基于智能移動終端的無線投票教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

鐘世芬+柳榮其+魏冬梅

摘 要：在教學(xué)中使用傳統(tǒng)電子投票系統(tǒng)存在維護(hù)成本高、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能弱等諸多局限，借助智能移動終端、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有投票系統(tǒng)模型而提出的一種無線投票教學(xué)系統(tǒng)方案將克服這些限制，使得用戶參與更方便。該方案將投票和教師授課用幻燈片結(jié)合，在幻燈片呈現(xiàn)問題時，學(xué)生在課堂上可以直接以投票方式答題，系統(tǒng)自動統(tǒng)計答題結(jié)果并呈現(xiàn)在幻燈片上，且同時記錄于數(shù)據(jù)庫中。利用該方案所設(shè)計的系統(tǒng)可節(jié)省教師大量批改作業(yè)的時間，教師也能在課堂上隨時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，以便及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。使用該系統(tǒng)將有效提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能移動終端；投票；教學(xué)系統(tǒng)；服務(wù)器；幻燈片

DOIDOI：10.11907/rjdk.172273

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0120-04

0 引言

傳統(tǒng)教學(xué)中的師生互動、知識強(qiáng)化以及教師獲取學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容掌握程度的信息，一般都通過課堂提問、課堂練習(xí)、課后作業(yè)等方式來完成。學(xué)生的掌握程度并不能準(zhǔn)確、高效、實(shí)時地在課堂上得到反饋。將無線投票系統(tǒng)的原理引入到教學(xué)中，創(chuàng)建針對教學(xué)的無線投票教學(xué)系統(tǒng)，可以將“單向-滿堂灌”為特點(diǎn)的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎趩栴}”的師生交互式和探究式教學(xué)新模式。哈佛大學(xué)物理教授Eric Mazur 在1991年提出了Peer-Instruction（簡稱PI）教學(xué)方法[1]。PI教學(xué)法通過借助計算機(jī)應(yīng)答交互系統(tǒng)（也稱投票系統(tǒng)）或選項卡片，使原來普通課堂只有少數(shù)學(xué)生回答問題變成每個學(xué)生都必須回答問題，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)成效[2-6]。

1 研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)電子投票系統(tǒng)一般包括主機(jī)、通訊主站和若干無線表決器。它可以應(yīng)用于教學(xué)[7，8]（如圖1所示），但在使用過程中存在一些限制，如需租用專用硬件設(shè)備、維護(hù)成本高、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能弱等。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)的普及，以及手機(jī)、Ipad等智能移動終端的廣泛使用，完全可以摒棄專用表決器，借助學(xué)生的手機(jī)、Ipad等智能設(shè)備來完成投票或回答問題。借助智能移動終端和投票系統(tǒng)的方案，可以實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)、更易于定制、用戶參與更方便的無線投票教學(xué)系統(tǒng)。使同學(xué)們在課堂上可以直接答題，系統(tǒng)可自動統(tǒng)計答題結(jié)果，教師不僅省去大量批改作業(yè)的時間，還能在課堂上隨時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)。

2 設(shè)計方案

無線投票教學(xué)系統(tǒng)主要包括手機(jī)App和服務(wù)器端程序。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)主要由若干智能移動終端、管理服務(wù)器端和數(shù)據(jù)服務(wù)器三部分構(gòu)成[9]（如圖2所示）。數(shù)據(jù)服務(wù)器通過防火墻與管理服務(wù)器連接，管理服務(wù)器通過無線網(wǎng)絡(luò)與智能移動終端連接。智能移動終端主要完成業(yè)務(wù)表現(xiàn)等的處理功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。管理服務(wù)器主要處理移動終端請求，并及時響應(yīng)和完成數(shù)據(jù)交換工作，是用戶登錄、退出、管理題目信息、管理用戶信息的入口，也是輸出設(shè)備連接端。數(shù)據(jù)服務(wù)器用來存儲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和用戶修改后的信息，在后臺提供服務(wù)器所需要的數(shù)據(jù)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除、修改、查詢和統(tǒng)計等功能。無線網(wǎng)絡(luò)包括互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)，可以是Internet、Mobile Network或局域網(wǎng)WiFi網(wǎng)絡(luò)。防火墻用來確保數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)安全。

管理服務(wù)器連接輸出設(shè)備，如打印機(jī)、顯示器或投影儀等。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)建模式

系統(tǒng)主要功能是借鑒手機(jī)投票方式實(shí)現(xiàn)問題回答，并在電腦端顯示。關(guān)鍵技術(shù)包括：（1）移動終端的數(shù)據(jù)提交；（2）電腦端的數(shù)據(jù)處理；（3）移動終端與電腦端數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性[10，11]。

可在普通電腦上利用Web編程技術(shù)搭建該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)投票管理、過程控制、信息顯示、結(jié)果統(tǒng)計和分析等。利用移動終端的瀏覽器或移動終端的APP進(jìn)行問題答案提交。

利用移動終端瀏覽器進(jìn)行投票，移動終端無需額外安裝其它軟件，學(xué)生參與方便，但安全性、用戶使用方便性略差；使用專用的APP軟件，移動終端需要安裝專用的APP程序，但用戶使用便捷性強(qiáng)，且便于參數(shù)預(yù)設(shè)、用戶身份驗證、數(shù)據(jù)加密等。本系統(tǒng)主要采用APP模式投票回答問題。

2.3 服務(wù)器端

服務(wù)器端由兩部分構(gòu)成，一是由管理員登錄后可以進(jìn)行增刪改查操作的網(wǎng)站，二是運(yùn)行在后臺的服務(wù)器組件。

2.3.1 服務(wù)器網(wǎng)站

構(gòu)建一個網(wǎng)站，該網(wǎng)站可由超級管理員和普通管理員兩類角色進(jìn)行管理。超級管理員可以創(chuàng)建普通管理員及管理所有數(shù)據(jù)信息，普通管理員可以管理個人及自己所上課程的信息。普通管理員登錄后能管理所承擔(dān)課程的所有題目及選項信息、學(xué)生答題信息、統(tǒng)計結(jié)果等內(nèi)容，包含新建問題及選項、修改或刪除問題及選項、導(dǎo)入學(xué)生名單、查看學(xué)生答題情況、查看統(tǒng)計結(jié)果、導(dǎo)出學(xué)生答題情況等。超級管理員登錄后除可以完成上述所有操作外，還可以添加、修改、刪除和查看管理員信息。

2.3.2 服務(wù)器組件

服務(wù)器組件在后臺運(yùn)行并接收學(xué)生的輸入，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，并最終將數(shù)據(jù)傳給PowerPoint幻燈片供演示。

2.4 智能終端APP

由于目前主流的智能終端基于兩套系統(tǒng)：Android和IOS，為便于學(xué)生安裝軟件，應(yīng)分別設(shè)計基于兩套系統(tǒng)的App軟件，方便學(xué)生在上課過程中與課件上的問題互動。

App的優(yōu)點(diǎn)是在智能終端安裝一次后，以后使用時只需點(diǎn)擊圖標(biāo)即可，具有便捷和易操作性。針對學(xué)生，無線投票教學(xué)系統(tǒng)最重要的功能是選擇并提交答案。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

當(dāng)學(xué)生進(jìn)入投票教學(xué)App時，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器先初始化服務(wù)端環(huán)境，當(dāng)數(shù)據(jù)服務(wù)器獲得移動終端的請求時返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，App獲取數(shù)據(jù)后，進(jìn)入相應(yīng)的操作界面。

App一方面通過交互界面與客戶進(jìn)行交互；另一方面與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。服務(wù)器端向客戶端提供數(shù)據(jù)接口以交換數(shù)據(jù)。endprint

2.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

由于各高校都有自己的教務(wù)及學(xué)生管理系統(tǒng)，關(guān)于學(xué)生、教師及課程的一些詳細(xì)數(shù)據(jù)可以考慮不在本系統(tǒng)中存儲，需要時教師可以結(jié)合本系統(tǒng)和已有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，利用導(dǎo)入導(dǎo)出工具在多種數(shù)據(jù)庫之間導(dǎo)入和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。但為便于管理、記錄和統(tǒng)計學(xué)生回答問題的相關(guān)信息，所有關(guān)鍵信息仍應(yīng)存儲于數(shù)據(jù)庫中，可考慮設(shè)計下列幾張表來存儲這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（1）User表

User表用來存放管理員的用戶名和密碼。含字段ID（管理員號，主鍵），User（管理員名），Password（管理員密碼），Role（權(quán)限級別）

（2）Student表

Student表用來存放學(xué)生信息。含字段StuNo（學(xué)號，主鍵），stuName（學(xué)生姓名），Password（密碼）。

（3）TeClass表

TeClass表用來存放教學(xué)班信息。含字段ClassNo（教學(xué)班編號，主鍵），teacherNo（教師編號），note（備注）。

（4）SeClass表

SeClass表用來存放學(xué)生選課信息。含字段RecNo（序號，主鍵），StuNo（學(xué)號），ClassNo（教學(xué)班編號）。

（5）Teacher表

Teacher表用來存放授課教師信息。含字段TeacherNo（教師號，主鍵），Name（教師姓名），Department（所在院系）。

（6）Course表

Course表用來存放課程信息。含字段CourseNo（課程號，主鍵），CourseName（課程名）。

（7）Question表

Question表用來存放問題信息。含字段TitleNo（題目編號，主鍵），Title（問題的題干），Number（選項個數(shù)），Level（難易程度），CourseNo（課程編號）。

（8）Options表

Options表用來存放各問題對應(yīng)的選項及正確答案。含字段RecNo（序號，唯一性索引），TitleNo（題目編號 主鍵），OptItem（選項，主鍵），OptAnswer（正確與否）。

按此方式設(shè)計，選項個數(shù)自由，既可以單項選擇也可以多項選擇。

（9）Answer表

Answer表用來存放學(xué)生投票提交的答案信息。含字段RecNo（序號，唯一性索引），StuNo（學(xué)生編號，主鍵），TitleNo（學(xué)生投票的題目編號，主鍵），StuAnswer（學(xué)生所投選項，主鍵），ClassNo（教學(xué)班編號），Result（回答正確與否）。其中StuNo、TitleNo和ClassNo都屬于外鍵，將它們設(shè)置為級聯(lián)更新與級聯(lián)刪除，方便數(shù)據(jù)的更新和刪除操作。

關(guān)于學(xué)生、教師和課程的部分?jǐn)?shù)據(jù)可以通過導(dǎo)入方式實(shí)現(xiàn)和校內(nèi)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一致。

3 PowerPoint呈現(xiàn)

將學(xué)生投票情況直接與幻燈片實(shí)現(xiàn)無縫銜接，是本系統(tǒng)與其它投票系統(tǒng)最大的差異之一，也是關(guān)鍵技術(shù)之一，可采用下列模式實(shí)現(xiàn)。

3.1 基本方法

創(chuàng)建一個利用WiFi技術(shù)的 PowerPoint 插件，該插件允許授課教師容易地添加問題幻燈片和學(xué)生投票結(jié)果幻燈片到一個已存在的PowerPoint幻燈片文件中。通過該系統(tǒng)，學(xué)生利用可上網(wǎng)設(shè)備（如電腦、智能手機(jī)等）提交反饋信息或答案。

系統(tǒng)在這一部分含兩個最基本的功能：（1）接收學(xué)生的輸入；（2）在相應(yīng)演示文檔中顯示結(jié)果。完成這兩個功能可以通過創(chuàng)建一個能處理學(xué)生反饋信息的服務(wù)器組件和一個能允許插入和顯示交互數(shù)據(jù)的PowerPoint模塊。服務(wù)器組件扮演兩個角色，Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器組件顯示一個Web頁面來回應(yīng)任何一個可上網(wǎng)設(shè)備的訪問。每個智能設(shè)備被賦予一個唯一標(biāo)識；當(dāng)學(xué)生選擇一個選項，選項和學(xué)生標(biāo)識將存儲到數(shù)據(jù)庫中。在演示過程中，服務(wù)器組件將學(xué)生提交的答案數(shù)據(jù)形成一張統(tǒng)計圖并顯示在教師選擇的幻燈片中。

在幻燈片中嵌入并顯示學(xué)生的回饋信息這項功能可通過使用VBA（Visual Basic for Applications）增加和擴(kuò)展微軟應(yīng)用程序功能。VBA允許創(chuàng)建插件來定制PowerPoint的功能、菜單和工具欄。添加交互功能到PowerPoint幻燈片中可通過下面步驟完成。

（1）教師創(chuàng)建一個新幻燈片或移到一個已存在的幻燈片，該幻燈片包含要向?qū)W生提出的問題。

（2）教師從插入菜單選擇“插入統(tǒng)計圖”。出現(xiàn)一個逐步幫助教師插入一個統(tǒng)計圖來顯示回答問題的結(jié)果的向?qū)А?/p>

（3）教師跟隨向?qū)е械闹噶钪鸩蕉ㄖ凭唧w內(nèi)容及要顯示的統(tǒng)計圖。

完成操作后，在問題幻燈片的右下角出現(xiàn)一個計數(shù)器占位符，然后添加一張用來顯示統(tǒng)計圖的新幻燈片。在編輯過程中，顯示數(shù)據(jù)的位置以占位符形式出現(xiàn)，無具體數(shù)據(jù)顯示。

3.2 運(yùn)行服務(wù)器

服務(wù)器組件充當(dāng)嵌入式專用Web服務(wù)器，并對其進(jìn)行初步檢查，以驗證其與其它設(shè)備的通信能力。通信正常，則服務(wù)器圖標(biāo)變成綠色，否則顯示成紅色，以示準(zhǔn)備收集和傳遞數(shù)據(jù)到PowerPoint演示文稿。一旦服務(wù)器被激活，進(jìn)入了服務(wù)器地址的智能終端上的App所顯示的頁面上將顯示輸入界面。只有在演示過程中，當(dāng)某一展示問題的幻燈片被顯示時，學(xué)生所回答的問題才被記錄。服務(wù)器圖標(biāo)顯示為綠色時，交互式演示文稿才可以啟動。

3.3 幻燈片演示

一旦服務(wù)器組件運(yùn)行，PowerPoint演示文稿可以按正常方式演示。當(dāng)顯示到呈現(xiàn)問題的幻燈片時教師可以發(fā)布問題并要求學(xué)生輸入他們的回答（如圖4所示）。計數(shù)器實(shí)時顯示回答問題的學(xué)生人數(shù)，人數(shù)符合要求時，教師顯示下一頁幻燈片，該幻燈片以圖形方式顯示學(xué)生的回答情況（如圖5所示）。endprint

學(xué)生回答問題的數(shù)據(jù)可以存進(jìn)數(shù)據(jù)庫以供分析。服務(wù)器組件還可以在演示結(jié)束后將問題及學(xué)生投票提交的答案生成一個Excel電子表格，并將文件保存到指定文件夾中。

4 結(jié)語

基于智能移動終端的無線投票教學(xué)系統(tǒng)將客戶端與電腦通過局域網(wǎng)或Internet連接。移動端為客戶端，電腦端為服務(wù)器端，在手機(jī)或IPad等智能移動終端連接上服務(wù)器后，服務(wù)器端播放的幻燈片呈現(xiàn)問題選項時，學(xué)生可以直接在上網(wǎng)設(shè)備上通過投票方式提交答案，所提交答案的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以統(tǒng)計圖方式顯示在下一頁幻燈片，教師可以第一時間了解學(xué)生對該知識的掌握情況并及時調(diào)整教學(xué)計劃。所呈現(xiàn)的問題及學(xué)生提交的答案信息同步保存在數(shù)據(jù)庫中，以便管理員或教師作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，學(xué)生也可以在課后通過復(fù)習(xí)問題而進(jìn)一步掌握知識。利用此方案所設(shè)計的系統(tǒng)，能在一定程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

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