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集成课堂互动教学系统设计与实现
摘要 基于无线网络，利用手机、平板电脑、计算机等设备构建了课堂互动教学系统，实时记录和跟踪课堂教学情况，改进课堂互动手段，提高课堂教学的交互效率。提供手机短信、微信、手机浏览器等多种访问方式；集成课堂点名、课堂应答、授课实时反馈、统计分析、课堂教学展示等功能；构建多维课堂教学评价指标实现教学效果评价。
关键词：课堂互动教学；教学系统；课堂点名；课堂应答；教学评价
引言
课堂是开展教学活动的主要场所，课堂教学质量对高校实现培养人才的目标有重要的影响。分析当前课堂教学现状后，发现还存在如下问题：①大课教学中维护课堂纪律比较困难，主要涉及学生的出勤率。教师点名占据较长的时间，减少了有效课堂教学时间。②参与课堂互动的学生数偏少。有限的课堂教学时间内，教师不能关注到每个学生，不利于改进课堂教学效果。③课堂教学使用 PPT 课件后，某种程度上削弱了课堂教学的演化过程。很多情况下需要借助黑板演示推导过程，但是这些过程不能保存下来。
针对课堂教学中存在的问题，一些研究者设计出了一些课堂点名系统[1]和应答系统[2-4]。本文作者[5]利用能够收发短信的 Android 平板电脑设计了一个课堂互动系统，集成了课堂点名和应答功能。通过实践发现，仅使用短信技术实现课堂点名与应答，吞吐量小、效率低、准确率不高。
为了解决这些问题，作者继续深入研究，设计了一套集成课堂互动教学系统。集成了手机短信、微信、手机浏览器等访问方式；集成课堂点名、课堂应答、授课实时反馈、课堂教学展示、综合统计分析、教学评价等功能模块为一体；从出勤率、课堂应答效果、授课实时反馈等多个维度评价课堂教学效果。
一、业务分析与功能设计
1、业务分析
集成课堂互动教学系统主要设计目标是优化课堂互动教学手段，实现课堂互动教学过程记录、课堂教学评价，提高学生的课堂参与度和学习积极性，最终提高课堂教学质量。
对课堂互动教学系统的需求进行分析，主要包含：
（1）能够适应不同的教学网络环境，提供短信、微信、手机浏览器等访问方式。（2）能够实时准确的收集学生出勤数据，实现快速、准确的出勤考核。（3）提供课堂应答功能，准确收集学生对教师提问的反馈信息。
（4）进行课堂教学评价，便于教师掌握学生学习动态，优化教学内容，革新教学方法。
（5）利用平板电脑便携、书写方便等特点，提供课堂教学板书新途径，记录课堂教学过程。
2、系统功能设计（1）课堂点名子系统
实现学生的点名签到管理。点名时，首先由教师把系统设置为课堂点名模式。根据当前时间生成一个两位随机数展示给学生，学生把两位随机数和自己的手机号（或者学号）进行简单的加法运算，产生的结果作为令牌发送到系统。系统通过三码验证确定学生是否签到成功，即发送短信的手机号、令牌、系统中登记的学生手机号。如果学生使用大屏智能手机，可以用微信代替短信。如果使用手机浏览器访问系统，进入点名签到 Web 界面，输入运算后的令牌，提交就可以了。另外，可设置课堂点名时限，一般为 2~3 分钟，学生必须在规定时间内提交信息；否则，视为迟到或者缺勤。
从数据接收速度和吞吐量两个指标衡量，手机浏览器访问 Web 界面性能最好，其次是微信、短信。大部分学生使用手机浏览器、微信等方式，速度快、又节省费用；少部分学生使用短信。（2）课堂应答子系统
该子系统主要实现师生课堂即兴问答互动、课堂在线测试，准确收集学生对教师提问的反馈信息等功能。在应答模式下划分多个问题模式：
模式 1：教师即兴提问模式。在此模式下，由教师提出问题，学生把答案发送给系统，系统自动判断是否正确。支持单选题、多选题、填空题和程序阅读题。模式 2：微试卷模式。此模式下，由教师组织多道题目形成一个微试卷，在课堂上进行测试。
模式 3：开放问题模式。该模式用于没有固定答案的开放提问，将学生的回答进行分类汇总。
模式 4：学生提问模式。此模式下，学生可以把问题发送给教师，由教师一一回答。
上述各种模式，都可以使用“课堂教学展示”子系统把师生交互结果显示在大屏幕上。教师可以对学生进行分组，问题模式以分组方式工作，学生以组为单位回答问题。
（3）授课实时反馈子系统 授课实时反馈模式下，教师与学生没有进行直接问答。讲课过程中，学生把听不懂的知识点、疑问等信息发给教师，教师讲课中止时，根据学生反馈的信息进行补充讲解。
（4）课堂教学展示子系统
在平板电脑上实现电子板书功能。平板电脑手写、批注方便，教师可以在平板电脑上进行书写代替黑板上的推导过程，这些过程记录可以作为图像保存下来，传输到教室 PC 并投影到大屏幕。教师可以在平板上播放 PPT，传输到教室 PC；也可以远程控制教室 PC 上的 PPT 播放。（5）综合统计分析子系统
主要对前面四个子系统收集的数据和测试结果进行统计分析，为教学评价提供多个维度的指标；深入掌握学生的学习动态，做到个性化教学。①统计出勤率，掌握每个学生的到课情况。②统计学生的应答参与率、正确率、知识点掌握程度等，并进行趋势分析。③对实时反馈进行统计分析。（6）教学评价子系统
利用统计分析结果数据，结合课堂教学评价体系和指标，一方面对学生的学习效果进行评价；另一方面对教师的教学效果进行评价。效果划分为 1~10 个等级。（7）系统管理子系统
提供系统正常运行需要的数据维护和辅助功能。如课程管理、教学班管理、试题管理、学生基本信息维护等。
二、系统架构设计
1、物理架构设计 本系统的物理架构如图 1 所示，有两部分组成。一部分是学生端使用的手机；另一部分是教师端使用的平板电脑、Web 服务器、教室 PC 和教室投影仪等。
2、软件架构设计
本系统通过三个独立执行、相互协作的子软件完成所有功能：WebInteract、PadInteract 和ReceiverServer。WebInteract 软件运行在 Web 服务器上，为使用微信、手机浏览器访问系统的师生提供服务。PadInteract 运行在平板电脑上为使用短信的学生提供服务。ReceiverServer 运行在教室 PC 上，接受 PadInteract 发送来的图像数据并显示在投影仪大屏幕上。每个子软件由一些功能模块组成，软件架构与模块如图 2 所示。
WebInteract 子软件的结构划分为：接口层、业务层和数据访问层。接口层包括两个模块：微信收发模块负责把收到的微信传递给业务调度模块；Web 接口模块提供师生访问系统所需的 Web页面，把提交的数据传递给业务调度模块。业务层包括业务调度模块和具体的业务功能模块。业务调度模块负责根据当前工作模式，调度执行相应的业务模块。数据访问层为各业务模块提供读写数据库的功能。
PadInteract 子软件的结构、模块与 WebInteract 类似。课堂教学展示模块的一个进程在后台执行，负责把平板电脑的当前屏幕发送到 ReceiverServer 软件；另一个进程前台执行，提供操作界面远程控制教室 PC 上的 PPT 播放。ReceiverServer 子软件作为一个服务进程运行在教室 PC 上。数据收发模块负责接收指令和图像数据；显示控制模块执行指令、把接受到的图像显示在屏幕上。
3、系统工作方式（1）独立工作方式
WebInteract 与 PadInteract 子软件可以分别独立工作。PadInteract 独立工作时，只支持手机短信访问方式。适应场所比较广泛，适合小班教学、野外教学使用。
WebInteract 独立工作时，师生可以使用手机浏览器访问本系统的所有业务功能。交互界面友好、时延短、吞吐量大、支持用户多，适合大班教学。（2）协同工作方式
WebInteract 子软件作为主体全功能运行，PadInteract 子软件主要完成收发短信的功能，传递给 WebInteract 的 Web 接口模块。此工作方式集成了两种独立工作方式的优点，支持的并发用户数高、时延短，能够适应不同的网络环境。
三、软件实现
WebInteract 使用 Java SE 7 为运行平台，按照图 2 所示三层架构进行实现。接口层使用 JSP、Servlet、HTML5 和 AJAX 等技术。微信收发模块连接微信公众账号和本系统。业务调度模块使用 Facade 设计模式[6]把所有具体业务模块封装成统一的接口，为接口层的 Servlet 服务。数据访问层使用 DAO 设计模式封装了所有对数据库的访问操作，供业务层调用。
PadInteract 软件使用 Android 4.1 作为基本运行平台，每个层次的功能与 WebInteract 类似。短信收发模块直接使用 Android SDK 提供的 API 实现。协同工作时，把短信数据封装成 JSON 格式，传输到 WebInteract 软件。教学展示模块在后台完成屏幕截图，截图前先获取 Root 权限，然后从 Android 平台底层 Linux内核的 FrameBuffer 读取数据，将 FrameBuffer 的内容写入到内存图片文件中。
ReceiverServer 软件作为一个系统托盘程序执行，其绝大部分代码使用 Java 技术开发，少部分发送键盘、鼠标消息的代码调用 User32.dll 中封装的 Windows API 完成。
四、课堂应用与教学评价 本文设计的系统首先在“Java 程序设计”课堂中进行了应用，约 90 人组成一个教学班。使用本系统后，学生对参与课堂互动表现出了极大的积极性。不仅可以回答教师提出的各种问题，而且能表达自己独特的见解和新颖的想法。
1、课堂应答流程示例
课堂应答业务流程包含学生、教师两种访问角色，划分为三种类型 12 个活动，如图 3 所示。设置时间限制后，如果时限内未主动提交，则由系统自动提交。对于符合问题模式 1 和 2 的微试卷，系统可以自动改卷。统计分析环节从四个维度进行：
（1）试卷统计，统计每次应答参与人数、及格率、分数段分布。
（2）试题统计，统计每个试题的正确与错误人数，计算试题难度，常见错误答案。
（3）学生统计，按照时间顺序统计每次应答的参与度、分数、知识点的掌握情况。
（4）知识点分析，根据每次应答结果，从全体学生角度，分析每个知识点的掌握情况。
2、教学评价
本系统以教学过程产生的具体数据为依据，对教师的授课效果、学生的听课效果进行及时评价，流程如图 4 所示。统计分析模块在原始数据的基础上产生评价指标；教学评价模块对评价指标进行分类，为每个指标赋予一定的权重，综合计算后产生评价结果。评价结果取值范围为 1~10；10 为最好，1 为最差。
评价指标包含：学生出勤率、课堂应答参与度、分数等级、试题总分等级、学生按知识点分类分数、疑难反馈效果等。评价结果包含总体效果、知识点分类效果、效果时间变化趋势等。
五、总结本文设计了一套集成课堂互动教学系统综合解决当前课堂互动教学中存在的问题。本系统集成了点名签到、课堂应答、授课实时反馈、教学展示等业务功能，提供了丰富的互动教学手段；并且能够利用本系统记录的互动教学过程数据，进行统计分析，形成课堂教学评价指标，实现课堂授课效果、学习效果双评价。有利于教师改善教学内容、教学方法，提高教学质量。集成了手机短信、微信、手机浏览器等访问方式，支持多种工作方式和业务模式，能够适应不同的教学网络环境。
实际课堂应用验证了本系统改进课堂互动教学效果的有效性和实用性，调动了学生的学习积极性；在广大学生的积极参与下，本系统在进行持续的完善和改进。
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