大学物理课程智能化在线作业系统的研究与实践

胡玉才?汪静?周丹

摘 要：翻转课堂、MOOC、微课等新的教学模式给高等教育带来了一场全球化的历史性变革。在此背景下，数学、物理、力学等大学基础课程的在线作业问题，特别是计算题、证明题等主观题型的在线自动化批阅问题成为一个世界性难题。本文介绍了大连海洋大学研制成功可用于网络教学的大学物理课程智能化在线作业系统的经验及使用情况。

关键词：大学物理课程；智能化；在线作业

现代信息技术革命推动人类加速进入以数字化、网络化、智能化为特征的信息化社会。“十三五”时期，中国将大力实施“互联网+”行动计划，加强教育信息基础设施建设、强化信息技术的应用、推动信息技术与高等教育深度融合，吹響了“互联网+教育”的集结号。具有低成本、高效率、易普及、开放包容、易于利用学生碎片化时间学习等优势的翻转课堂、MOOC、微课等新的教学模式给高等教育带来了一场全球化的历史性变革，教与学可以不受时间、空间和地点的限制，知识获取的方式发生了根本性变化。在此背景下，无论是网络教学还是校本常态化教学，数学、物理、力学等大学基础课程的在线作业问题，特别是计算题、证明题等主观题型的在线自动化批阅问题成为一个世界性难题，成为网络在线教学的瓶颈。

近年来，我们针对如何实现智能化在线作业等相关问题进行了一系列调查与研究，在前期相关工作的基础上[1-7]，完成了可用于网络教学的大学物理课程智能化在线作业系统的资源建设，并于2016年3月开始在本校的大学物理课程教学中应用。两年来，该系统功能不断完善、资源逐渐增加，现已满足本校大学物理课程常态化教学需要，在数千名学生在线完成作业的情况下系统运行稳定，批阅结果与人工批阅相当，真正实现了大学物理课程常态化教学全题型的作业自动化批阅。这一系统的成功运行将大大加速相近课程的智能化作业系统建设与应用，也解决了大学物理、高等数学等基础课程采取MOOC等教学新模式的作业瓶颈问题。

一、大学物理课程智能化在线作业系统研究

课后作业是大学物理课程教学不可或缺的重要环节，它不仅可以帮助学生发现自己在掌握基本概念和基本知识上存在的问题，加深对基本原理和应用的理解，而且还能够帮助教师了解学生对知识的掌握情况和检测课堂教学效果。大学物理作业的客观题（选择题、填空题和判断题等）主要检查学生对物理概念、原理、定理、定律理解情况，培养学生运用物理理论做出科学分析判断的能力、表述能力、理解能力和简单的计算能力。大学物理作业的主观题（计算题、证明题、应用题等）着重检查学生综合运用物理知识及数学工具进行科学全面分析及较复杂运算的能力，培养学生严谨的科学思维能力、理论联系实际、解决实际问题的能力。课后作业是过程考核的重要组成部分，通过加大过程考核力度，不仅减轻了学生期末复习压力，也大大提高了平时学习主动性，培养学生自主学习能力，养成终身学习习惯。因此，研究并开发一套可用于网络教学的智能化在线作业系统十分必要。

大学物理课程在线作业系统依托智能型在线教学平台。本系统的基本框架与文献[4]都是利用同一个公司开发的智能型在线教学平台。根据文献[4]我们进行了深入的调查与研究，发现他们只是进行了小范围的改革与实践。由于当时的智能型在线教学平台系统功能不完善、公式编辑器使用不方便、实施网络作业的环境不充分等原因，系统试用情况不能令师生满意，特别是学生反映不好用，所以他们就此搁置了。实际上，该在线教学平台确实解决了主观题型的识别技术问题，但是能否真正实现智能化批阅作业很大程度上取决于系统中的标准作业资源。几年来，我们认真研究了该教学平台的运行过程，分析了其识别技术及方法，认为该平台可以实现大学物理课程在线作业的运行。所以，我们与该平台开发商合作，共同研讨修改并完善系统功能模块，如增加学生自行申请登录窗口、解决物理符号不全、相似字符变更等问题。同时，我们在标准作业资源录入时，研究并采取通识性的方法，增强学生作业答案与标准答案的相近性，降低自动识别的难度，减少自动批阅的差错。另外，我们还基于分步赋分的基本原则，对每一道计算题的标准答案进行分析与研判，精心处理分几步赋分、每一步赋分比例多大、一题多解等具体问题。

大学物理课程智能化在线作业系统由教师系统、学生系统和工具系统三部分组成。教师进入教师系统后，可以选择作业题目、在线发布作业，通过参数设置模块，还可以限定每次作业的完成时间和提交作业的控制分数线，并可随时查看学生完成作业的整体情况或个人每道题的答题情况。通过教师系统，教师还可以统计每道题目的答题情况，以及查询学生对各个知识点的掌握情况，能够及时了解学生对所学课程内容的理解、掌握、运用情况，为改进课程教学策略提供参考，能够促进课堂教学效果的不断提高。学生进入学习系统，可以在线学习、完成作业、提交作业、查询成绩等等。对于选择题，系统能够对所有的答案选项随机排序，即同样的题目，不同学生看到的答案选项排列的顺序是不同的。对于填空题、计算题和证明题，学生通过调用公式编辑器编写答案。学生提交作业后，系统不仅能够给出作业是对或是错的“√”和“×”符号，而且还会同时给出正确答案和错误提示或说明。对于计算题、证明题等主观题，系统会按照依据难易程度、所含知识点的重要性、运算步骤等设置的自动批阅分步评分标准进行评阅和给分。作业提交后，系统即刻进行评阅，学生对作业成绩不满意，可以修改答案并重新提交。工具系统可用于系统资源录入和系统运行管理。

二、大学物理课程智能化在线作业系统资源建设

一是着力建设一个本校好用、外校能用、师生爱用的大学物理课程智能化在线作业系统。传统的大学物理课程作业形式是纸质作业本、套题活页或作业指导书等等。对于教师来说，承担繁重的上课任务同时，还要面对课外批改大量作业的问题。多数情况下教师都是简单地在作业本上打上“√” 和 “× ”的符号，这不仅是重复性和低效率的劳动，而且收发作业的周期也比较长，不能及时反馈学生对所学知识的掌握情况，也不能及时解答学生的疑问。对于学生来说，如果知识掌握不扎实，常常是应付作业甚至是抄袭作业；遇到难做的物理作业，更没有耐心去做好题目，最终还会影响学生对后续内容的学习效果。近年来，我们以寻找先进的技术手段为突破口，着力推进现代信息技术与作业环节的深度融合，希望以网上作业批改与评阅来破解上述难题，目标是建设一个本校好用、外校能用、师生爱用的大学物理课程智能化在线作业系统。

二是建以自用、建以致用。为了建设大学物理课程智能化在线作业系统，我校对物理教师进行了现代信息技术培训，使教师有能力自建教学资源，积极开展课程录像、制作微课视频。学校支持并鼓励教师就作业系统建设的相关问题在校内外立项研究，精选作业题目、构建作业题库。为了实现大学物理的网上作业与传统作业在训练效果方面的无缝对接，我们采用了填空题、选择题、判断题、计算题及解答题等作业题型结构。在题目的选择和设计过程中，充分注意到了大学物理作业题目的训练内容与教学大纲的基本要求紧密结合，力求覆盖面广、难易适中，建以自用、建以致用。在软件开发商的共同努力下，2015年12月智能化在线作业系统取得了突破性进展，进一步完善了系统功能，成功地解决了长久以来困扰网络作业系统只限于对选择题和判断题等客观题的批阅，而对大学物理作业中必须出现的计算题等主观题不能自动批阅的问题。2016年3月，我校大学物理课程智能化在线作业系统初步建成，目前系统中已有“大学物理（理工类）”“大学物理（农科类）”两门课程的作业题目799道，其中两课共用题目344道。另外，我们还围绕81个课程教学重点知识点和33个典型例题制作了微课视频，还将力学、光学等部分课程教学录像也都上传到系统中，便于学生的复习和自修，更好地独立完成课后作业。两年来，系统运行正常、各项功能不断完善。2017年12月在由教育部高等学校物理类教学指导委员会等单位主办的第十三届大学物理课程报告论坛交流汇报后，引发了强烈反响和广泛关注。

三、大学物理课程智能化在线作业系统应用效果

目前，我校大学物理课程智能化在线作业系统建成并已在常态化教学中使用了两年，实现了建以自用和本校好用的目标，积累了一些经验。由于对系统的功能键不习惯、输入方法不熟练，开始时学生对使用网络作业系统不情愿。但一个多月以后，学生们增强了自信心，提高了对系统的认可度。他们认为，只要认真作答，每次作业都可以达到满分。学生还感觉到，网上作业系统能即刻批改作业、实时显示错误、自主纠正错误解答，对所学知识的理解与吸收很有帮助；课堂没听懂的内容，作业前先看视频微课，对于完成作业效果很好。

本系统的应用提高了大学物理课程的教学效果。表1和表2是2016年对我校17个班、454名学生使用大学物理課程智能化在线作业系统情况的统计结果，表明这个作业系统是稳定的、可靠的，大学物理课程常态化教学的网上在线作业是可行的。比较作业成绩与课程成绩可以看出，作业成绩与课程成绩有很强的相关性，这一结论与我们以往采用纸质作业时的情况是一致的。从对全体学生的课程不及格率统计来看，2016年使用智能化在线作业系统后，课程的总体不及格率比上年度下降了约7个百分点。这与使用网络在线作业系统允许学生重复修改作业答案是相关的，不仅可以提高作业成绩，而且还可以通过修改作业答案提高学生对所学知识的理解。

本系统不仅可以远程运行，而且还可以多校共用。为了测试系统的远程运行情况，我们请江西农业大学、黑龙江八一农垦大学、华中农业大学、沈阳农业大学等兄弟院校进行了系统跨校试用，200多名学生远程上网测试也取得了成功，为下一步的校际资源共享奠定了基础。

四、大学物理课程智能化在线作业系统共建共享的建议

大学物理课程智能化在线作业系统在我校常态化教学过程成功应用后，将会很快推广到其他课程中。更重要的是，这个系统也可以在其他高校推广应用。由于该系统还有与开发商和使用者共同研究解决的问题，我们希望与软件开发商共建，进一步完善系统的相关功能；也希望与更多的兄弟院校共建，增加相应的作业题目，适用于不同层次高校的大学物理课程；更希望与在线的大学物理MOOC教师共建，真正解决大量用户在线作业的自动化批阅

问题。

参考文献：

[1] 蒋大权，林中什. 编写大学物理标准化作业的初步尝试[J]. 工科物理，1991（2）.

[2] 胡建新. 大学物理教学中作业的规范要求[J]. 高等函授学报（自然科学版），2004（3）.

[3] 石丽华，朱鋐雄. 大学物理课外作业批改和评价方式改革的实践初探[J]. 物理与工程，2009（3）.

[4] 何钰，李秀梅，等. 大学物理作业手段的改革与实践[J]. 中国大学教学，2010（3）.

[5] 宋更新. 浅谈大学物理课程客观题网络作业系统的构建[J]. 才智，2016（9）.

[6] 胡玉才. 全媒体环境下大学课堂教学组织的几点思考[C]//质量特色创新——大连海洋大学“十二五”教育教学研究文集. 西安：西北农林科技大学出版社，2016.

[7] 周丹，胡玉才，等. 大学物理微课建设的实践与思考[J]. 高教学刊，2017（10）.

[责任编辑：夏鲁惠]