基于W i-Fi的智能教學(xué)評估系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

翟 穎，田 躍，邱 宏，孫明明

（北京科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，北京100083）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)越來越受到重視，學(xué)生的素質(zhì)教育已提到議事日程。所謂“素質(zhì)教育”，筆者們認(rèn)為包括學(xué)生接受知識的能力，正確的思維方式，分析問題、解決問題的能力，對當(dāng)代前沿科學(xué)技術(shù)新知識、新動向的敏感性，創(chuàng)新意識的激發(fā)與現(xiàn)有理論或技術(shù)相契合。要想培養(yǎng)學(xué)生實現(xiàn)以上能力，研究討論是重要的環(huán)節(jié)，這些是現(xiàn)在以課堂教學(xué)為主，以教師為中心的教育模式的重大缺憾。本系統(tǒng)的開發(fā)，核心點就是力圖采用移動互聯(lián)技術(shù)促進和提高課堂教學(xué)師生互動的效率，同時可以對課堂教學(xué)的效果，包括老師和同學(xué)兩方面，給予量化評估。

溝通與交流是傳遞信息的一個重要手段。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，特別是移動互聯(lián)網(wǎng)和智能手機、平板電腦的發(fā)展，一系列超出人們預(yù)期的個性化服務(wù)應(yīng)運而生，呈現(xiàn)手機中心化趨勢。[1]如能將其與高等教育緊密聯(lián)系在一起，必將開拓出一片廣泛的應(yīng)用天地。

如今，師生在課下的互動交流中可利用的平臺越來越多，如：E-mail、QQ、微信、論壇等，還有許多人致力于移動教學(xué)的研究，開發(fā)了不同類型的教學(xué)終端。[2][3]而對于課堂上的師生互動，以美國的iclicker和北京師范大學(xué)的課堂應(yīng)答系統(tǒng)為代表。[4]-[6]但由于其都涉及手持硬件設(shè)備，要求老師和學(xué)生人手一個，如果想要大范圍地推廣使用需要有關(guān)教育部門、學(xué)校、老師和學(xué)生多方面的配合，在人力、物力和精力上的過多投入讓很多老師躊躇不前。

本文利用無線Wi-Fi通信技術(shù)、電化教學(xué)設(shè)備和學(xué)生手機、平板電腦、筆記本電腦等無線終端，搭建了一個課堂上老師和同學(xué)進行互動、增加溝通與交流的平臺。

一、智能教學(xué)評估系統(tǒng)的分析

智能教學(xué)評估系統(tǒng)的設(shè)計旨在通過互動答題的形式，增加老師和學(xué)生在課堂上的互動與交流，改變沉悶的課堂氣氛，使學(xué)生積極主動地參與到課堂教學(xué)中來，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效果和效率，同時幫助老師找到教學(xué)中的問題，以便及時變更教學(xué)的內(nèi)容和方法。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由教師端和學(xué)生端組成，并通過一個無線AP機將教師端和學(xué)生端連接成一個局域網(wǎng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。學(xué)生端，用于完成答題操作的是一部部具有Wi-Fi功能的智能手機或平板電腦；教師端，用于數(shù)據(jù)接收和顯示的是一臺具有Wi-Fi功能并裝有服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的計算機，老師可以直接使用教室電化教學(xué)設(shè)備中的計算機，也可以攜帶自己的筆記本；無線AP機，是系統(tǒng)實現(xiàn)通信的橋梁，起到連接教師端和學(xué)生端的作用，同時具有DHCP模塊，給各個連接的設(shè)備分配IP地址。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.系統(tǒng)功能分析

根據(jù)系統(tǒng)使用對象的不同，應(yīng)分別對教師端和學(xué)生端的功能做出設(shè)計，具體功能如下：

（1）學(xué)生端應(yīng)具有的功能有：1）身份識別功能。既要對學(xué)生進行身份識別，也要對學(xué)生用于答題的設(shè)備進行身份識別，即一個學(xué)生只能使用一臺設(shè)備進行答題操作，以避免學(xué)生之間替代答題的情況；2）答題功能。學(xué)生能看到所答題目的信息——問題和各個選項的內(nèi)容，并能夠從多個選項中選擇一項作為自己的答案提交到數(shù)據(jù)庫。

（2）教師端應(yīng)具有的功能有：1）身份識別功能。教師端只需要通過戶名和密碼進行身份識別，正確識別出是哪位老師即可；2）數(shù)據(jù)管理功能。教師需要對學(xué)生信息、題目信息和答題情況的數(shù)據(jù)進行管理，能夠進行增加、刪除、修改、查詢等操作，并能將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel；3）答題管理功能。主要用于教師對課堂答題的控制，具體體現(xiàn)在：a）老師需要給出題號，這樣學(xué)生端才能正常顯示題目信息；b）老師可以通過“開始答題”和“結(jié)束答題”兩個按鈕控制答題時間，使得學(xué)生們只能在老師規(guī)定的時間范圍內(nèi)進行答題；c）在答題過程中，要顯示實時答題情況，便于老師控制答題的節(jié)奏；d）在答題結(jié)束后，要給出答題結(jié)果，便于老師與學(xué)生的互動；4）成績管理功能。老師根據(jù)實際情況給出正確率和出勤率的百分比分配后，系統(tǒng)能夠自動算出學(xué)生的成績，并以表格的形式給出結(jié)果，同時支持導(dǎo)出至Excel。

二、智能教學(xué)評估系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)按照使用者及其功能需求的不同，分別對教師端和學(xué)生端進行了設(shè)計和程序的編寫。所有程序均使用PHP語言編寫，除了編寫各個界面顯示的程序外，還要考慮程序后臺對數(shù)據(jù)庫的種種操作，寫好的程序被安放在裝有服務(wù)器的電腦上。為了防止老師和學(xué)生的“非法操作”，程序還加入了cookie和session的設(shè)計。

1.學(xué)生端的設(shè)計

為了保證答題的真實性、有效性和可靠性，避免代替別人進行課堂答題的行為，學(xué)生端設(shè)計的重點在于如何解決身份識別問題。身份識別包括兩個部分——對學(xué)生的識別和對設(shè)備的識別，既要將二者獨立地識別出來，又要在二者之間建立一一對應(yīng)的關(guān)系。

本系統(tǒng)實現(xiàn)身份識別的方法主要有三種：1）利用APP對設(shè)備進行身份識別。在設(shè)備中安裝一個APP，如圖2所示，點擊“l(fā)ogin”按鈕后會自動彈出瀏覽器并訪問指定網(wǎng)址，同時將設(shè)備的序列號（IMEI碼）信息帶出，存入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)身份識別。2）利用IP地址和MAC地址綁定進行對設(shè)備進行身份識別。對于沒有安裝APP的設(shè)備，可以將其無線網(wǎng)卡的MAC地址和AP機的DHCP模塊分配的IP地址進行綁定，在訪問網(wǎng)頁時，會將IP地址信息讀出并寫入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)身份識別。3）利用登錄操作對學(xué)生進行身份識別。在答題前，學(xué)生先要進行登錄操作，通過學(xué)號對學(xué)生進行身份識別。

圖2 學(xué)生端APP圖

通過以上三種方法進行身份識別后，可以實現(xiàn)學(xué)生和其所使用設(shè)備的一一對應(yīng)，即一個學(xué)生只能使用一個設(shè)備進行答題操作。當(dāng)有學(xué)生嘗試使用自己的設(shè)備登錄其他同學(xué)的學(xué)號時，系統(tǒng)就會給出相應(yīng)的錯誤提示。

學(xué)生端程序的流程如圖3所示。

2.教師端的設(shè)計

對于老師來說，使用本軟件的大部分時間應(yīng)該是在課堂上與同學(xué)們互動答題時，所以教師端的設(shè)計是在總結(jié)了老師多年的教學(xué)經(jīng)驗后，提出設(shè)計方案，并與老師反復(fù)溝通后確定的。因為教師端的每一個功能都涉及到大量的對數(shù)據(jù)的操作，所以在界面簡潔、操作簡便的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該高效、準(zhǔn)確地獲取和處理數(shù)據(jù)。教師端的設(shè)計將上述各個功能模塊化，一個模塊用來實現(xiàn)一個功能，并通過總控制界面對各個模塊進行管理。

教師端的特色功能在于實時答題情況和答題結(jié)果的顯示上。當(dāng)學(xué)生作答完成后，其姓名會由黑色變成紅色，老師可以將實到人數(shù)和已答題人數(shù)進行對比，從而對答題的時間進行控制。在答題結(jié)束后，答題的結(jié)果會以柱狀圖和表格的形式給出，柱狀圖顯示整體的答案分布狀況，便于老師了解學(xué)生對某一知識點的掌握情況，有針對性地進行教學(xué)，而表格給出選擇某一選項的學(xué)生信息，便于老師的提問和與學(xué)生的交流。

教師端的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

三、智能教學(xué)評估系統(tǒng)的使用

目前，系統(tǒng)已在本科基礎(chǔ)教學(xué)和研究生教學(xué)的多門課程中進行使用測試，如“光學(xué)”，“光電子技術(shù)及其應(yīng)用”，“物理效應(yīng)及其應(yīng)用”，“傳感器原理與技術(shù)”等。

教師課堂講解知識要點，精心設(shè)計問題，設(shè)法引導(dǎo)同學(xué)開展討論，解決教學(xué)環(huán)節(jié)的難點或拓展知識。

圖3 學(xué)生端程序流程圖

圖4 教師端結(jié)構(gòu)

比如在“物理效應(yīng)及其應(yīng)用”課程中，俄歇效應(yīng)中單原子俄歇效應(yīng)與固體材料的俄歇效應(yīng)的區(qū)別在于能級與能帶俄歇電子發(fā)生的機制不同，一般為教學(xué)難點。通過設(shè)置如下問題引發(fā)學(xué)生討論。

固體材料俄歇電子是指：

A、原子內(nèi)層被激發(fā)出的電子；

B、庫倫力使外層能級向內(nèi)層空位填補的電子；

C、外層填補內(nèi)層電子多余能量激發(fā)出的電子；

D、材料導(dǎo)帶底部向光子激發(fā)的空穴移動的電子；

E、由于導(dǎo)帶電子填充內(nèi)層空穴，多余能量從導(dǎo)帶頂部激發(fā)出電子。

學(xué)生作答情況如圖5所示，答案主要集中在C和E兩個選項中。由此讓學(xué)生們講解選擇答案的理由，通過討論，搞清楚單原子俄歇電子是由原子能級激發(fā)產(chǎn)生的，而固體材料中，導(dǎo)帶底部電子躍遷至低能級，多余能量使導(dǎo)帶頂部激發(fā)出俄歇電子。該題在期末測試中出現(xiàn)時，答題正確率從不到50%明顯上升為超過80%，教學(xué)效果顯著。

此外，為了拓展學(xué)生的知識面、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，教師還選擇了許多物理學(xué)前沿話題，讓學(xué)生自主選擇感興趣的知識點進行小組討論式教學(xué)。如：物理隧道效應(yīng)、原子力顯微鏡、大型強子對撞機、諾貝爾物理學(xué)獎與傳感器技術(shù)、手機診斷癌癥等。

圖5 學(xué)生答題情況

在每門課程結(jié)束后，對同學(xué)們進行的使用效果和改進建議的調(diào)查中，大部分同學(xué)均表示課程授課形式新穎、課堂氣氛活躍、能夠啟發(fā)同學(xué)們積極地進行思考、增進了師生的互動交流等，并希望今后能夠多開設(shè)幾門類似的課程。一位同學(xué)如是說：“上課討論問題很有意思，通過答題提問和解惑來調(diào)動起同學(xué)對于這一物理問題的思考，也更加深刻的記憶了物理效應(yīng)，對于同學(xué)的思維開擴和學(xué)習(xí)水平提高很有幫助，有更多的實際例子在身邊息息相關(guān)，讓我們對物理這一門抽象的學(xué)科實體化、具體知道了未來的走向前景。”

綜上所述，這種通過互動答題來增加師生在課堂上的溝通與交流的方式，既活躍了課堂的氣氛，又鍛煉了學(xué)生解決問題能力，對于學(xué)生開擴思維和提高學(xué)習(xí)水平很有幫助。

四、結(jié)論

本項研究工作取得如下結(jié)果：

1）系統(tǒng)使用無線AP機，將老師和學(xué)生連接到一個無線局域網(wǎng)中，限定學(xué)生的作答范圍在教室附近，可顯著地提高課堂的出勤率。

2）系統(tǒng)利用學(xué)生的手機、平板電腦、筆記本電腦等無線終端作為發(fā)射端，教室的電化教學(xué)設(shè)備作為接收端，避免了其他硬件設(shè)備的投入，既節(jié)約了成本又便于系統(tǒng)的推廣使用。

3）系統(tǒng)實現(xiàn)了答題分組遴選功能，學(xué)生的身份識別、互動打分功能，教師的身份識別、答題管理、成績管理、數(shù)據(jù)管理、課程管理等功能，界面簡明、操作簡便。

這種新穎的教學(xué)方式為沉悶的課堂注入了新鮮的元素，而老師和同學(xué)們對其予以的充分支持和肯定，為該系統(tǒng)的推廣使用和研究型教學(xué)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

[1]程子陽.移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢[J].移動通信,2012,36(5):30-35.

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[5]趙繼嬌,吳春曉,馬蓮等.Clicker在課堂教學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)勢及問題[J].物理通報,2014(3):12-14,19.

[6]張萍,涂清云,周靜等.大學(xué)物理課堂互動教學(xué)模式的研究——基于“教室應(yīng)答系統(tǒng)”的構(gòu)建[J].中國大學(xué)教學(xué),2011(7):21-23.