基于B/S框架的思政交互式教学系统设计

贾宇，史望聪

(陕西交通职业技术学院,1.马克思主义学院，2.轨道交通学院， 陕西，西安 710018)

0 引言

思政课堂是培养学生人生观、价值观与社会观的主要渠道。随着现代科技发展，通过网络进行教学已经成为重要的教学方式,它为师生提供了专属教学平台，提高了学生学习积极性与主动性。但现阶段的思政教学系统存在一些问题，系统性能有待提高。

文献[1]将IMT潜在理论作为基础，仿制机器学习方法，创建交互式机器学习模型，提出整合教学环境，但系统响应时间较长，吞吐量较低。文献[2]利用图像处理技术对学生学习情绪分类，结合线上与线下学习系统，提取学习行为特征，通过了解学生学习状况，提供个性化学习内容，但系统运用性较弱。

针对上述问题，本文设计了基于B/S框架的思政交互式教学系统。即基于浏览器与服务器架构的交互系统[3]。所有节点均分布在网络上，通过连接与交互实现系统功能，统一客户端聚集系统核心功能，便于系统开发与维护。

1 基于B/S的思政交互式教学系统设计

1.1 系统物理构架与需求分析

基于B/S的思政教学系统必须加强师生交流的教学策略，师生能利用该系统获取各类教学资源，可通过聊天工具实现师生之间和生生之间的交互。系统物理架构如图1所示。

基于交互式教学系统拓扑结构，该系统需具备如下功能。

(1) 可用性：所有功能便于使用，并在B/S构架下建立交互界面[4]，使说明文件通俗易懂。

图1 基于B/S的教学系统物理拓扑图

(2) 可靠性：在长时间工作状态下不会轻易发生错误，同时可满足数据备份要求。

(3) 安全性：确保系统内的数据只能够被拥有权限的用户查询，并对访问情况进行记录。

(4) 易扩展性：在实际应用时会随之增加系统新的功能。因此将系统模块化，预留功能接口。

(5) 可重用性：设计的程序能够直接用在后续项目开发，利用面向对象的程序设计方式，具备代码可重用性。

1.2 整体功能设计

B/S架构下的教学系统主要包括学生、教师与管理员三类用户。其中，学生拥有和上课有关的权限，包括输入学生信息、阅读课程简介、选课、在线听课、作业提交、成绩测试与查询等内容；教师则主要负责授课相关的权限与资源，包含教师信息输入、在线授课、成绩评定等；系统管理员的职责是维护教学系统，实现课程资源管理。系统整体功能结构如图2所示。

图2 系统整体结构图

1.2.1 学生模块

思政教学系统中学生模块主要功能如图3所示。

图3 学生模块功能示意图

学生登录账号后能够查看教师与课程介绍，结合介绍内容进行选课，下载所选课件，参与网络授课[5]。在学习过程中可利用在线笔记功能，将没有掌握的知识点记录下来，在课后答疑环节向教师提出，实现师生互动。

由于系统教学资源较多，学生无法选取合适的教学资源，为实现自适应指导，通过向学生展示各个难度等级的知识点，测试学生认知能力。假设测试结果表示为(U1,U2,…,Uj,…,Un)，其中Uj是第j道测试题的反馈值，取值是1或0，当Uj=1代表第j道题回答正确；当Uj=0则代表回答错误。认知情况与能力值具有的关系可通过最大似然估计表示[6]。

如果学生所有的答题过程互相独立，则可认为能力值测评结果只与认知水平、题目难易程度有关。在以上假设条件下，认知水平测评过程可表示为

(1)

由于似然估计与能力值呈正相关，因此对θ求导能够得出能力值。似然函数和对数函数lnL(θ)的最大值点相同，相比之下获得对数函数最大值点相对简单，所以对似然函数取对数获得以下公式：

(2)

式中，Pj(θ)与Qj(θ)分别代表学生认知水准为θ时，答对或答错第j道题的概率，uj为教学系统得到的反馈值，该值为1或0。利用牛顿-拉夫逊迭代对lnL(θ)极大值求解为

(3)

假设导数等于0，获得θ值。使用迭代法计算上式，则学生能力值可记作：

θk+1=θk+Δθ

(4)

综合分析导数关系可以发现，函数值随能力值的增大而增大。基于以上过程系统可完成学生认知水平的合理测评，接下来需要对知识点难易程度进行调整，使学生匹配到最适合的学习资源，提高学习效率。

教学资源难易程度共分为5个等级，利用五点量表不但可以方便资源管理，还能实现对资源等级科学划分。学习资源的初始难度：假设D={D1,D2,…,D5}表示资源难易程度，分别和不同难度等级相互对应。D1为非常简单，值为-2；D2为简单，值为-1；D3为中等，值为0；D4为难，值为1；D5为非常难，值为2。

基于学生程度第j′号资源评价的难度表示为

(5)

式中，bj′(voting)表示学生完成评价后第j′号资源难度的加权平均值，nij′表示第j′号资源被测定为难度i的学生数，Nj′表示参加j′号资源评价的学生总数量，其表达式如下：

(6)

则学习资源难度调整过程可表示为

bj′(tuned)=w·bj′(initial)+(1-w)·bj′(voting)

(7)

式中，bj′(initial)是教师对第j′个资源的初始化难度值，bj′(voting)是学生认为第j′个资源的平均难度值，bj(tuned)是第j′个资源难度调整后的值，w是一个可调节权重。通过对学生学习能力的测评和资源难度的调整，建立学生与资源难度之间的衔接，进而符合学生现阶段认知水平，达到教学资源自适应目的。

1.2.2 教师模块

教师模块设计时结合课程相关功能需求设计课程介绍、教师介绍和布置作业。课程介绍分为课程选择和教学大纲。教师介绍分为课程公告、在线学习和网上答疑,布置作业分为在线测试和学习测评。具体功能如图4所示。

图4 教师模块功能示意图

1.2.3 管理员模块

管理员具备系统的所有权限，不仅要对学生与教师账户进行管理，还要对系统资源做合理分配与管理。管理员具备的功能结构如图5所示。

图5 管理员功能模块示意图

根据学生、教师具备的相关功能，该系统的教学资源分为作业库、测试题库、课件库等[7]。管理者对课程资源可以任意修改、屏蔽与删除，对一段时期内无人点击的资源进行清除。

1.3 系统软硬件开发

1.3.1 主要硬件设备

结合上述系统模块功能，在B/S框架下该系统的主要硬件设备如表1所示。

表1 系统硬件设备表

1.3.2 软件技术

交互式教学系统软件属于一种基于网络技术的协作学习平台，使用的是典型的B/S结构，网络作为系统各部分实现信息交换的媒介。软件处理流程如图6所示。

交互式教学系统软件的主要特点为：占用较少的系统资源；支持各类用户使用不同的分辨率；利用传输控制协议(transmission control protocol，TCP)的方法点名，降低学生端无法响应的可能性，增强系统稳定性；可同时对多个学生监控。

此外，该系统利用了高性能的视频传输方式，将全新动态屏幕传输技术[8]和高效压缩形式相互结合，大大减少数据传输量，解决了网络传输拥塞问题，同时也降低了软件故障率。系统软件部分主要技术参数如表2所示。

图6 软件处理流程图

表2 软件主要参数表

2 系统功能测试

为验证本文系统的性能，根据某高校思政课程体系对该系统进行相关部署，同时搭建如下测试环境。

客户端：操作系统为Windows 10，内存为6 GB，硬盘为500 GB；

数据服务器：操作系统为Linux，内存是4 GB，硬盘是1 T；

应用服务器：操作系统是Windows Server 2003，内存为26 GB，硬盘是2 T。

应用本文方法、文献[1]方法与文献[2]方法分别对系统响应时间、系统吞吐量以及负载压力情况进行测试。

首先对3个待测系统发出70次请求，系统响应时间如图7所示。

图7 不同系统请求响应时间图

由图7可知，本文系统的平均响应时间最短。这是因为该系统明确设置模块功能，当学生或教师发出某项请求时，可及时得到回复。满足交互式系统要求，使学生与教师之间的沟通更加顺畅。

由于参加思政教学的学生人数较多，当学生同时登录时，需满足一定负载能力，这样才能确保系统平稳运行。假设学生共有100人，不同系统吞吐量测试情况如图8所示。

由图8可知，单位时间内，本文系统成功传输的数据量最多，系统吞吐量较高。因为本文通过对学生认知水平的测评，个性化推荐相应难度的资源，改善系统算法执行效率，进而提高吞吐量。

图8 不同系统吞吐量测试结果

压力测试主要检测系统故障恢复能力，将系统在长时间高负载条件下运行，记录每次故障恢复时间如表3所示。

表3 系统故障恢复时间表

由表3可知，本文系统的故障恢复时间最短，负载压力更强，当故障发生时，可在较短时间内使系统正常运行。

3 总结

为提高交互式思政教学系统性能，本文在B/S框架下分别设计了系统模块功能与软硬件,完成了基于B/S框架的思政交互式教学系统设计，提高了系统吞吐量，缩短了响应时间，增加负载压力。师生在使用后能够有效实现教学资源合理交互，打破传统教学时空限制。当学生将没有掌握的问题反馈给教师时，教师则可以通过该系统获取学生反馈问题，并对其进行相应的解答，以此达到课后辅导效果,同时也促进教师提高专业能力，只有这样才能适应网络时代思政课堂发展需求。