“互联网+”背景下网络化教学系统的设计与实现

蒋云 倪静 袁胜超

“互联网+”背景下网络化教学系统的设计与实现

蒋云 倪静 袁胜超

“互联网+”是当今教育信息化的主旋律，信息技术已渗透到教育的方方面面，传统教育受地域和时间的限制，正逐步被混合式学习所取代。在“互联网+教育”背景下，网络化教学系统将信息技术与教育融合，集班级管理、课程管理、考核管理、成绩管理和教学质量管理功能于一体。运用大数据开展教学数据的采集和分析工作，探寻学生的个性化学习特征，既提高学生自主学习的能力，又促进教师教学方法的改善，打造教与学的新模式。

互联网+；教育信息化；大数据；自动组卷；遗传算法

随着“互联网+”行动计划的深入开展，越来越多的传统产业运用现代化信息技术加速产业转型与升级，呈现全新的发展态势。[1]在“互联网+教育”背景下，涌现出大批新型教学模式，如微课、慕课、手机课堂、翻转课堂等，给传统教育事业带来严重冲击与挑战。

传统教育采用线下教学及手工记录的方式，教学信息的共享性和准确性，学生学习的自主性和创造性，师生之间沟通的及时性和有效性都较低。一方面，传统课堂教学形成以教师为主体、书本为中心的教学模式，学生在整个教学过程中被动接受知识，学习的主动性被忽视。另一方面，传统课堂受时间和空间的限制，无法满足教学的个性化需求。传统教育事业亟待改革。

为推进信息技术与教育实践的深度融合，本文提出网络化教学系统，打造未来课堂实现智慧互联，将班级管理、课程管理、考核管理、成绩管理和教学质量管理集于一体，在充分发挥教师主导作用的同时又突出学生的主体地位，打造以“自主、探究、合作”为特征的新型教学方式。期望提高教学的质量和水平，实现优质教育资源共享，促进教育信息化和教育公平。

一、系统需求分析

网络化教学系统以教学计划为基础，面向具体的课程安排，为教务处、教师和学生提供了一个在线学习交流的平台，使得传统教学突破时间和地域限制。该系统的一大特色是教学信息的采集和分析工作。在传统的教学过程中，教师只能根据学生的课堂表现来对其学习态度进行主观评价，无法跟踪学生的课后学习情况，且无法准确把握学生对各个知识点的把握情况。因此网络化教学系统提供专业的数据支持，打破传统依赖教育经验的方式，提高教学方法和教学模式的合理性和科学性。系统具体需求分析如下：

（1）管理员。管理员是网络化教学系统的维护人员，负责用户账号和权限管理以及新闻的发布。

（2）教务处。教务处是教学活动的管理者，负责维护课程和开设教学班。维护课程包括添加新的课程信息、修改已有课程信息和删除无效课程。教学班管理指在现有课程的基础上，开设教学班，教学班与课程一一对应，同时为每个教学班分配一名任课教师。教学班开设后，学生通过选课加入课程。

（3）教师。教师是教学活动的主导者，负责制定教学计划和课程内容。当教务处给教师分配教学班后，教师需要添加教学班对应课程的内容，包括课程的章节、内容和知识点，上传课程的相关学习视频和辅助文件资料。教师还需要根据课程知识点建立题库，安排学生在线考试，管理学生成绩。课程结束后，依据学生的在线学习行为，分析其参与课程教学的程度；根据学生的答卷情况，通过统计试卷知识点的覆盖率以及答卷的正确率分析学生对课程知识点的掌握情况，以便总结课程教学的质量并做出相应的改进。

（4）学生。学生是教学活动的主体，可在线浏览教师上传的课程内容和课程资料进行自主学习，还可以与教师线上交流问题，提高问题的解决效率。课程结束时参加在线考试。面向学生个体，系统具备统计学习时间、分析知识点掌握情况等功能，准确指出学生在课程学习中的优势和薄弱环节，为其进一步学习指明方向。

二、系统功能模块设计

网络化教学系统主要面向教务处、教师和学生三类角色，系统的功能模块图如图1所示，主要包括基本信息管理、开课管理、考核管理、教学质量管理四大模块。

图1 系统功能模块图

（1）基本信息管理。基本信息管理模块包括教务处、教师和学生三类用户的基本信息管理以及角色的分配，依据各角色的功能划分其系统功能的使用权限，还包括对课程信息的管理与维护，只有课程信息中存在该课程，教务处才能进行后期的开课操作。

（2）开课管理。开课管理模块包括教学班管理、科目内容管理和课程资源管理。教学班管理是指教务处根据系统已有课程进行开课操作，即组建教学班，为每个教学班分配任课教师，学生加入课程。科目内容管理是课程任课教师创建课程章节的内容及知识点。课程资源管理指教师上传知识点的讲解视频和辅助学习资料。学生登录系统在线学习，遇到问题通过系统与教师线上交流等。

（3）考核管理。考核管理包括试题管理、考卷管理、考核管理和成绩管理。试题管理指由教师依据课程知识点建立课程的试题库。考卷管理指由教师输入出卷策略，包括试卷总分、考试时间、知识点分布、题型安排等，使用遗传算法进行系统自动组卷。考核管理指学生根据教师安排的考试时间登录系统，完成在线考试，系统自动评卷，生成考试分数。成绩管理指教师统计学生成绩。

（4）教学质量管理。教学质量管理是网络化教学的一个重要环节，系统记录学生的在线学习情况，统计每位学生学习课程每个章节的时间，结合其考核情况，分析学生的学习效率，并发现学生在学习过程中的重点与难点。分析试卷中知识点的正确率，以便教师了解学生对知识点的掌握程度，在以后的教学过程中做出改进，以提高教学质量。

三、组卷算法的分析与设计

网络化教学系统功能涵盖班级创建、课程内容管理、在线学习及考试等，其核心模块之一是智能化自动组卷，即用户根据自身出题策略，运用组卷算法从海量试题库中抽取试题生成试卷。[2]组卷的速度和试卷的质量主要取决于组卷算法的性能。[3]组卷算法主要有以下几种。随机算法简单易操作，但是试题重复率较高，且无法满足用户多变的出题策略。回溯算法虽对随机算法做了改善，但是当试卷总题量较大时，对内存占用量大，程序结构复杂。[4-5]然而当题库规模较大和组卷指标复杂时，这些算法在组卷质量和组卷速度方面都差强人意。针对以上问题，网络教学系统使用一种基于遗传算法的智能高效组卷算法。[6]使用遗传算法用于解决自动组卷问题[7-9]已相对成熟，且实验结果表明，该算法生成的试卷能较大程度满足用户的需求。

1.组卷的数学模型

自动组卷问题实质上是一个多目标优化问题，其基本原理是将用户的要求量化为试卷模型，并对模型进行求解。数学模型的建立包括定义约束条件和确定目标函数。

（1）约束条件。依据用户提出的多方面出题策略建立试题指标，主要包括试卷总分数、考试时间、试题难度、涉及知识点、试题类型等。设m为试卷所含的试题的个数，n为试题的属性个数，试卷结构可以表示为一个m×n的矩阵T。矩阵T的每一行由某一试题的n个属性决定，即

目标矩阵中的参数要符合如下约束条件：

①试卷分数：试卷总分Sum，一般设为100；

②考试时间：试卷总考试时间，一般为2小时；

其中fi表示第i个指标与用户要求的误差的绝对值（为避免各个误差相互抵消，指标与用户要求的误差都取绝对值），wi表示第i个指标的权值。因此组卷问题就是约束条件下的寻求F值最小的优化问题。

2.组卷的遗传算法设计

（1）编码策略。采用二进制编码策略。题库中共有m道题都出现在二进制串中，即T1,T2,…,Tm，若Tk=1，则第k题被选中；若Tk=0，则第k题没有被选中。

（2）初始化群体。通过随机函数ran⁃dom(m)随机生成规模为n的初始化群体。

（5）交叉算子。在群体中随机选择两个串进行两两配对，对每对串产生一个[0, 1]的随机数r，如果满足r＜Pc＜1-Pm,那么将这两个串进行交换，否则不进行交换，Pc为交换概率，Pm为变异概率。

（6）变异算子。依据变异概率Pm随机确定将段内某位取反，然后在该位所在分段内，随机确定向后或向前方向寻找一位，并将其取反，用来消除非法基因满足约束条件。

（7）判断算法终止。设t为进化的代数，t=t+1。按照步骤(3)的方法计算当前群的个体适应度。当t达到最大代数Max，或者满足优化要求时算法终止，否则转步骤(4)继续执行。

四、数据库设计

网络化教学系统的实体包括教师、学生、教学班级等，其实体关系图如图2所示。

图2 系统实体关系图

根据图2中的实体以及实体之间的关系创建表单并建立表单之间的联系。网络化教学系统数据库逻辑结构包括17张数据表，下面列出比较具有代表性的有关试卷信息3张表（表1-表3）。

表1 试题题库表

表2 试卷基本信息表

表3 试卷试题信息表

五、系统实施

网络化教学系统采用B/S结构，系统集成采用SSH（Struts+Spring+Hibernate）框架，分层构建web应用程序。[10]系统功能包括班级创建、课程内容管理、在线学习及考试等，下面选取自动组卷模块作详细介绍。

（1）试题管理。试题由教学班级的任课教师管理，如图3所示，试题与课程的章节知识点一一对应，试题的类型包括单选、多选、判断、填空和简答5种。

图3 试题管理界面

（2）组卷管理。组卷首先由教师安排考试时间和确定试卷总分，如图4，同时设计出卷规则，即设置试卷结构，试卷结构包括各题型的数量和分值。

图4 试卷设计界面

（3）试题策略管理。试卷结构设置完成后，需添加分配实体的策略，如图5所示，任课教师确定试卷考察的知识点以及考察的难易程度，系统根据设置的规则自动组卷。组卷完成后教师可在线预览，如图6所示。

图5 试题策略管理界面

图6 试卷预览界面

六、总结与展望

在“互联网+教育”的背景下，网络化教学系统打破传统线下教学的模式，用管理信息系统的思想来管理教学事务。系统采用结构化的开发方法，且经过专业的系统测试，测试结果表明系统稳定性良好，较大程度满足用户需求。

网络化教学系统将传统的线下课堂整合到线上，一方面高度整合优秀的教育资源，促进教育公平，另一方面能极大程度满足学生的个性化需求。对于学习中的重点难点可以进行反复学习，遇到问题可线上咨询任课教师，教师能给予及时的反馈，提高教学的效率和质量。促进学生学习的自主性和师生之间的互动性。在系统的后期改进中，将继续完善系统操作便利、资源丰富、实时互动、教学灵活等特征，重视大数据应用和思维可视化，更好地服务教育、服务教师、服务学生，推动教育信息化的全面发展。

[1]李克强．政府工作报告[N]．人民日报，2015-03-15(001)．

[2]张琨,杨会菊,宋继红,等.基于遗传算法的自动组卷系统的设计与实现[J].计算机工程与科学,2012,34(5):178-183.

[3]魏乎,于海光,熊伟清.基于进化稳定策略的单亲遗传算法求解组卷问题[J]．微电子学与计算机,2005,22(1):105-109.

[4]杨永斌.网络智能试题库系统建设研究[J].计算机科学,2007,34(12):296-298.

[5]唐朝舜,董玉德,熊蓉.在线随机组卷算法研究及实现[J].合肥工业大学学报:自然科学版，2006,29(3):296-299.

[6]GEN MITSUO,CHENG RUNWEI.遗传算法与工程优化[M].于歆杰,周根贵,译.北京:清华大学出版社,2004:83-86.

[7]马德良,陆昌辉,王小乐.基于改进遗传算法的智能组卷方法[J].计算机应用,2009,29(7): 1884-1886.

[8]吴美娟,黄烟波,刘中宇.基于改进遗传算法的智能组卷系统研究[J].计算机应用与软件，2007,24(12):191-193.

[9]陈国彬,张广泉.基于改进遗传算法的快速自动组卷算法研究[J].计算机应用研究, 2015,32(10):2996-2998.

[10]刘中兵.开发者突击:J2EE+Struts+Hiber⁃nate+Spring.Java Web主流框架整合开发[M].北京:电子工业出版社,2008.

（作者单位：上海理工大学管理学院）

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

上海市自然科学基金（编号：14ZR1427800）]