務器端由兩部分構成，一是由管理員登錄后可以進行增刪改查操作的網站，二是運行在后臺的服務器組件。

2.3.1 服務器網站

構建一個網站，該網站可由超級管理員和普通管理員兩類角色進行管理。超級管理員可以創建普通管理員及管理所有數據信息，普通管理員可以管理個人及自己所上課程的信息。普通管理員登錄后能管理所承擔課程的所有題目及選項信息、學生答題信息、統計結果等內容，包含新建問題及選項、修改或刪除問題及選項、導入學生名單、查看學生答題情況、查看統計結果、導出學生答題情況等。超級管理員登錄后除可以完成上述所有操作外，還可以添加、修改、刪除和查看管理員信息。

2.3.2 服務器組件

服務器組件在后臺運行并接收學生的輸入，將數據寫入數據庫，并最終將數據傳給PowerPoint幻燈片供演示。

2.4 智能終端APP

由于目前主流的智能終端基于兩套系統：Android和IOS，為便于學生安裝軟件，應分別設計基于兩套系統的App軟件，方便學生在上課過程中與課件上的問題互動。

App的優點是在智能終端安裝一次后，以后使用時只需點擊圖標即可，具有便捷和易操作性。針對學生，無線投票教學系統最重要的功能是選擇并提交答案。其功能結構圖如圖3所示。

當學生進入投票教學App時，遠程數據服務器先初始化服務端環境，當數據服務器獲得移動終端的請求時返回相應的數據，App獲取數據后，進入相應的操作界面。

App一方面通過交互界面與客戶進行交互；另一方面與服務器進行數據交互。服務器端向客戶端提供數據接口以交換數據。endprint

2.5 數據庫設計

由于各高校都有自己的教務及學生管理系統，關于學生、教師及課程的一些詳細數據可以考慮不在本系統中存儲，需要時教師可以結合本系統和已有數據庫數據，利用導入導出工具在多種數據庫之間導入和轉換數據。但為便于管理、記錄和統計學生回答問題的相關信息，所有關鍵信息仍應存儲于數據庫中，可考慮設計下列幾張表來存儲這些關鍵數據。

（1）User表

User表用來存放管理員的用戶名和密碼。含字段ID（管理員號，主鍵），User（管理員名），Password（管理員密碼），Role（權限級別）

（2）Student表

Student表用來存放學生信息。含字段StuNo（學號，主鍵），stuName（學生姓名），Password（密碼）。

（3）TeClass表

TeClass表用來存放教學班信息。含字段ClassNo（教學班編號，主鍵），teacherNo（教師編號），note（備注）。

（4）SeClass表

SeClass表用來存放學生選課信息。含字段RecNo（序號，主鍵），StuNo（學號），ClassNo（教學班編號）。

（5）Teacher表

Teacher表用來存放授課教師信息。含字段TeacherNo（教師號，主鍵），Name（教師姓名），Department（所在院系）。

（6）Course表

Course表用來存放課程信息。含字段CourseNo（課程號，主鍵），CourseName（課程名）。

（7）Question表

Question表用來存放問題信息。含字段TitleNo（題目編號，主鍵），Title（問題的題干），Number（選項個數），Level（難易程度），CourseNo（課程編號）。

（8）Options表

Options表用來存放各問題對應的選項及正確答案。含字段RecNo（序號，唯一性索引），TitleNo（題目編號 主鍵），OptItem（選項，主鍵），OptAnswer（正確與否）。

按此方式設計，選項個數自由，既可以單項選擇也可以多項選擇。

（9）Answer表

Answer表用來存放學生投票提交的答案信息。含字段RecNo（序號，唯一性索引），StuNo（學生編號，主鍵），TitleNo（學生投票的題目編號，主鍵），StuAnswer（學生所投選項，主鍵），ClassNo（教學班編號），Result（回答正確與否）。其中StuNo、TitleNo和ClassNo都屬于外鍵，將它們設置為級聯更新與級聯刪除，方便數據的更新和刪除操作。

關于學生、教師和課程的部分數據可以通過導入方式實現和校內數據庫系統一致。

3 PowerPoint呈現

將學生投票情況直接與幻燈片實現無縫銜接，是本系統與其它投票系統最大的差異之一，也是關鍵技術之一，可采用下列模式實現。

3.1 基本方法

創建一個利用WiFi技術的 PowerPoint 插件，該插件允許授課教師容易地添加問題幻燈片和學生投票結果幻燈片到一個已存在的PowerPoint幻燈片文件中。通過該系統，學生利用可上網設備（如電腦、智能手機等）提交反饋信息或答案。

系統在這一部分含兩個最基本的功能：（1）接收學生的輸入；（2）在相應演示文檔中顯示結果。完成這兩個功能可以通過創建一個能處理學生反饋信息的服務器組件和一個能允許插入和顯示交互數據的PowerPoint模塊。服務器組件扮演兩個角色，Web服務器和數據庫。服務器組件顯示一個Web頁面來回應任何一個可上網設備的訪問。每個智能設備被賦予一個唯一標識；當學生選擇一個選項，選項和學生標識將存儲到數據庫中。在演示過程中，服務器組件將學生提交的答案數據形成一張統計圖并顯示在教師選擇的幻燈片中。

在幻燈片中嵌入并顯示學生的回饋信息這項功能可通過使用VBA（Visual Basic for Applications）增加和擴展微軟應用程序功能。VBA允許創建插件來定制PowerPoint的功能、菜單和工具欄。添加交互功能到PowerPoint幻燈片中可通過下面步驟完成。

（1）教師創建一個新幻燈片或移到一個已存在的幻燈片，該幻燈片包含要向學生提出的問題。

（2）教師從插入菜單選擇“插入統計圖”。出現一個逐步幫助教師插入一個統計圖來顯示回答問題的結果的向導。

（3）教師跟隨向導中的指令逐步定制具體內容及要顯示的統計圖。

完成操作后，在問題幻燈片的右下角出現一個計數器占位符，然后添加一張用來顯示統計圖的新幻燈片。在編輯過程中，顯示數據的位置以占位符形式出現，無具體數據顯示。

3.2 運行服務器

服務器組件充當嵌入式專用Web服務器，并對其進行初步檢查，以驗證其與其它設備的通信能力。通信正常，則服務器圖標變成綠色，否則顯示成紅色，以示準備收集和傳遞數據到PowerPoint演示文稿。一旦服務器被激活，進入了服務器地址的智能終端上的App所顯示的頁面上將顯示輸入界面。只有在演示過程中，當某一展示問題的幻燈片被顯示時，學生所回答的問題才被記錄。服務器圖標顯示為綠色時，交互式演示文稿才可以啟動。

3.3 幻燈片演示

一旦服務器組件運行，PowerPoint演示文稿可以按正常方式演示。當顯示到呈現問題的幻燈片時教師可以發布問題并要求學生輸入他們的回答（如圖4所示）。計數器實時顯示回答問題的學生人數，人數符合要求時，教師顯示下一頁幻燈片，該幻燈片以圖形方式顯示學生的回答情況（如圖5所示）。endprint

學生回答問題的數據可以存進數據庫以供分析。服務器組件還可以在演示結束后將問題及學生投票提交的答案生成一個Excel電子表格，并將文件保存到指定文件夾中。

4 結語

基于智能移動終端的無線投票教學系統將客戶端與電腦通過局域網或Internet連接。移動端為客戶端，電腦端為服務器端，在手機或IPad等智能移動終端連接上服務器后，服務器端播放的幻燈片呈現問題選項時，學生可以直接在上網設備上通過投票方式提交答案，所提交答案的統計數據以統計圖方式顯示在下一頁幻燈片，教師可以第一時間了解學生對該知識的掌握情況并及時調整教學計劃。所呈現的問題及學生提交的答案信息同步保存在數據庫中，以便管理員或教師作進一步的數據分析，學生也可以在課后通過復習問題而進一步掌握知識。利用此方案所設計的系統，能在一定程度上提高學生的學習質量。

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