基于Node.js的課堂應(yīng)答系統(tǒng)研究

孟凡彬

摘要：通過(guò)對(duì)目前常用的三種課堂應(yīng)答系統(tǒng)的研究，分析了三者的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，給出了基于Node.js的課堂應(yīng)答系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。根據(jù)實(shí)際的使用效果來(lái)看，當(dāng)前系統(tǒng)在易用性、部署成本、學(xué)生認(rèn)可度上都超過(guò)了目前主流的其他應(yīng)答系統(tǒng)。另外經(jīng)過(guò)對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，使用本系統(tǒng)確實(shí)對(duì)提升學(xué)生的課堂參與度、課程興趣以及學(xué)業(yè)成績(jī)都有較好的效果。

關(guān)鍵詞：高校合堂；應(yīng)答系統(tǒng)；Node.js

中圖分類號(hào)：TP315.69 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）29-0058-02

Abstract：Through the study of three commonly used classroom response systems， this paper analyzes the characteristics and problems of these three classes， and gives the design scheme and implementation details of the classroom response system Based on Node.js. According to the actual use effect， the current system in the ease of use， deployment costs， student recognition are more than the current mainstream of other systems. In addition， through the comparative test， we find that using this system really has a good effect on promoting students' participation in class， interest in curriculum and academic achievement.

Key words：response system；Node.js

1 概述

受到國(guó)家高校擴(kuò)招政策的影響，現(xiàn)在越來(lái)越多的大學(xué)都面臨一個(gè)非常嚴(yán)峻的問(wèn)題：學(xué)生數(shù)量增長(zhǎng)速度大于了課程教師以及相應(yīng)教學(xué)資源的匹配速度。基于這個(gè)客觀的原因，目前高校的部分課程，尤其是公共課，都會(huì)采用合堂的教學(xué)形式。目前關(guān)于高校合堂帶來(lái)的問(wèn)題及其相關(guān)對(duì)策的研究已經(jīng)有很多[1-2]，其中合堂最大的問(wèn)題在于上課學(xué)生數(shù)量大、學(xué)科背景復(fù)雜、課堂的互動(dòng)性較難實(shí)現(xiàn)，且上課教師很難及時(shí)的關(guān)注到對(duì)于所授知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，不能及時(shí)有效的調(diào)整上課進(jìn)度和思路，只能按照一個(gè)教學(xué)速度進(jìn)行下去。這樣就會(huì)使得跟不上學(xué)習(xí)進(jìn)度的學(xué)生越來(lái)越跟不上，如此下去就形成了一個(gè)惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致了厭學(xué)、逃課現(xiàn)象的出現(xiàn)。所以掌握課堂，尤其是合堂時(shí)，參與學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)進(jìn)度是提高教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)非常關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，使用“教室應(yīng)答系統(tǒng)”（CRS，Classroom Response Systems），輔助設(shè)計(jì)課堂教學(xué)的互動(dòng)模式，可以在一定程度上改變課上信息單向講授、缺乏有效互動(dòng)的問(wèn)題。

2 課堂應(yīng)答系統(tǒng)

課堂應(yīng)答系統(tǒng)是為在課堂上能及時(shí)獲取學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的掌握程度以及方便參與課堂互動(dòng)的系統(tǒng)。其基本的邏輯結(jié)構(gòu)為：

目前常見(jiàn)的應(yīng)答系統(tǒng)主要分為三類：基于硬件的[3]、基于軟件C/S結(jié)構(gòu)的[4]以及基于軟件B/S結(jié)構(gòu)的[5]。這三類系統(tǒng)的最顯著區(qū)別在與學(xué)生終端的實(shí)現(xiàn)方式上。

1） 基于硬件實(shí)現(xiàn)的應(yīng)答系統(tǒng)

這是目前研究最為深入也是投入教學(xué)使用最早的應(yīng)答系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是學(xué)生終端是實(shí)物的電子設(shè)備。但是由于電子設(shè)備容易出現(xiàn)一些非預(yù)期的硬件錯(cuò)誤以及其功能拓展的局限性和使用的不便捷性，調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生群體對(duì)其認(rèn)可度偏低的，且后期的維護(hù)成本較高。

2） 基于軟件C/S結(jié)構(gòu)的課堂應(yīng)答系統(tǒng)

本類系統(tǒng)出現(xiàn)在上述種類之后，在使用時(shí)需要在相應(yīng)的設(shè)備上安裝上客戶端實(shí)現(xiàn)，目前主流的是基于電腦和手機(jī)端的，經(jīng)過(guò)對(duì)2015和2016兩個(gè)年級(jí)的大學(xué)物理公共課程學(xué)生調(diào)查發(fā)現(xiàn)，手機(jī)和手提電腦的擁有率為99%和31%。可以發(fā)現(xiàn)若使用電腦的客戶端，會(huì)存在三個(gè)問(wèn)題：1.電腦攜帶與存放管理不方便、2.電腦的電池不能支撐全天課程的學(xué)習(xí)且教室的插座數(shù)量不走、3.電腦的數(shù)量不足，上述問(wèn)題大大制約了電腦客戶端在課堂的使用。當(dāng)然使用基于手機(jī)的客戶端會(huì)時(shí)上述問(wèn)題得到改善，但由于學(xué)生手機(jī)型號(hào)的差異性，相關(guān)客戶端的前期開(kāi)發(fā)和后期維護(hù)都較為復(fù)雜和困難，另一方面由于軟件的版權(quán)問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致本類系統(tǒng)部署成本過(guò)高。

3） 基于軟件B/S結(jié)構(gòu)的應(yīng)答系統(tǒng)

近些年發(fā)展起來(lái)的新型課堂應(yīng)答系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)形式，它可以通過(guò)Web頁(yè)面進(jìn)行方便的訪問(wèn)。但目前使用較多的此類系統(tǒng)都需要將數(shù)據(jù)傳送到其他企業(yè)的Web服務(wù)器上進(jìn)行處理、反饋和保存。這樣就會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題：① 課堂應(yīng)答的實(shí)效性很差，尤其是在較大的圖片傳輸時(shí)，教師無(wú)法及時(shí)地獲取到學(xué)生的信息；② 所有的教學(xué)數(shù)據(jù)都保存在其他企業(yè)的服務(wù)器上對(duì)于學(xué)校構(gòu)建自己的教學(xué)平臺(tái)、積累自己的知識(shí)庫(kù)是不利的。這些問(wèn)題大大制約了此類系統(tǒng)的適用性，另外此類系統(tǒng)需要連接互聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生可能會(huì)利用互聯(lián)網(wǎng)連接進(jìn)行其他的非正?；顒?dòng)，如觀看視頻、玩游戲等，也是因?yàn)檫@個(gè)原因很多大學(xué)在進(jìn)行信息化建設(shè)時(shí)會(huì)特意隔離教室的網(wǎng)絡(luò)，所以上述的需要連接到其他企業(yè)服務(wù)器的系統(tǒng)會(huì)受到限制。另外本類系統(tǒng)同樣也可能會(huì)存在版權(quán)導(dǎo)致的部署費(fèi)用過(guò)高問(wèn)題。

基于上述的分析，本文提出了一種可以適用于局域網(wǎng)的、易于維護(hù)和拓展功能的、便于部署的基于Node.js的課堂應(yīng)答系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。

3 系統(tǒng)的主要技術(shù)

本系統(tǒng)的教室局域網(wǎng)服務(wù)器是基于Node.js開(kāi)發(fā)的，教室服務(wù)器可以將數(shù)據(jù)保存到文件或者同步到校級(jí)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。Node.js是基于Chrome JavaScript運(yùn)行時(shí)建立的程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以方便、快速地搭建易于擴(kuò)展的事件驅(qū)動(dòng)的高效支持并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，非常適合開(kāi)發(fā)高實(shí)時(shí)性的交互應(yīng)用。endprint

為了便于控制以及減輕主服務(wù)器的壓力，我們采用了兩級(jí)服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，下圖即為分層服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

通過(guò)使用分層的服務(wù)器結(jié)構(gòu)，可以在教室里的局域網(wǎng)服務(wù)器端處理非重要但是重復(fù)性較高的任務(wù)，校級(jí)服務(wù)器僅進(jìn)行重要數(shù)據(jù)的保存及處理工作或者教室服務(wù)器無(wú)法完成的處理任務(wù)，以減輕其工作壓力。這樣的設(shè)計(jì)還可以通過(guò)教室的局域網(wǎng)服務(wù)器方便地控制學(xué)生手機(jī)端是否可以訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)然學(xué)生仍然可以在課堂之外通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到校級(jí)的廣域網(wǎng)服務(wù)器，查詢自己的課堂表現(xiàn)情況，參與答題和提問(wèn)等相關(guān)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

本文主要介紹的是教室局域網(wǎng)服務(wù)器的設(shè)計(jì)，其主要的模塊按照功能可以劃分為三大部分：1.輸入單元：接受從學(xué)生客戶端發(fā)來(lái)的請(qǐng)求信息、教師的操作指令以及來(lái)自校級(jí)服務(wù)器的指令信息；2.處理單元：分析采集來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理或者與校級(jí)服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步操作；3.輸出單元：用于展示的PPT、投影系統(tǒng)以及Web頁(yè)面。Web頁(yè)面是基于HTML5開(kāi)發(fā)的自適應(yīng)頁(yè)面。

4 教室局域網(wǎng)服務(wù)器的關(guān)鍵模塊介紹

1） 登錄認(rèn)證與賬號(hào)管理模塊

僅需要提供學(xué)生的學(xué)號(hào)即可完成登錄認(rèn)證，并處理登錄與退出以及賬號(hào)信息查詢與管理的相關(guān)事務(wù)。

2） 文本與指令消息傳遞模塊

本模塊主要是傳遞文本信息的內(nèi)容、表情代碼、學(xué)生發(fā)出的服務(wù)請(qǐng)求指令及教師發(fā)出相關(guān)的指令。同時(shí)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與校級(jí)服務(wù)器通信或者將課堂上的上課數(shù)據(jù)保存為數(shù)據(jù)文件，再將數(shù)據(jù)文件上傳到服務(wù)器，進(jìn)行重要數(shù)據(jù)的同步與更新。

3） 外部接口模塊

通過(guò)服務(wù)器端的處理，以及提供的接口與其他的程序，比如考試系統(tǒng)、教務(wù)系統(tǒng)，進(jìn)行交互，可以進(jìn)一步拓展系統(tǒng)的功能。同時(shí)將相應(yīng)的結(jié)果與通知以PPT或其他的顯示設(shè)備展示出來(lái)，下面展示了在課堂使用時(shí)的效果圖。

4） 圖片傳輸模塊

圖片由于其數(shù)據(jù)量一般較大，在傳輸時(shí)容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失以及傳輸速率限制時(shí)效性較差的問(wèn)題，這也是我們采用局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的重要原因。傳輸時(shí)在JavaScript代碼中使用FileReader來(lái)將圖片讀取為base64格式的字符串，然后以字符串的形式進(jìn)行發(fā)送。最后將此字符串推送到學(xué)生手機(jī)的Web頁(yè)面，而此base64格式的圖片直接可以直接指定為圖片的src參數(shù)，這樣就可以將圖片展示出來(lái)了。

下面展示了Web頁(yè)面中讀取文件的關(guān)鍵代碼。

document.getElementById（'sendPic'）.addEventListener（'change'， function（） {

if （this.files.length ！= 0） {

var PicFile = this.files[0]，

PicReader = new FileReader（）；

if （！PicReader） {

that._displayNewMsg（'system'， '你的瀏覽器不支持本操作！'， 'red'）；

this.value = ''；

return；

}；

PicReader.onload = function（e） {

this.value = ''；

that.socket.emit（'img'， e.target.result）；

that._displayImage（UserName， e.target.result）；

}；

PicReader.readAsDataURL（PicFile）；

}；

}， false）；

服務(wù)器端的關(guān)鍵處理代碼為：

socket.on（'img'， function（imgData） {socket.broadcast.emit（'newImg'， socket.UserName， imgData）； }）；

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)可以較好地滿足當(dāng)前課堂的教學(xué)需要，且在易用性、學(xué)生的認(rèn)可度、部署簡(jiǎn)便性以及拓展性方便都較之前的系統(tǒng)均有較大提升，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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