張朋 楊鶴標(biāo)

摘要：為了更好地反映學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對知識的掌握、理解情況和學(xué)習(xí)能力，通過對不同學(xué)科不同教師的教學(xué)方法進(jìn)行分析，將過程控制應(yīng)用于教學(xué)中，建立教學(xué)過程模型和作業(yè)評價(jià)模型。使用TextRank算法和SimHash算法對學(xué)生作業(yè)進(jìn)行查重分析，開發(fā)基于開源工作流引擎Activiti的教學(xué)過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使整個(gè)教學(xué)過程更加科學(xué)，并可對學(xué)生學(xué)習(xí)過程結(jié)束后提交的作業(yè)進(jìn)行多維度分析，更加科學(xué)地反映教學(xué)存在的問題。

關(guān)鍵詞：評價(jià)模型；教學(xué)過程建模；教學(xué)過程控制；作業(yè)查重；Activiti

DOIDOI：10.11907/rjdk.181414

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）010-0102-04

英文摘要Abstract：In order to better reflect the students′ knowledge and understanding of the learning process and the students′ learning ability， through the analysis of the teaching methods of different teachers in different disciplines in the school， this paper expounds the application of process control in teaching. The teaching process model and job evaluation model will be more scientific to reflect the students′ learning situation. At the same time， in order to clean up the teaching atmosphere and eliminate students′ plagiarism， TextRank algorithm and SimHash algorithm are also used in this system to check the students′ stage work. We developed a teaching process control system based on the Activiti（an open source workflow engine）. The system makes the teacher′s entire teaching process more scientific， and can perform multi-dimensional analysis on the assignments submitted after the students′ learning process is completed. It can be more scientific to reflect the problems in teaching and learning and provide a scientific reference for teachers about the next teaching process.

英文關(guān)鍵詞Key Words：evaluation model；teaching process model；teaching process control；job checking；Activiti

0 引言

目前國內(nèi)外對教學(xué)過程的研究通常只是對教師教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容展開，單純以提高教師素質(zhì)為改進(jìn)教學(xué)過程的方法。如Grush[1]設(shè)計(jì)學(xué)生作為教學(xué)過程的消費(fèi)者，充分考慮了學(xué)生需求；王文君[2]闡述了教師對教學(xué)過程控制的必要性等。這些研究普遍存在一些不足：①通常只由教師作為控制主體，學(xué)生缺乏主動性；②教學(xué)過程缺乏統(tǒng)一管理，不能清晰反映其中存在的問題；③教學(xué)過程中的階段作業(yè)成績主要由教師給出，缺乏科學(xué)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，存在一些主觀性誤差[3]。

為了更加科學(xué)地對教學(xué)過程進(jìn)行控制，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于開源工作流引擎Activiti的教學(xué)過程控制系統(tǒng)。主要涉及以下幾個(gè)方面：①對實(shí)際教學(xué)過程進(jìn)行分析、改進(jìn)和優(yōu)化，使用Activiti工作流引擎對教學(xué)過程進(jìn)行控制；②對學(xué)生作業(yè)通過分詞、計(jì)算權(quán)重、分析不同作業(yè)間的漢明距離，得到不同文檔之間的相似度，既減少教師審核作業(yè)的工作量，又避免人工審核存在的誤差；③針對學(xué)生過程作業(yè)設(shè)計(jì)科學(xué)的評價(jià)模型，使用三級評價(jià)指標(biāo)，力爭從多維度對學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價(jià)，科學(xué)反映學(xué)生學(xué)習(xí)過程的整體情況。

1 教學(xué)過程建模

在實(shí)際教學(xué)過程中，所有教師都是將一門課或者一個(gè)大知識點(diǎn)分為若干小知識點(diǎn)，通過不同階段分別教學(xué)。教師根據(jù)以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)準(zhǔn)備（備課），如教學(xué)資料準(zhǔn)備、教學(xué)目標(biāo)設(shè)立等，大部分教師都不會將資料提前下發(fā)給學(xué)生，從而導(dǎo)致教學(xué)執(zhí)行（現(xiàn)場授課或線上教學(xué)）過程中學(xué)生被動接受知識，沒有一個(gè)明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)。在作業(yè)批改過程中，教師沒有一個(gè)明確的評價(jià)模型，主觀成分在批改過程中占很大比重，無法科學(xué)反映學(xué)生完成作業(yè)的情況。另外，由于沒有一個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一管理學(xué)生教學(xué)過程結(jié)束后提交的作業(yè)，教師只能對單個(gè)學(xué)生作業(yè)進(jìn)行評價(jià)，而不能對學(xué)生作業(yè)的整體完成情況進(jìn)行評估，無法反映整體情況[4-5]。實(shí)際教學(xué)過程模型如圖1所示。

本文根據(jù)實(shí)際情況，應(yīng)用控制論思想，建立教學(xué)過程模型，并在教學(xué)過程中對教學(xué)執(zhí)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)對每個(gè)教學(xué)過程的最終執(zhí)行情況進(jìn)行記錄，為以后的教學(xué)過程設(shè)計(jì)提供參考[6-8]。其中，教學(xué)過程分為教學(xué)準(zhǔn)備、過程執(zhí)行、作業(yè)批改、作業(yè)分析等步驟。改進(jìn)后教學(xué)過程模型如圖2所示。

改進(jìn)的教學(xué)過程模型加入了作業(yè)分析階段。在作業(yè)批改階段主要是對學(xué)生個(gè)體作業(yè)進(jìn)行批改，而在作業(yè)分析階段則可對學(xué)生整體作業(yè)進(jìn)行分析，內(nèi)容包括：學(xué)生學(xué)習(xí)過程開始時(shí)間、學(xué)生作業(yè)提交時(shí)間、學(xué)生作業(yè)提交情況、學(xué)生作業(yè)分?jǐn)?shù)等。

2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建模

在實(shí)際教學(xué)中，教學(xué)科目、任課教師的差異，都會導(dǎo)致教學(xué)過程結(jié)束后階段作業(yè)會有不同，因此需要系統(tǒng)盡可能對多種作業(yè)（PPT、論文、課外實(shí)踐報(bào)告等）提供評價(jià)模板。同時(shí)，為了更加科學(xué)地對學(xué)生作業(yè)進(jìn)行評分，更加真實(shí)地反映學(xué)生作業(yè)情況，評價(jià)模板需盡可能細(xì)化 [9-10]。系統(tǒng)使用表1所示評價(jià)模型。

針對學(xué)生學(xué)習(xí)報(bào)告，主要從5個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)，分別為文檔質(zhì)量、文檔內(nèi)容、歸納總結(jié)、寫作情況、參考文獻(xiàn)。其中，文檔內(nèi)容占55%，主要反映學(xué)生對知識的掌握情況，故所占比重超過半數(shù)；另外，為對學(xué)生綜合能力進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)模型中還包括文檔質(zhì)量、歸納總結(jié)、協(xié)作情況、參考文獻(xiàn)等4個(gè)方面，從而實(shí)現(xiàn)更加全面的評價(jià)效果，有利于促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)發(fā)展[11]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文使用SSM（Spring+Spring MVC+MyBatis）開發(fā)框架，開發(fā)一個(gè)基于開源工作流引擎Activiti的教學(xué)過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、用戶管理、教學(xué)過程執(zhí)行、教學(xué)資料管理、學(xué)生作業(yè)管理、歷史信息管理六大模塊[7-8]。主要處理數(shù)據(jù)表包括：Activiti原生的25張表、教學(xué)資料表、流程監(jiān)控表、學(xué)生作業(yè)表、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表、學(xué)習(xí)情況表等[12]。

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行流程

系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3所示。

3.2 SSM與Activiti整合

系統(tǒng)使用SSM開發(fā)框架與Activiti整合，Activiti可以完美地與Spring開發(fā)框架集成，設(shè)計(jì)非常簡約[13-14]。整合步驟為：

（1）創(chuàng)建Maven項(xiàng)目，導(dǎo)入相應(yīng)的包。Maven可以提供依賴管理、項(xiàng)目構(gòu)建、項(xiàng)目知識管理三大功能。

（2）加入Spring+SpringMVC+MyBatis配置文件：applicationContext.xml，spring-mvc.xml，mybatis-config.xml。

（3）加入Activiti配置文件：activiti-context.xml。

3.3 Activiti工作流

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，Activiti工作流設(shè)計(jì)如圖4所示。

在系統(tǒng)中，教師對整個(gè)流程進(jìn)行監(jiān)控，而教師與學(xué)生存在一對多的關(guān)系，故在流程設(shè)計(jì)中需要使用內(nèi)嵌子流程。首先，由教師開始整個(gè)教學(xué)過程，上傳教學(xué)資料，發(fā)送郵件通知學(xué)生可以開始學(xué)習(xí)過程，并進(jìn)入并發(fā)子流程；其次，子流程由學(xué)生開始，學(xué)生在教學(xué)過程開始時(shí)會收到一封提示盡快下載教學(xué)資料的郵件，到系統(tǒng)中下載所需資料；第三，進(jìn)入現(xiàn)場教學(xué)階段，教師現(xiàn)場授課，故不在系統(tǒng)中體現(xiàn)；第四，學(xué)生提交作業(yè)，系統(tǒng)自動審核，若不通過則向?qū)W生發(fā)送作業(yè)重新提交通知，還可能涉及一些其它問題需要教師手動審核作業(yè)，不通過則需學(xué)生重新提交；第五，教師對學(xué)生作業(yè)進(jìn)行批閱存檔；第六，系統(tǒng)對學(xué)生整體作業(yè)的完成情況進(jìn)行分析，將結(jié)果存檔，過程結(jié)果展現(xiàn)節(jié)點(diǎn)可以通過與前臺交互將分析報(bào)告提供給教師。至此，流程結(jié)束，教師可根據(jù)分析報(bào)告和實(shí)際情況調(diào)整下一個(gè)教學(xué)過程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)安排、學(xué)生作業(yè)等，并可給教師下階段的現(xiàn)場授課提供參考。

3.4 學(xué)生作業(yè)查重模塊

針對學(xué)生提交的階段作業(yè)，系統(tǒng)使用SimHash算法進(jìn)行重復(fù)度計(jì)算。SimHash算法是通過將文檔進(jìn)行降維處理轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的指紋，并對不同文檔的指紋計(jì)算海明距離從而計(jì)算相似度。

如果單獨(dú)使用SimHash計(jì)算文檔相似度會造成關(guān)鍵字遺漏，生成的指紋會丟失一部分文本信息，故系統(tǒng)中采用TextRank算法進(jìn)行關(guān)鍵字提取。TextRank算法原理是根據(jù)有向圖，通過投票原理計(jì)算出點(diǎn)的權(quán)重，最終提取出文檔中得分最高的幾個(gè)關(guān)鍵詞，得到關(guān)鍵詞和所對應(yīng)的權(quán)值[15-16]。

算法1：TextRank算法計(jì)算關(guān)鍵詞與權(quán)值

TextRank算法根據(jù)Google的PageRank算法改進(jìn)而來[17]，其公式為：

WS（Vi）=（1-d）+d×∑Vj∈In（Vj）wji∑Vk∈Out（Vj）wjkWS（1）

其中，d表示阻尼系數(shù)（即為有向圖中一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的概率），一般取值為0.85；Wji表示Vi到Vj之間的權(quán)重；In（Vi）表示圖中指向該點(diǎn)的集合；Out（Vi）表示有向圖中Vi節(jié)點(diǎn)指向其它點(diǎn)的集合。

輸入：待分詞字符串S、關(guān)鍵詞數(shù)

步驟：

（1）字符串S讀取。

（2）對字符串S進(jìn)行分詞。

（3）去掉分詞中的停用詞（的、是、和）和標(biāo)點(diǎn)符號。

（4）構(gòu)建關(guān)系圖，步驟（2）中提取的分詞即為圖的節(jié)點(diǎn)，通過共性關(guān)系構(gòu)造任意兩點(diǎn)的邊，僅使兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在長度為K的窗口中出現(xiàn)（其中K表示窗口大小，即最多出現(xiàn)K個(gè)單詞）。

（5）根據(jù)公式計(jì)算得到每個(gè)單詞的權(quán)重，可根據(jù)順序選取權(quán)重最大的前幾個(gè)。

（6）對節(jié)點(diǎn)的權(quán)重進(jìn)行逆序排序，選取權(quán)重最大的前幾個(gè)作為文章的關(guān)鍵詞。

輸出：關(guān)鍵詞+關(guān)鍵詞權(quán)重

算法2：SimHash算法生成文檔指紋[18-19]

SimHash算法通過將文檔降維轉(zhuǎn)換成長度為n的二進(jìn)制向量指紋的方法，將文檔之間的相似度問題轉(zhuǎn)換為兩篇文檔之間指紋的Hamming Distance，不需要計(jì)算文檔本身的文本內(nèi)容。Hamming Distance又稱為漢明距離，在信息論中，兩個(gè)等長字符串之間的漢明距離是兩個(gè)字符串對應(yīng)位置不同字符的個(gè)數(shù)，也就是說它是將一個(gè)字符串變換為另一個(gè)字符串所需要替換的字符個(gè)數(shù)。

輸入：算法1計(jì)算的關(guān)鍵詞及權(quán)重

步驟：

（1）使用Hash函數(shù)計(jì)算每個(gè)關(guān)鍵詞的64位Hash值（關(guān)鍵詞的特征向量）。

（2）在Hash值的基礎(chǔ)上給所有特征向量進(jìn)行加權(quán)，如果遇到1則Hash值和權(quán)值正相乘，遇到0則Hash值與權(quán)值負(fù)相乘。

（3）將每個(gè)分詞的64位Hash值加權(quán)后的結(jié)果累加，得到一個(gè)新的64位向量V。

（4）檢查向量V的每一位，如果大于0則得到最終簽名S的對應(yīng)位為1，否則為0，最終得到整篇文檔簽名S。

輸出：文檔的簽名S

接下來，通過計(jì)算不同文檔之間指紋的漢明距離計(jì)算文檔的相似度，步驟如下：

輸入：算法2計(jì)算得到不同文檔的指紋S1、S2

步驟：

（1）將不同指紋S1和S2按位進(jìn)行異或，得到一個(gè)新的64位01字符串H。

（2）統(tǒng)計(jì)字符串H中1的個(gè)數(shù)，即為兩個(gè)指紋S1與S2之間的漢明距離。

輸出：兩個(gè)指紋S1與S2之間的漢明距離

通過大量測試，SimHash用于較大文本如500字以上效果都較好，漢明距離小于3的文本相似度較高、誤判率也較低。而學(xué)生提交的階段作業(yè)一般純文字至少有幾千字，故使用SimHash算法計(jì)算學(xué)生作業(yè)的相似度比較合理，而漢明距離使用3為界限完全可以滿足實(shí)際需要[20]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 登錄界面

用戶進(jìn)入系統(tǒng)主界面時(shí)，系統(tǒng)會自動檢測是否已登錄，若未登錄跳到登錄頁，選擇身份進(jìn)行登錄，將用戶名和加密后的密碼與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證。驗(yàn)證通過，跳到主界面并將用戶賬號存放至session中，用于操作權(quán)限獲取和相關(guān)操作主鍵查詢。

4.2 教學(xué)資料上傳與修改

系統(tǒng)由任課教師開始流程，并上傳教學(xué)資料，同時(shí)提供教師對教學(xué)資料查看和維護(hù)的功能，教師可在此頁面上傳/下載教學(xué)資料，同時(shí)根據(jù)不同教學(xué)過程設(shè)定下載教學(xué)資料的時(shí)間。而如果學(xué)生登錄該系統(tǒng)，則只提供教學(xué)資料的下載頁面。

4.3 作業(yè)評價(jià)模板展示與操作

由于用戶權(quán)限不同，不同用戶使用用戶名登錄系統(tǒng)后需要跳轉(zhuǎn)到不同評價(jià)模板界面，所以用戶在登錄系統(tǒng)時(shí)需要選擇不同角色，并在數(shù)據(jù)庫中驗(yàn)證。選擇管理員身份登錄，可根據(jù)課程需要和作業(yè)布置情況對評價(jià)模型的內(nèi)容、考核指標(biāo)、內(nèi)容權(quán)重進(jìn)行修改，也可以增加新的評價(jià)模型。而學(xué)生登錄系統(tǒng)則只可以查看評價(jià)模型，對要完成的作業(yè)做到心中有數(shù)。

其中，選擇管理員身份登錄系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)頁面如圖6所示。

5 結(jié)語

本文通過研究當(dāng)前高校教學(xué)模式，發(fā)現(xiàn)其中不足，設(shè)計(jì)了基于Activiti的教學(xué)過程控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)其大部分功能。系統(tǒng)運(yùn)行可使教師的教學(xué)變得更加有計(jì)劃，而學(xué)生因掌握教學(xué)目標(biāo)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)也變得更加有主動性，并能改善部分高校學(xué)術(shù)風(fēng)氣差、抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重的情況。相信隨著本系統(tǒng)運(yùn)行、普及和完善，高校教學(xué)會更加有節(jié)奏性，高校教學(xué)風(fēng)氣也會有較大改善。

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（責(zé)任編輯：何 麗）