蔣漪漣，鄧康一，劉曉丹

（1.陜西工商職業(yè)學(xué)院　計(jì)算機(jī)與信息管理系，陜西　西安　710119；2.陜西廣播電視大學(xué) 開放教育學(xué)院，陜西 西安　710119）

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教育交互式教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣漪漣1，鄧康一2，劉曉丹1

（1.陜西工商職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息管理系，陜西西安710119；2.陜西廣播電視大學(xué) 開放教育學(xué)院，陜西 西安710119）

針對(duì)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教育師生交互性差的問題給出解決方案。采用當(dāng)前流行的MVC模式的Django框架。開發(fā)了一個(gè)B/S結(jié)構(gòu)的基于Web的交互式教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)。交互式課程評(píng)價(jià)體系以及自動(dòng)分組算法可以使得學(xué)生以團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式學(xué)習(xí)，教師進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)分。

交互式教學(xué)平臺(tái)；課程評(píng)價(jià)體系；自動(dòng)分組算法；MVC模式；B/S結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)教育就是指學(xué)生和教師以及學(xué)生和教育組織間主要是利用多種媒體方式進(jìn)行系統(tǒng)教學(xué)和通信聯(lián)系的一種教育形式［1］?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教育是在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和多媒體技術(shù)發(fā)展下產(chǎn)生的一種新型教育形式，運(yùn)用多媒體和多種交互方式使老師與學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和通信聯(lián)系［2］。網(wǎng)絡(luò)教育是遠(yuǎn)程教育的主要形式，也是高職教育的一個(gè)輔助教學(xué)形式［3］。

相比常規(guī)的教學(xué)方式，網(wǎng)絡(luò)教育的優(yōu)勢(shì)非常明顯。第一、網(wǎng)絡(luò)教育在時(shí)間和地點(diǎn)這兩方面非常靈活。老師和學(xué)生不再需要在規(guī)定的時(shí)間趕到規(guī)定的地點(diǎn)，而是可以根據(jù)自己的日程安排靈活調(diào)整，學(xué)校也不再需要安排教室，在很大程度上降低了教學(xué)成本［4］。學(xué)生也不再需要去教室，只需要一臺(tái)能夠連上互聯(lián)網(wǎng)的電腦，甚至智能移動(dòng)終端就能夠?qū)W習(xí)，省下了往返教室需要的時(shí)間［5］。第二、學(xué)生在選擇課程時(shí)擁有了更多的自主權(quán)，可以根據(jù)自己的興趣和需要自由選擇最優(yōu)質(zhì)的課程［6］。而在另一方面，由于受眾的增多，在把知識(shí)傳遞給更多學(xué)子的同時(shí)，也能夠促進(jìn)教師不斷提升自己的教學(xué)質(zhì)量，講授出更多、更加優(yōu)質(zhì)的課程［7］。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)教育來說，缺乏面對(duì)面的情感交流是無可避免的一個(gè)難題，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)者缺乏人與人之間的溝通交流，難以塑造個(gè)人自信心和培養(yǎng)良好的個(gè)人情誼，造成學(xué)習(xí)者不喜歡通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)［8］。尤其是學(xué)生在學(xué)習(xí)是遇到問題而得不到解決會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)喪失信息，堅(jiān)持不下去，教師在網(wǎng)上批改作業(yè)也是難度較大的工作。

本系統(tǒng)是一個(gè)B/S結(jié)構(gòu)的基于web的交互式教學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)一套新穎的交互式評(píng)價(jià)體系，專注于改善教師布置和批改課程任務(wù)的整個(gè)流程，讓學(xué)生能夠以更加接近真實(shí)企業(yè)團(tuán)隊(duì)工作方式的形式來完成任務(wù)，增強(qiáng)專業(yè)技能，并且拓寬知識(shí)面，增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。與以往線下布置與批改課程任務(wù)的流程相比較，本系統(tǒng)提出的交互式課程評(píng)價(jià)體系旨在為教師提供更多有價(jià)值的參考信息，同時(shí)減輕教師批閱課程作業(yè)工作量。

在本系統(tǒng)中，教師不僅可以上傳課程的簡(jiǎn)介、課件以及視頻，還能夠針對(duì)課程任務(wù)進(jìn)行高效的管理與批改。在實(shí)際教學(xué)過程中，為了培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，很多作業(yè)是以分組的形式布置，再由同學(xué)們合作完成提交給老師。為了發(fā)揮每個(gè)組內(nèi)的每位同學(xué)的不同方面的優(yōu)勢(shì)，從而進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更好地完成老師布置的課程任務(wù)，本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分組的功能。

1　評(píng)價(jià)體系

1.1交互式教學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以遠(yuǎn)程開放教育計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生為對(duì)象構(gòu)建指標(biāo)體系，這套指標(biāo)體系分為知識(shí)架構(gòu)、能力要求和素質(zhì)要求3個(gè)方面［9］，每個(gè)方面又包含了若干項(xiàng)細(xì)分指標(biāo)共35個(gè)，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)能力要求指標(biāo)體系如表1所示。

表1　計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)能力要求指標(biāo)體系

針對(duì)學(xué)生的各項(xiàng)綜合素質(zhì)，中央電大頒布了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的人才培養(yǎng)方案和知識(shí)、能力要求［10］，根據(jù)中央電大的要求制訂了陜西電大的一整套評(píng)價(jià)指標(biāo)，這套指標(biāo)體系分為知識(shí)架構(gòu)、能力要求和素質(zhì)要求3個(gè)方面，每個(gè)方面又包含了若干項(xiàng)細(xì)分指標(biāo)。其中知識(shí)架構(gòu)和素質(zhì)要求不在此一一列舉。

1.2交互式教學(xué)系統(tǒng)的自動(dòng)分組算法

根據(jù)上述35項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)把每個(gè)學(xué)生的各項(xiàng)素質(zhì)抽象為一個(gè)35維的向量，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行自動(dòng)分組的功能。每個(gè)學(xué)生的每項(xiàng)指標(biāo)的可評(píng)分范圍在 1～5之間，目前系統(tǒng)中共有35項(xiàng)可評(píng)價(jià)的指標(biāo)，以圖 1所示數(shù)據(jù)為例，如果某項(xiàng)指標(biāo)沒有被評(píng)過分，則保持在初始狀態(tài) 0。

圖1　初始評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

各項(xiàng)指標(biāo)中顯示為0的部分表示該學(xué)生沒有選修過與這項(xiàng)指標(biāo)有關(guān)聯(lián)的課程，并不能說明該學(xué)生這方面的能力就為“0”。所以如果直接拿這樣的數(shù)據(jù)來使用，得出的結(jié)果一定是非常不理想的。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，相鄰的指標(biāo)所代表的意思往往非常接近，如表 1中的“CA5.軟件基礎(chǔ)知識(shí)”與其相鄰項(xiàng)“CB1.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)”，對(duì)同一個(gè)學(xué)生而言，在這兩項(xiàng)的得分一定是非常近似的。根據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，可以對(duì)上表中的“0”數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，用近似“0”數(shù)據(jù)兩側(cè)的數(shù)據(jù)來代替原始的“0”，得出的新數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2　清洗后的指標(biāo)數(shù)據(jù)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗之后，再分析每個(gè)同學(xué)各項(xiàng)指標(biāo)的差距，盡量讓不同類型的人才分在同一個(gè)小組，例如有的同學(xué)代碼能力很強(qiáng)，但是很貪玩，經(jīng)常連作業(yè)都來不及做，那么就應(yīng)該安排一位項(xiàng)目經(jīng)理型的同學(xué)和他一組，來幫助規(guī)劃和督促整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度。由于在數(shù)據(jù)清洗之后每個(gè)指標(biāo)的取值范圍都在 1～5之間，可以用余弦相似度來判斷每位同學(xué)在各方面綜合素質(zhì)上的相似度。設(shè)我們要比較的兩個(gè)學(xué)生的各項(xiàng)指標(biāo)分別為X1，X2，X3……X34，X35和Y1，Y2，Y3……Y34，Y35，那么它們的余弦相似度可以表示為:

如果某個(gè)班級(jí)有N位同學(xué)，那么就可以求得一個(gè) N*N的相似矩陣來表示出班上同學(xué)兩兩之間的相似度。余弦的取值范圍只能在 0到 1之間，所求得cosθ的值越接近 1，則表示x和y兩位同學(xué)的各項(xiàng)綜合能力越接近。而所求得cosθ的值越接近0，則說明這兩位同學(xué)的差異性越大，就越應(yīng)該把他們分在相同的組內(nèi)，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短。

在求出相似性矩陣之后，下一步是對(duì)這個(gè)矩陣?yán)锏男谢蛎恳涣行畔⑦M(jìn)行排序，以找出每行或每列中差異性最大的值，由于數(shù)組在計(jì)算機(jī)中是按行排列的，所以我們還是按行進(jìn)行排序。接下來就可以開始進(jìn)行分組了。而關(guān)于組長(zhǎng)的挑選也不需要老師來操心，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)這些指標(biāo)來把綜合能力較強(qiáng)的同學(xué)挑選出來，作為每個(gè)小組的負(fù)責(zé)人。由于每個(gè)小組需要一個(gè)能力較強(qiáng)的組長(zhǎng)作為負(fù)責(zé)人，所以我們還需要班上每位同學(xué)綜合能力的排序?；谥扒逑催^的數(shù)據(jù)，同學(xué)X的綜合素質(zhì)可以用他各項(xiàng)指標(biāo)所得分值的向量長(zhǎng)度來表示，再用數(shù)組把全班N位同學(xué)的Q值保存起來。

按照老師輸入的分組數(shù)量 G，把數(shù)組 L所代表的每位同學(xué)按 Q值從大到小的順序進(jìn)行排序，依次放入每個(gè)分組。這樣，每個(gè)組的組長(zhǎng)就選好了。

現(xiàn)在得到了一個(gè)長(zhǎng)度為老師輸入的分組數(shù)量G，代表每個(gè)組內(nèi)都有且僅有一個(gè)組長(zhǎng)的一維矩陣 Ld，以此為基礎(chǔ)，再根據(jù)之前求出的相似度矩陣，把相似度最小的同學(xué)們添加進(jìn)到相應(yīng)的分組中，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分組功能。

2　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1交互式教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用基于 MVC架構(gòu)的 Django框架，MVC架構(gòu)是一種優(yōu)秀的設(shè)計(jì)模式［11］，很多優(yōu)秀的 web框架都遵循了這種模式，它將軟件的業(yè)務(wù)邏輯內(nèi)聚到一個(gè)文件夾里，不需要在對(duì)配置文件或者對(duì)交互界面進(jìn)行更改后重新編寫業(yè)務(wù)邏輯［12］。Django是一個(gè)由 Python寫成的開源網(wǎng)站框架［13］。Django最大的優(yōu)勢(shì)在于便于快速開發(fā)和部署，能夠讓開發(fā)人員專注于系統(tǒng)邏輯，很快做出原型系統(tǒng)［14-15］。

2.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，有3個(gè)主要的功能模塊，分別是學(xué)生模塊、教師模塊以及后臺(tái)管理模塊，如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)功能模塊圖

學(xué)生模塊主要是查看課程列表、觀看課程視頻、查看、下載課程任務(wù)等。教師模塊能夠查看和編輯自己所教授的課程，對(duì)學(xué)生和課程任務(wù)進(jìn)行管理等。而后臺(tái)管理模塊的主要功能主要是一些批處理操作，例如批量導(dǎo)入各種信息、對(duì)教師和學(xué)生的個(gè)人信息進(jìn)行管理等。

2.3自動(dòng)分組算法的實(shí)現(xiàn)

1）清洗數(shù)據(jù)

對(duì)圖1中的“0”數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，用近似“0”數(shù)據(jù)兩側(cè)的數(shù)據(jù)來代替原始的“0”，具體代碼如下：

其中 student Num表示班級(jí)總?cè)藬?shù)，indicator Num表示指標(biāo)數(shù)，本系統(tǒng)中設(shè)為35。在清洗之前，先把原始數(shù)據(jù)裝入一個(gè)大小為 student Num*indicator Num 的矩陣indicator ［student Num］［indicator Num］中，然后判斷是否有孤立的“0”存在，如果有，則把它的值設(shè)為左右兩邊數(shù)字的平均數(shù)。

2）判斷相似度并排序

在進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗之后，再分析每個(gè)同學(xué)各項(xiàng)指標(biāo)的差距，盡量讓不同類型的人才分在同一個(gè)小組，在計(jì)算向量長(zhǎng)度時(shí)，將數(shù)據(jù)直接保存在一個(gè)字典結(jié)構(gòu) capability里，這樣在求余弦的計(jì)算中“順便”計(jì)算了每位同學(xué)的綜合能力值，之后只需要直接取用即可，無需再次計(jì)算。

具體代碼如下，在這部分代碼的最后一行，對(duì)之前存在字典中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了排序，保存在capability Sort列表內(nèi)。

3）自動(dòng)選出組長(zhǎng)并分組

由于每個(gè)小組需要一個(gè)能力較強(qiáng)的組長(zhǎng)作為負(fù)責(zé)人，所以我們還需要班上每位同學(xué)綜合能力的排序?；谥扒逑催^的數(shù)據(jù)，同學(xué)X的綜合素質(zhì)可以用他各項(xiàng)指標(biāo)所得分值的向量長(zhǎng)度來表示，再用數(shù)組把全班N位同學(xué)的Q值保存起來。這部分代碼已經(jīng)在前一部分實(shí)現(xiàn)，直接把 capability Sort拿來用即可。

接下來，按照老師輸入的分組數(shù)量 group Num，把數(shù)組group所代表的每位同學(xué)按Q值從大到小的順序進(jìn)行排序，依次放入每個(gè)分組。這樣，每個(gè)組的組長(zhǎng)就選好了。在下列代碼中，group Num表示教師輸入的分組數(shù)量，group是用來存儲(chǔ)整個(gè)分組結(jié)果的矩陣。除此之外還需要建立一個(gè) stu Has Grp列表，用布爾值存儲(chǔ)每個(gè)學(xué)生是否已經(jīng)加入分組，每個(gè)元素都初始化為False。在下面的實(shí)際代碼中可以看到，把每組組長(zhǎng)加入分組之后都會(huì)把相應(yīng)的 stu Has Grp值設(shè)為True。

現(xiàn)在得到了一個(gè)長(zhǎng)度為老師輸入的分組數(shù)量 group Num，代表每個(gè)組內(nèi)都有且僅有一個(gè)組長(zhǎng)的一維矩陣 group，以此為基礎(chǔ)，再根據(jù)之前求出的相似度矩陣，把相似度最小的同學(xué)們添加進(jìn)到相應(yīng)的分組中，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分組功能。

3　結(jié)束語

系統(tǒng)分析了交互式教學(xué)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模塊的功能需求。

在本系統(tǒng)中，教師不僅可以上傳課程的簡(jiǎn)介、課件以及視頻，還能夠針對(duì)課程任務(wù)進(jìn)行高效的管理與批改。在實(shí)際教學(xué)過程中，為了培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，作業(yè)采取分小組來完成，系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行分組并選定組長(zhǎng)，提交作業(yè)，可以降低老師的作業(yè)批改量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較好的交互。

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The design and implementation of the interactive teaching platform of modern network education

JIANG Yi-lian1，DENG Kang-yi2，LIU Xiao-dan1
（1.Computer and Information Management Department，Shanxi Business College，Xi'an 710119，China；2.Open Education College，Shanxi Radio＆amp;TV University，Xi'an 710119，China）

In view of the modern network education teachers and students to give the solution to the problem of poor interaction.Using the current popular Django framework based on MVC pattern.An interactive teaching platform system based on B/S is developed for Web structure.The interactive curriculum evaluation system and the automatic grouping algorithm can make the students to learn with team work approach，and the teachers monitor and score.

interactive teaching platform；curriculum evaluation system；automatic grouping algorithm；MVC；B/S

TN3

A

1674－6236（2016）16-0105-04

2016-01-18稿件編號(hào)：201601148

陜西省教育廳2015年研究課題（15JK1060）；陜西工商職業(yè)學(xué)院2013年度科研項(xiàng)目（13G-04-A02）；陜西廣播電視大學(xué)2013年度科研項(xiàng)目（13DJ-B27）

蔣漪漣（1970—），女，陜西西安人，碩士，副教授。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)。