基于B/S框架的思政交互式教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈宇，史望聰

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,1.馬克思主義學(xué)院，2.軌道交通學(xué)院， 陜西，西安 710018)

0 引言

思政課堂是培養(yǎng)學(xué)生人生觀、價(jià)值觀與社會(huì)觀的主要渠道。隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行教學(xué)已經(jīng)成為重要的教學(xué)方式,它為師生提供了專屬教學(xué)平臺(tái)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性。但現(xiàn)階段的思政教學(xué)系統(tǒng)存在一些問題，系統(tǒng)性能有待提高。

文獻(xiàn)[1]將IMT潛在理論作為基礎(chǔ)，仿制機(jī)器學(xué)習(xí)方法，創(chuàng)建交互式機(jī)器學(xué)習(xí)模型，提出整合教學(xué)環(huán)境，但系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，吞吐量較低。文獻(xiàn)[2]利用圖像處理技術(shù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情緒分類，結(jié)合線上與線下學(xué)習(xí)系統(tǒng)，提取學(xué)習(xí)行為特征，通過了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，提供個(gè)性化學(xué)習(xí)內(nèi)容，但系統(tǒng)運(yùn)用性較弱。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了基于B/S框架的思政交互式教學(xué)系統(tǒng)。即基于瀏覽器與服務(wù)器架構(gòu)的交互系統(tǒng)[3]。所有節(jié)點(diǎn)均分布在網(wǎng)絡(luò)上，通過連接與交互實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，統(tǒng)一客戶端聚集系統(tǒng)核心功能，便于系統(tǒng)開發(fā)與維護(hù)。

1 基于B/S的思政交互式教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)物理構(gòu)架與需求分析

基于B/S的思政教學(xué)系統(tǒng)必須加強(qiáng)師生交流的教學(xué)策略，師生能利用該系統(tǒng)獲取各類教學(xué)資源，可通過聊天工具實(shí)現(xiàn)師生之間和生生之間的交互。系統(tǒng)物理架構(gòu)如圖1所示。

基于交互式教學(xué)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)需具備如下功能。

(1) 可用性：所有功能便于使用，并在B/S構(gòu)架下建立交互界面[4]，使說明文件通俗易懂。

圖1 基于B/S的教學(xué)系統(tǒng)物理拓?fù)鋱D

(2) 可靠性：在長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下不會(huì)輕易發(fā)生錯(cuò)誤，同時(shí)可滿足數(shù)據(jù)備份要求。

(3) 安全性：確保系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)只能夠被擁有權(quán)限的用戶查詢，并對(duì)訪問情況進(jìn)行記錄。

(4) 易擴(kuò)展性：在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)隨之增加系統(tǒng)新的功能。因此將系統(tǒng)模塊化，預(yù)留功能接口。

(5) 可重用性：設(shè)計(jì)的程序能夠直接用在后續(xù)項(xiàng)目開發(fā)，利用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方式，具備代碼可重用性。

1.2 整體功能設(shè)計(jì)

B/S架構(gòu)下的教學(xué)系統(tǒng)主要包括學(xué)生、教師與管理員三類用戶。其中，學(xué)生擁有和上課有關(guān)的權(quán)限，包括輸入學(xué)生信息、閱讀課程簡(jiǎn)介、選課、在線聽課、作業(yè)提交、成績(jī)測(cè)試與查詢等內(nèi)容；教師則主要負(fù)責(zé)授課相關(guān)的權(quán)限與資源，包含教師信息輸入、在線授課、成績(jī)?cè)u(píng)定等；系統(tǒng)管理員的職責(zé)是維護(hù)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)課程資源管理。系統(tǒng)整體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 學(xué)生模塊

思政教學(xué)系統(tǒng)中學(xué)生模塊主要功能如圖3所示。

圖3 學(xué)生模塊功能示意圖

學(xué)生登錄賬號(hào)后能夠查看教師與課程介紹，結(jié)合介紹內(nèi)容進(jìn)行選課，下載所選課件，參與網(wǎng)絡(luò)授課[5]。在學(xué)習(xí)過程中可利用在線筆記功能，將沒有掌握的知識(shí)點(diǎn)記錄下來，在課后答疑環(huán)節(jié)向教師提出，實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)。

由于系統(tǒng)教學(xué)資源較多，學(xué)生無法選取合適的教學(xué)資源，為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)指導(dǎo)，通過向?qū)W生展示各個(gè)難度等級(jí)的知識(shí)點(diǎn)，測(cè)試學(xué)生認(rèn)知能力。假設(shè)測(cè)試結(jié)果表示為(U1,U2,…,Uj,…,Un)，其中Uj是第j道測(cè)試題的反饋值，取值是1或0，當(dāng)Uj=1代表第j道題回答正確；當(dāng)Uj=0則代表回答錯(cuò)誤。認(rèn)知情況與能力值具有的關(guān)系可通過最大似然估計(jì)表示[6]。

如果學(xué)生所有的答題過程互相獨(dú)立，則可認(rèn)為能力值測(cè)評(píng)結(jié)果只與認(rèn)知水平、題目難易程度有關(guān)。在以上假設(shè)條件下，認(rèn)知水平測(cè)評(píng)過程可表示為

(1)

由于似然估計(jì)與能力值呈正相關(guān)，因此對(duì)θ求導(dǎo)能夠得出能力值。似然函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)lnL(θ)的最大值點(diǎn)相同，相比之下獲得對(duì)數(shù)函數(shù)最大值點(diǎn)相對(duì)簡(jiǎn)單，所以對(duì)似然函數(shù)取對(duì)數(shù)獲得以下公式：

(2)

式中，Pj(θ)與Qj(θ)分別代表學(xué)生認(rèn)知水準(zhǔn)為θ時(shí)，答對(duì)或答錯(cuò)第j道題的概率，uj為教學(xué)系統(tǒng)得到的反饋值，該值為1或0。利用牛頓-拉夫遜迭代對(duì)lnL(θ)極大值求解為

(3)

假設(shè)導(dǎo)數(shù)等于0，獲得θ值。使用迭代法計(jì)算上式，則學(xué)生能力值可記作：

θk+1=θk+Δθ

(4)

綜合分析導(dǎo)數(shù)關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，函數(shù)值隨能力值的增大而增大?；谝陨线^程系統(tǒng)可完成學(xué)生認(rèn)知水平的合理測(cè)評(píng)，接下來需要對(duì)知識(shí)點(diǎn)難易程度進(jìn)行調(diào)整，使學(xué)生匹配到最適合的學(xué)習(xí)資源，提高學(xué)習(xí)效率。

教學(xué)資源難易程度共分為5個(gè)等級(jí)，利用五點(diǎn)量表不但可以方便資源管理，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)資源等級(jí)科學(xué)劃分。學(xué)習(xí)資源的初始難度：假設(shè)D={D1,D2,…,D5}表示資源難易程度，分別和不同難度等級(jí)相互對(duì)應(yīng)。D1為非常簡(jiǎn)單，值為-2；D2為簡(jiǎn)單，值為-1；D3為中等，值為0；D4為難，值為1；D5為非常難，值為2。

基于學(xué)生程度第j′號(hào)資源評(píng)價(jià)的難度表示為

(5)

式中，bj′(voting)表示學(xué)生完成評(píng)價(jià)后第j′號(hào)資源難度的加權(quán)平均值，nij′表示第j′號(hào)資源被測(cè)定為難度i的學(xué)生數(shù)，Nj′表示參加j′號(hào)資源評(píng)價(jià)的學(xué)生總數(shù)量，其表達(dá)式如下：

(6)

則學(xué)習(xí)資源難度調(diào)整過程可表示為

bj′(tuned)=w·bj′(initial)+(1-w)·bj′(voting)

(7)

式中，bj′(initial)是教師對(duì)第j′個(gè)資源的初始化難度值，bj′(voting)是學(xué)生認(rèn)為第j′個(gè)資源的平均難度值，bj(tuned)是第j′個(gè)資源難度調(diào)整后的值，w是一個(gè)可調(diào)節(jié)權(quán)重。通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的測(cè)評(píng)和資源難度的調(diào)整，建立學(xué)生與資源難度之間的銜接，進(jìn)而符合學(xué)生現(xiàn)階段認(rèn)知水平，達(dá)到教學(xué)資源自適應(yīng)目的。

1.2.2 教師模塊

教師模塊設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合課程相關(guān)功能需求設(shè)計(jì)課程介紹、教師介紹和布置作業(yè)。課程介紹分為課程選擇和教學(xué)大綱。教師介紹分為課程公告、在線學(xué)習(xí)和網(wǎng)上答疑,布置作業(yè)分為在線測(cè)試和學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)。具體功能如圖4所示。

圖4 教師模塊功能示意圖

1.2.3 管理員模塊

管理員具備系統(tǒng)的所有權(quán)限，不僅要對(duì)學(xué)生與教師賬戶進(jìn)行管理，還要對(duì)系統(tǒng)資源做合理分配與管理。管理員具備的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 管理員功能模塊示意圖

根據(jù)學(xué)生、教師具備的相關(guān)功能，該系統(tǒng)的教學(xué)資源分為作業(yè)庫、測(cè)試題庫、課件庫等[7]。管理者對(duì)課程資源可以任意修改、屏蔽與刪除，對(duì)一段時(shí)期內(nèi)無人點(diǎn)擊的資源進(jìn)行清除。

1.3 系統(tǒng)軟硬件開發(fā)

1.3.1 主要硬件設(shè)備

結(jié)合上述系統(tǒng)模塊功能，在B/S框架下該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備如表1所示。

表1 系統(tǒng)硬件設(shè)備表

1.3.2 軟件技術(shù)

交互式教學(xué)系統(tǒng)軟件屬于一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)作學(xué)習(xí)平臺(tái)，使用的是典型的B/S結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)各部分實(shí)現(xiàn)信息交換的媒介。軟件處理流程如圖6所示。

交互式教學(xué)系統(tǒng)軟件的主要特點(diǎn)為：占用較少的系統(tǒng)資源；支持各類用戶使用不同的分辨率；利用傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol，TCP)的方法點(diǎn)名，降低學(xué)生端無法響應(yīng)的可能性，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性；可同時(shí)對(duì)多個(gè)學(xué)生監(jiān)控。

此外，該系統(tǒng)利用了高性能的視頻傳輸方式，將全新動(dòng)態(tài)屏幕傳輸技術(shù)[8]和高效壓縮形式相互結(jié)合，大大減少數(shù)據(jù)傳輸量，解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸擁塞問題，同時(shí)也降低了軟件故障率。系統(tǒng)軟件部分主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖6 軟件處理流程圖

表2 軟件主要參數(shù)表

2 系統(tǒng)功能測(cè)試

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的性能，根據(jù)某高校思政課程體系對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)部署，同時(shí)搭建如下測(cè)試環(huán)境。

客戶端：操作系統(tǒng)為Windows 10，內(nèi)存為6 GB，硬盤為500 GB；

數(shù)據(jù)服務(wù)器：操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux，內(nèi)存是4 GB，硬盤是1 T；

應(yīng)用服務(wù)器：操作系統(tǒng)是Windows Server 2003，內(nèi)存為26 GB，硬盤是2 T。

應(yīng)用本文方法、文獻(xiàn)[1]方法與文獻(xiàn)[2]方法分別對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)吞吐量以及負(fù)載壓力情況進(jìn)行測(cè)試。

首先對(duì)3個(gè)待測(cè)系統(tǒng)發(fā)出70次請(qǐng)求，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間如圖7所示。

圖7 不同系統(tǒng)請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間圖

由圖7可知，本文系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間最短。這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)明確設(shè)置模塊功能，當(dāng)學(xué)生或教師發(fā)出某項(xiàng)請(qǐng)求時(shí)，可及時(shí)得到回復(fù)。滿足交互式系統(tǒng)要求，使學(xué)生與教師之間的溝通更加順暢。

由于參加思政教學(xué)的學(xué)生人數(shù)較多，當(dāng)學(xué)生同時(shí)登錄時(shí)，需滿足一定負(fù)載能力，這樣才能確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。假設(shè)學(xué)生共有100人，不同系統(tǒng)吞吐量測(cè)試情況如圖8所示。

由圖8可知，單位時(shí)間內(nèi)，本文系統(tǒng)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最多，系統(tǒng)吞吐量較高。因?yàn)楸疚耐ㄟ^對(duì)學(xué)生認(rèn)知水平的測(cè)評(píng)，個(gè)性化推薦相應(yīng)難度的資源，改善系統(tǒng)算法執(zhí)行效率，進(jìn)而提高吞吐量。

圖8 不同系統(tǒng)吞吐量測(cè)試結(jié)果

壓力測(cè)試主要檢測(cè)系統(tǒng)故障恢復(fù)能力，將系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)載條件下運(yùn)行，記錄每次故障恢復(fù)時(shí)間如表3所示。

表3 系統(tǒng)故障恢復(fù)時(shí)間表

由表3可知，本文系統(tǒng)的故障恢復(fù)時(shí)間最短，負(fù)載壓力更強(qiáng)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可在較短時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 總結(jié)

為提高交互式思政教學(xué)系統(tǒng)性能，本文在B/S框架下分別設(shè)計(jì)了系統(tǒng)模塊功能與軟硬件,完成了基于B/S框架的思政交互式教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)吞吐量，縮短了響應(yīng)時(shí)間，增加負(fù)載壓力。師生在使用后能夠有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源合理交互，打破傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)空限制。當(dāng)學(xué)生將沒有掌握的問題反饋給教師時(shí)，教師則可以通過該系統(tǒng)獲取學(xué)生反饋問題，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的解答，以此達(dá)到課后輔導(dǎo)效果,同時(shí)也促進(jìn)教師提高專業(yè)能力，只有這樣才能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代思政課堂發(fā)展需求。