楊瑞龍 朱慶生 張 敏 古 平 李 佳

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集成課堂互動教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

楊瑞龍 朱慶生 張 敏 古 平 李 佳

（重慶大學(xué)計算機學(xué)院，重慶400044）

基于無線網(wǎng)絡(luò)，利用手機、平板電腦、計算機等設(shè)備構(gòu)建了課堂互動教學(xué)系統(tǒng)，實時記錄和跟蹤課堂教學(xué)情況，改進課堂互動手段，提高課堂教學(xué)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(yīng)答、授課實時反饋、統(tǒng)計分析、課堂教學(xué)展示等功能；構(gòu)建多維課堂教學(xué)評價指標實現(xiàn)教學(xué)效果評價。

課堂互動教學(xué)；教學(xué)系統(tǒng)；課堂點名；課堂應(yīng)答；教學(xué)評價

引言

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

針對課堂教學(xué)中存在的問題，一些研究者設(shè)計出了一些課堂點名系統(tǒng)[1]和應(yīng)答系統(tǒng)[2-4]。本文作者[5]利用能夠收發(fā)短信的Android平板電腦設(shè)計了一個課堂互動系統(tǒng)，集成了課堂點名和應(yīng)答功能。通過實踐發(fā)現(xiàn)，僅使用短信技術(shù)實現(xiàn)課堂點名與應(yīng)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(xù)深入研究，設(shè)計了一套集成課堂互動教學(xué)系統(tǒng)。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(yīng)答、授課實時反饋、課堂教學(xué)展示、綜合統(tǒng)計分析、教學(xué)評價等功能模塊為一體；從出勤率、課堂應(yīng)答效果、授課實時反饋等多個維度評價課堂教學(xué)效果。

一 業(yè)務(wù)分析與功能設(shè)計

1 業(yè)務(wù)分析

集成課堂互動教學(xué)系統(tǒng)主要設(shè)計目標是優(yōu)化課堂互動教學(xué)手段，實現(xiàn)課堂互動教學(xué)過程記錄、課堂教學(xué)評價，提高學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)積極性，最終提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

對課堂互動教學(xué)系統(tǒng)的需求進行分析，主要包含：

（1）能夠適應(yīng)不同的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供短信、微信、手機瀏覽器等訪問方式。

（2）能夠?qū)崟r準確的收集學(xué)生出勤數(shù)據(jù)，實現(xiàn)快速、準確的出勤考核。

（3）提供課堂應(yīng)答功能，準確收集學(xué)生對教師提問的反饋信息。

（4）進行課堂教學(xué)評價，便于教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，革新教學(xué)方法。

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

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

（1）課堂點名子系統(tǒng)

實現(xiàn)學(xué)生的點名簽到管理。點名時，首先由教師把系統(tǒng)設(shè)置為課堂點名模式。根據(jù)當前時間生成一個兩位隨機數(shù)展示給學(xué)生，學(xué)生把兩位隨機數(shù)和自己的手機號（或者學(xué)號）進行簡單的加法運算，產(chǎn)生的結(jié)果作為令牌發(fā)送到系統(tǒng)。系統(tǒng)通過三碼驗證確定學(xué)生是否簽到成功，即發(fā)送短信的手機號、令牌、系統(tǒng)中登記的學(xué)生手機號。如果學(xué)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(tǒng)，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(shè)置課堂點名時限，一般為2~3分鐘，學(xué)生必須在規(guī)定時間內(nèi)提交信息；否則，視為遲到或者缺勤。

從數(shù)據(jù)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(xué)生使用手機瀏覽器、微信等方式，速度快、又節(jié)省費用；少部分學(xué)生使用短信。

（2）課堂應(yīng)答子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要實現(xiàn)師生課堂即興問答互動、課堂在線測試，準確收集學(xué)生對教師提問的反饋信息等功能。在應(yīng)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(xué)生把答案發(fā)送給系統(tǒng)，系統(tǒng)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(xué)生的回答進行分類匯總。

模式4：學(xué)生提問模式。此模式下，學(xué)生可以把問題發(fā)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(xué)展示”子系統(tǒng)把師生交互結(jié)果顯示在大屏幕上。教師可以對學(xué)生進行分組，問題模式以分組方式工作，學(xué)生以組為單位回答問題。

（3）授課實時反饋子系統(tǒng)

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

（4）課堂教學(xué)展示子系統(tǒng)

在平板電腦上實現(xiàn)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(dǎo)過程，這些過程記錄可以作為圖像保存下來，傳輸?shù)浇淌襊C并投影到大屏幕。教師可以在平板上播放PPT，傳輸?shù)浇淌襊C；也可以遠程控制教室PC上的PPT播放。

（5）綜合統(tǒng)計分析子系統(tǒng)

主要對前面四個子系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)和測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析，為教學(xué)評價提供多個維度的指標；深入掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，做到個性化教學(xué)。①統(tǒng)計出勤率，掌握每個學(xué)生的到課情況。②統(tǒng)計學(xué)生的應(yīng)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(tǒng)計分析。

（6）教學(xué)評價子系統(tǒng)

利用統(tǒng)計分析結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)合課堂教學(xué)評價體系和指標，一方面對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進行評價；另一方面對教師的教學(xué)效果進行評價。效果劃分為1~10個等級。

（7）系統(tǒng)管理子系統(tǒng)

提供系統(tǒng)正常運行需要的數(shù)據(jù)維護和輔助功能。如課程管理、教學(xué)班管理、試題管理、學(xué)生基本信息維護等。

二 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1 物理架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的物理架構(gòu)如圖1所示，有兩部分組成。一部分是學(xué)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(wù)器、教室PC和教室投影儀等。

圖1 系統(tǒng)物理架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)與模塊

2 軟件架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)通過三個獨立執(zhí)行、相互協(xié)作的子軟件完成所有功能：WebInteract、PadInteract和ReceiverServer。WebInteract 軟件運行在Web服務(wù)器上，為使用微信、手機瀏覽器訪問系統(tǒng)的師生提供服務(wù)。PadInteract運行在平板電腦上為使用短信的學(xué)生提供服務(wù)。ReceiverServer運行在教室PC上，接受PadInteract發(fā)送來的圖像數(shù)據(jù)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(gòu)與模塊如圖2所示。

WebInteract子軟件的結(jié)構(gòu)劃分為：接口層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)訪問層。接口層包括兩個模塊：微信收發(fā)模塊負責(zé)把收到的微信傳遞給業(yè)務(wù)調(diào)度模塊；Web接口模塊提供師生訪問系統(tǒng)所需的Web頁面，把提交的數(shù)據(jù)傳遞給業(yè)務(wù)調(diào)度模塊。業(yè)務(wù)層包括業(yè)務(wù)調(diào)度模塊和具體的業(yè)務(wù)功能模塊。業(yè)務(wù)調(diào)度模塊負責(zé)根據(jù)當前工作模式，調(diào)度執(zhí)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)模塊。數(shù)據(jù)訪問層為各業(yè)務(wù)模塊提供讀寫數(shù)據(jù)庫的功能。

PadInteract子軟件的結(jié)構(gòu)、模塊與WebInteract類似。課堂教學(xué)展示模塊的一個進程在后臺執(zhí)行，負責(zé)把平板電腦的當前屏幕發(fā)送到ReceiverServer軟件；另一個進程前臺執(zhí)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(wù)進程運行在教室PC上。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負責(zé)接收指令和圖像數(shù)據(jù)；顯示控制模塊執(zhí)行指令、把接受到的圖像顯示在屏幕上。

3 系統(tǒng)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(yīng)場所比較廣泛，適合小班教學(xué)、野外教學(xué)使用。

WebInteract獨立工作時，師生可以使用手機瀏覽器訪問本系統(tǒng)的所有業(yè)務(wù)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(xué)。

（2）協(xié)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(fā)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(yōu)點，支持的并發(fā)用戶數(shù)高、時延短，能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

三 軟件實現(xiàn)

WebInteract使用Java SE 7為運行平臺，按照圖2所示三層架構(gòu)進行實現(xiàn)。接口層使用JSP、Servlet、HTML5和AJAX等技術(shù)。微信收發(fā)模塊連接微信公眾賬號和本系統(tǒng)。業(yè)務(wù)調(diào)度模塊使用Facade設(shè)計模式[6]把所有具體業(yè)務(wù)模塊封裝成統(tǒng)一的接口，為接口層的Servlet服務(wù)。數(shù)據(jù)訪問層使用DAO設(shè)計模式封裝了所有對數(shù)據(jù)庫的訪問操作，供業(yè)務(wù)層調(diào)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(fā)模塊直接使用Android SDK提供的API實現(xiàn)。協(xié)同工作時，把短信數(shù)據(jù)封裝成JSON格式，傳輸?shù)絎ebInteract軟件。

教學(xué)展示模塊在后臺完成屏幕截圖，截圖前先獲取Root權(quán)限，然后從Android平臺底層Linux內(nèi)核的FrameBuffer讀取數(shù)據(jù)，將FrameBuffer的內(nèi)容寫入到內(nèi)存圖片文件中。

ReceiverServer軟件作為一個系統(tǒng)托盤程序執(zhí)行，其絕大部分代碼使用Java技術(shù)開發(fā)，少部分發(fā)送鍵盤、鼠標消息的代碼調(diào)用User32.dll中封裝的Windows API完成。

四 課堂應(yīng)用與教學(xué)評價

本文設(shè)計的系統(tǒng)首先在“Java程序設(shè)計”課堂中進行了應(yīng)用，約90人組成一個教學(xué)班。使用本系統(tǒng)后，學(xué)生對參與課堂互動表現(xiàn)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(yīng)答流程示例

課堂應(yīng)答業(yè)務(wù)流程包含學(xué)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(shè)置時間限制后，如果時限內(nèi)未主動提交，則由系統(tǒng)自動提交。對于符合問題模式1和2的微試卷，系統(tǒng)可以自動改卷。

統(tǒng)計分析環(huán)節(jié)從四個維度進行：

（1）試卷統(tǒng)計，統(tǒng)計每次應(yīng)答參與人數(shù)、及格率、分數(shù)段分布。

（2）試題統(tǒng)計，統(tǒng)計每個試題的正確與錯誤人數(shù)，計算試題難度，常見錯誤答案。

（3）學(xué)生統(tǒng)計，按照時間順序統(tǒng)計每次應(yīng)答的參與度、分數(shù)、知識點的掌握情況。

（4）知識點分析，根據(jù)每次應(yīng)答結(jié)果，從全體學(xué)生角度，分析每個知識點的掌握情況。

圖3 課堂應(yīng)答業(yè)務(wù)執(zhí)行流程

2 教學(xué)評價

本系統(tǒng)以教學(xué)過程產(chǎn)生的具體數(shù)據(jù)為依據(jù)，對教師的授課效果、學(xué)生的聽課效果進行及時評價，流程如圖4所示。統(tǒng)計分析模塊在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生評價指標；教學(xué)評價模塊對評價指標進行分類，為每個指標賦予一定的權(quán)重，綜合計算后產(chǎn)生評價結(jié)果。評價結(jié)果取值范圍為1~10；10為最好，1為最差。

圖4 課堂教學(xué)評價流程

評價指標包含：學(xué)生出勤率、課堂應(yīng)答參與度、分數(shù)等級、試題總分等級、學(xué)生按知識點分類分數(shù)、疑難反饋效果等。評價結(jié)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(jié)

本文設(shè)計了一套集成課堂互動教學(xué)系統(tǒng)綜合解決當前課堂互動教學(xué)中存在的問題。本系統(tǒng)集成了點名簽到、課堂應(yīng)答、授課實時反饋、教學(xué)展示等業(yè)務(wù)功能，提供了豐富的互動教學(xué)手段；并且能夠利用本系統(tǒng)記錄的互動教學(xué)過程數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，形成課堂教學(xué)評價指標，實現(xiàn)課堂授課效果、學(xué)習(xí)效果雙評價。有利于教師改善教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)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(yè)務(wù)模式，能夠適應(yīng)不同的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

實際課堂應(yīng)用驗證了本系統(tǒng)改進課堂互動教學(xué)效果的有效性和實用性，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；在廣大學(xué)生的積極參與下，本系統(tǒng)在進行持續(xù)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(tǒng)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2013,(10):115-120.

[2]卓晴,李海霞,趙昊熠.基于手機短信的課堂應(yīng)答系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2011,(9):98-102.

[3]李紅美.教學(xué)應(yīng)答系統(tǒng)問題設(shè)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(shù)的智能手機課堂應(yīng)答系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,(14):48-51.

[5]張敏,朱慶生,楊瑞龍等.基于平板電腦的教學(xué)互動系統(tǒng)研究與設(shè)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(shè)計模式的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計教學(xué)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(xué)改革研究重大項目“利用平板電腦構(gòu)建課堂教學(xué)互動系統(tǒng)提高教學(xué)質(zhì)量的研究與實踐”（項目編號：1201013）、重大項目“強化課程教學(xué)過程和評價，全面提升學(xué)生的綜合能力”（項目編號：1201026）和重慶大學(xué)教改項目“基于無線網(wǎng)絡(luò)的課堂應(yīng)答系統(tǒng)”（項目編號：2014Y24）的研究成果。

楊瑞龍、重慶大學(xué)計算機學(xué)院、講師、博士、研究方向為數(shù)據(jù)挖掘、生物計算模型，郵箱為yangrl@cqu.edu.cn。

2014年10月8日。