文／陈玉红 陈俊杰 陈群 罗浩 胡知退 周娟 黄岚
摘要：以教师单向讲授为主的传统高校教学模式普遍存在教学互动不足、教师难以及时掌握学生学习情况等问题。针对这些问题，提出开发基于移动平台的实时互动反馈系统GoCourse应用，通过实时随堂测验和人脸签到等功能，丰富师生互动，激发学生学习积极性。通过实时统计与反馈学生学习情况，促进学习过程中的形成性评价，使教师能及时调整教学方案，提升教学效果，实现因材施教的个性化教学。
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关键词 ：移动教育技术；互动反馈系统；无线教学反馈系统；大数据；
将智能信息处理技术融入传统教育教学领域，实现传统教育方式的变革，是近年来业界和研究界最为关注的热点之一。我国的高校课堂以大班教学和教师单向讲授为主，这种教学模式存在学生被动接受知识、教学互动不足、教师难以及时掌握学生学习情况等弊端，导致学生在课堂学习过程中积极性低、学习动力难以维持。另一方面，诸如课堂提问和课后作业的传统教学反馈机制缺少普遍性和实时性[1]。
针对这些问题，我们提出开发基于移动平台的课堂教学实时反馈系统GoCourse应用，通过设计随堂测验、人脸签到、课程评价等功能，丰富课堂教学过程中及课外的师生互动，激发学生的学习积极性和课堂参与欲望，提升教学效果。同时，通过实时测验，教师能获得基于学生全体的学习情况统计信息，进而有针对性的设计和动态调整教学方案，实现个性化教学。在数据变得日益重要的今天，通过GoCourse应用能采集到与教学活动直接相关的一线数据，比如学生出勤率、平时成绩、课程评价等，为教学活动管理与教学质量评估提供宝贵的辅助信息。
1、国内外研究现状
本文提出的GoCourse应用属于互动反馈系统IRS(InteractiveResponse System)[1]或无线教学反馈系统WCRS(WirelessClassroom Teaching Response System)[2]的一种。这些反馈系统通过手持电子终端采集反馈信息，在欧美、日韩、新加坡、马来西亚等国家和地区已广泛部署，应用的学校包括中小学、高等院校和培训机构，其教学效果已经得到教育界的普遍认同。庄君明和贺志强从技术优势、改善教学、评价多元化、促进学习四方面总结了此类系统的优势[1]。近年出现的大规模在线开放教育(Massive Online Open Courses，MOOC)课程中也广泛采用了类似的反馈机制，比如在教学视频中嵌入互动式随堂测验，学习者只有通过测验才能继续播放视频，促使学习者掌握所学内容。
传统IRS和WCRS需要额外配置设备和软件系统，部署开销大、用户学习代价大。随着智能手机的普及，开发基于手机的互动反馈系统将具有用户熟悉、部署代价小、易于普及和推广等优点。2014年5月，Google推出了教育套件Classroom，帮助老师在课堂上布置任务并收集实时反馈[3]。无独有偶，美国公司TopHat从服务课堂小测验拓展至服务大学老师课堂管理和个性化教学，于2014年5月获得超千万美元的融资[4]。在TopHatMonocle系统中，老师可通过系统在课堂上进行投票调查、随堂小测试、交互式演示等一系列动作，而学生则用自己手上的智能机、功能机、笔记本、平板等智能移动设备参与这些教学互动。学生在每一次互动中的表现都会被有效记录和统计，让学生能看到自己是否有进步，让教师能看到自己的课上得如何。
在国内，自我国2000年开始引入该类系统以来，一些高校和公司也注意到此类系统的前景，纷纷推出了自己的应用，出现了北京卓翔科技的乐佰特系统，杭州益思科技的益思系统[5]等。许多大学也以自主开发或者合作开发的方式推出了一些相关应用，比如华南农业大学开发了供师生沟通的移动应用[6]，四川大学华西临床医学院试运行了移动课堂教学与评估软件[7]。由此可见，国内教育界和产业界对此类移动教育技术的关注正日益增长，移动教育技术变革传统课堂的潜力巨大。然而，目前的IRS系统大多需要安装特定硬件设备，市场上仍缺乏开放式的通用应用。本文提出的GoCourse应用旨在构建基于当前普适移动设备的开放式通用教学互动反馈系统。
2、GoCourse应用的体系结构
GoCourse系统由一个Web服务端和移动终端组成，教师和学生都通过向服务器发送HTTP请求实现交互，如图1所示。
移动终端可以是Android、iOS或者Web端。Web服务端部署Tomcat服务器、MySQL数据库，实现系统的业务逻辑，响应前端请求，存储和操纵数据库中数据等。同时，服务端还可以根据需要向移动终端发送通知消息。
3、GoCourse应用的功能设计
GoCourse应用的功能主要分为六个部分：课程管理、用户管理、随堂测验、课程签到、课程评价、系统设置，如图2所示。系统共有三种角色：学生、教师和系统管理员。GoCourse底层采用MySQL数据库，JavaEE服务端、Json数据交换格式、OpenCV图像处理算法库。系统采用MVC架构和面向对象的方法进行设计和实现，以实现可扩展的体系架构。
3.1 课程管理、用户管理和系统功能
系统的基础功能有三部分：课程管理、用户管理和系统设置。在课程管理模块中，教师和系统管理员可以添加、删除和修改课程，学生可以添加和删除选课。在用户管理模块中，功能可以分为面向机构和面向公众两种模式。前者只允许添加特定用户，比如某学校的教师和学生；后者允许任意用户注册为系统用户，更开放更灵活。在系统设置中，管理员可以配置若干系统参数，比如限定服务对象为特定机构，设定教学参数如学期起始时间，还可以通过数据管理功能导出教学相关数据，供教学质量评估使用等。
3.2 随堂测验
随堂测验是GoCourse应用的重点功能，也是目前移动教育技术关注的热点之一。在欧美盛行已久的电子答题设备和教学反馈系统中，电子化随堂测验也是其主要功能之一。利用智能终端执行随堂测验能够迅速反馈教学效果，解决了作业等传统教学反馈方式时延长的问题。同时，每个学生都能参与测验，这比通过提问进行教学互动的方式更能吸引学生的注意力，且获得的学情信息更加全面。因此，Google的Classroom软件和TopHat的Monocle系统中均设置了随堂测验的功能模块。
随堂测验分为三个阶段。首先，教师在课前录入测验。
录入方式可以分为两种：手工录入或者从云端题库中获得课程的测验题目。其次，教师在教学过程中发布测验，学生执行测验。然后，测验结果实时反馈到教师端，并进行统计。通过这三个步骤，教师即可实时掌握学生对所讲授知识的接受程度。
对答题情况的统计分析有助于教师更好的掌控当下的教学节奏，还可以指导教师针对学情动态调整接下来的教学活动，比如对重难点进行答疑解难，增删改教学内容等，既提高教学效率，提升教学质量，还促进个性化人才培养。随堂测验不仅能改善教学质量，还能有效激活课堂互动，这在类似系统的应用中已得到验证，特别是能提升学生的注意力、课堂参与度、出勤率，促进小组讨论、发散思维、培养创造力[1]。
3.3 课程签到
统计出勤是高校教学活动的重要环节。传统的点名和签到方式存在耗时长、效率低等问题。针对这些问题，近年来也出现了一些辅助教学的点名方式，比如利用社交网站的圈人功能分析照片签到、利用投票器签到、利用蓝牙连接设备签到等等。与现有系统不同的是，GoCourse将使用基于人脸识别和地理位置信息的签到算法。
基于地理位置信息的定位方法通常分为三种：基于gps的定位方式、基站定位和基于Wifi的定位方式。基于GPS的定位方式是利用手机上的GPS定位模块将手机当前的位置信号发送到定位后台实现手机定位。基站定位则是通过测算基站对手机的距离来确定手机位置的，因此不需要手机具有GPS定位能力。基于Wifi的定位方式常用于室内定位，适用范围较小且要求配置Wifi设备。GoCourse应用对地理定位的要求可以归纳为：准确度较高且适用范围广，可用于较多前端设备。通过前期实验，基站定位的方式比较适合GoCourse类应用的需求，拟采用这种方式获取地理位置信息。人脸识别主要用于签到身份验证，可分为人脸建模、人脸检测和人脸匹配三个步骤，计划采用OpenCV结合移动端编程实现。
3.4 课程评价
学生评教是教师课堂教学质量评价的重要环节。目前的评教一般在课程结束后进行，由学生对教师的教学态度、教学内容、教学方法和教学效果进行一次性评分。这种一锤定音的评教方式忽视了学习过程中的形成性评价，因而从一定程度上对教师和学生都有失公平。而且在大班教学模式中，师生间的沟通机制也非常有限。相反，GoCourse侧重增强平时的师生间沟通，学生可随时对其所上的课程进行评论，教师可以查看和回复学生评论，由此增强师生互动，提升学生的参与感。
4、结语
如今，中国已进入信息化时代，手机、电脑、高速网络的普及率飞速增长。在国内高校，多媒体教学、在线考试等教学方式已日渐成熟，可是像Google Classroom、TopHat这类专门针对课堂互动的软件及教学方式却很少，因此类似产品的市场需求十分迫切。GoCourse以JavaEE、MySQL、OpenCV等技术为支撑，所采用的技术均具有跨平台、移植性强的特点。
系统采用面向对象的方法进行设计和实现，以实现可扩展的体系架构。基于本文描述的体系结构、功能设计与技术框架，GoCourse具备以下三个特点：
● 实现智能信息处理技术与传统课堂的有机结合：
GoCourse旨在服务传统课堂，GoCourse的功能设计与技术路线均体现了当下智能信息处理技术的特点。
● 改变传统课堂中单向信息传播的低效教育模式：一方面，学生通过随堂测试实时反馈其对讲授知识的掌握情况；另一方面，学生可以通过课程评论等多种渠道表达需求，促进因材施教。
● 依托数据分析服务科学教学：在部署一定规模后，GoCourse将采集到相当数量的教学过程数据，这些数据一方面将为教师进行因材施教的、科学的教学设计提供有力支撑，另一方面可用于教学质量评估和教学管理，体现数据和数据分析的价值。
总之，GoCourse的目标是将移动计算引入并服务传统课堂，促进师生间的互动反馈，通过实时反馈和数据分析为教师提升教学质量提供可靠的数据支持，通过自动化测验和签到等环节减轻人工进行这些活动所带来的额外负担，使教师能集中精力于教学内容的传授。同时，通过智能化、移动化、社交化等特点吸引学生，激发学习积极性和课堂参与热情，丰富师生互动，最终达到改善教学效率和效果的目标，实现科学的个性化教育。
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参考文献：
[1] 庄君明, 贺志强. 基于IRS的课堂测评系统的设计与应用研究[J].现代教育技术, 2011, 21(1): 116-121.
[2] 任志宏, 张乐芳. 基于手机APP的无线教学反馈系统研究[J]. 现代电子技术, 2014, 37(13): 164-166.
[3] 36Kr. Google推出教育套件Classroom帮助老师在课堂上布置任务并收集实时反馈[EB/OL]. (2014-05-07) [2015-03-28].http://36kr.com/p/211769.html
[4] 36Kr. 从服务课堂小测验拓展至服务大学老师课堂管理、个性化教学，Top Hat获得1050万美元B轮融资[EB/OL]. (2014-05-07) [2015-03-28]. http://36kr.com/p/211763.html
[5] 网易新闻. 让“教学神器”走进中国课[EB/OL]. (2015-03-27)[2015-03-28]. http://news.163.com/15/0327/04/ALMID5V500014AED.html
[6] 广东科技报. 华农推出教学互动手机软件[EB/OL]. (2013-11-15) [2015-03-28]. http://epaper.gdkjb.com/html/2013-11/15/content_7_7.htm
[7] 四川大学华西临床医学院. 翻转课堂新工具 随堂测验用手机——我院移动教育技术成功试点运用于课堂互动[EB/OL]. (2014-10-21) [2015-03-28]. http://www.cd120.com/htmlnewszhongyaoxinwen/67001.jhtml
作者简介：
陈玉红、陈俊杰、陈群、罗浩、胡知退、周娟均为长江大学计算机科学学院本科生，为GoCourse项目组成员。
黄岚，博士，长江大学 计算机科学与技术系，研究领域为数据挖掘技术与应用。