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(shí)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(jí)管理、課程管理、考核管理、成績(jī)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(kāi)展教學(xué)數(shù)據(jù)的采集和分析工作，探尋學(xué)生的個(gè)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(dòng)組卷；遺傳算法

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃的深入開(kāi)展，越來(lái)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(jí)，呈現(xiàn)全新的發(fā)展態(tài)勢(shì)。[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(lái)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(shí)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(shū)本為中心的教學(xué)模式，學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中被動(dòng)接受知識(shí)，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性被忽視。另一方面，傳統(tǒng)課堂受時(shí)間和空間的限制，無(wú)法滿足教學(xué)的個(gè)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(lái)課堂實(shí)現(xiàn)智慧互聯(lián)，將班級(jí)管理、課程管理、考核管理、成績(jī)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(shí)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(gè)在線學(xué)習(xí)交流的平臺(tái)，使得傳統(tǒng)教學(xué)突破時(shí)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(guò)程中，教師只能根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)來(lái)對(duì)其學(xué)習(xí)態(tài)度進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，無(wú)法跟蹤學(xué)生的課后學(xué)習(xí)情況，且無(wú)法準(zhǔn)確把握學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)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(hào)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(dòng)的管理者，負(fù)責(zé)維護(hù)課程和開(kāi)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(wú)效課程。教學(xué)班管理指在現(xiàn)有課程的基礎(chǔ)上，開(kāi)設(shè)教學(xué)班，教學(xué)班與課程一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)為每個(gè)教學(xué)班分配一名任課教師。教學(xué)班開(kāi)設(shè)后，學(xué)生通過(guò)選課加入課程。

（3）教師。教師是教學(xué)活動(dòng)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(duì)應(yīng)課程的內(nèi)容，包括課程的章節(jié)、內(nèi)容和知識(shí)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(shí)點(diǎn)建立題庫(kù)，安排學(xué)生在線考試，管理學(xué)生成績(jī)。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(guò)統(tǒng)計(jì)試卷知識(shí)點(diǎn)的覆蓋率以及答卷的正確率分析學(xué)生對(duì)課程知識(shí)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(dòng)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(wèn)題，提高問(wèn)題的解決效率。課程結(jié)束時(shí)參加在線考試。面向?qū)W生個(gè)體，系統(tǒng)具備統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)時(shí)間、分析知識(shí)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(shì)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(kāi)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(duì)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(kāi)課操作。

（2）開(kāi)課管理。開(kāi)課管理模塊包括教學(xué)班管理、科目?jī)?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(kāi)課操作，即組建教學(xué)班，為每個(gè)教學(xué)班分配任課教師，學(xué)生加入課程。科目?jī)?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(shí)點(diǎn)。課程資源管理指教師上傳知識(shí)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(wèn)題通過(guò)系統(tǒng)與教師線上交流等。

（3）考核管理?？己斯芾戆ㄔ囶}管理、考卷管理、考核管理和成績(jī)管理。試題管理指由教師依據(jù)課程知識(shí)點(diǎn)建立課程的試題庫(kù)?？季砉芾碇赣山處熭斎氤鼍聿呗裕ㄔ嚲砜偡?、考試時(shí)間、知識(shí)點(diǎn)分布、題型安排等，使用遺傳算法進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)組卷?？己斯芾碇笇W(xué)生根據(jù)教師安排的考試時(shí)間登錄系統(tǒng)，完成在線考試，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)卷，生成考試分?jǐn)?shù)。成績(jī)管理指教師統(tǒng)計(jì)學(xué)生成績(jī)。

（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(gè)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(gè)章節(jié)的時(shí)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(guò)程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。分析試卷中知識(shí)點(diǎn)的正確率，以便教師了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，在以后的教學(xué)過(guò)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(jí)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(dòng)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(kù)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(jiǎn)單易操作，但是試題重復(fù)率較高，且無(wú)法滿足用戶多變的出題策略?；厮菟惴m對(duì)隨機(jī)算法做了改善，但是當(dāng)試卷總題量較大時(shí)，對(duì)內(nèi)存占用量大，程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜。[4-5]然而當(dāng)題庫(kù)規(guī)模較大和組卷指標(biāo)復(fù)雜時(shí)，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(duì)以上問(wèn)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(dòng)組卷問(wèn)題[7-9]已相對(duì)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(dòng)組卷問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，其基本原理是將用戶的要求量化為試卷模型，并對(duì)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(shí)間、試題難度、涉及知識(shí)點(diǎn)、試題類型等。設(shè)m為試卷所含的試題的個(gè)數(shù)，n為試題的屬性個(gè)數(shù)，試卷結(jié)構(gòu)可以表示為一個(gè)m×n的矩陣T。矩陣T的每一行由某一試題的n個(gè)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(shí)間：試卷總考試時(shí)間，一般為2小時(shí)；

其中fi表示第i個(gè)指標(biāo)與用戶要求的誤差的絕對(duì)值（為避免各個(gè)誤差相互抵消，指標(biāo)與用戶要求的誤差都取絕對(duì)值），wi表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)值。因此組卷問(wèn)題就是約束條件下的尋求F值最小的優(yōu)化問(wèn)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(kù)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(méi)有被選中。

（2）初始化群體。通過(guò)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(gè)串進(jìn)行兩兩配對(duì)，對(duì)每對(duì)串產(chǎn)生一個(gè)[0, 1]的隨機(jī)數(shù)r，如果滿足r＜Pc＜1-Pm,那么將這兩個(gè)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?，并將其取反，用?lái)消除非法基因滿足約束條件。

（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(gè)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(shí)算法終止，否則轉(zhuǎn)步驟(4)繼續(xù)執(zhí)行。

四、數(shù)據(jù)庫(kù)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(jí)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(kù)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(kù)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(jí)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(dòng)組卷模塊作詳細(xì)介紹。

（1）試題管理。試題由教學(xué)班級(jí)的任課教師管理，如圖3所示，試題與課程的章節(jié)知識(shí)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，試題的類型包括單選、多選、判斷、填空和簡(jiǎn)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(shí)間和確定試卷總分，如圖4，同時(shí)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(shí)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(dòng)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(lái)管理教學(xué)事務(wù)。系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化的開(kāi)發(fā)方法，且經(jīng)過(guò)專業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)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(gè)性化需求。對(duì)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(wèn)題可線上咨詢?nèi)握n教師，教師能給予及時(shí)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(dòng)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(shí)互動(dòng)、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(dòng)教育信息化的全面發(fā)展。

[1]李克強(qiáng)．政府工作報(bào)告[N]．人民日?qǐng)?bào)，2015-03-15(001)．

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（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(hào)：14ZR1427800）]