基于W i-Fi的智能教学评估系统设计及应用

翟 颖，田 跃，邱 宏，孙明明

（北京科技大学 数理学院，北京100083）

随着科学技术的飞速发展，对于创新型人才的培养越来越受到重视，学生的素质教育已提到议事日程。所谓“素质教育”，笔者们认为包括学生接受知识的能力，正确的思维方式，分析问题、解决问题的能力，对当代前沿科学技术新知识、新动向的敏感性，创新意识的激发与现有理论或技术相契合。要想培养学生实现以上能力，研究讨论是重要的环节，这些是现在以课堂教学为主，以教师为中心的教育模式的重大缺憾。本系统的开发，核心点就是力图采用移动互联技术促进和提高课堂教学师生互动的效率，同时可以对课堂教学的效果，包括老师和同学两方面，给予量化评估。

沟通与交流是传递信息的一个重要手段。随着互联网的发展，特别是移动互联网和智能手机、平板电脑的发展，一系列超出人们预期的个性化服务应运而生，呈现手机中心化趋势。[1]如能将其与高等教育紧密联系在一起，必将开拓出一片广泛的应用天地。

如今，师生在课下的互动交流中可利用的平台越来越多，如：E-mail、QQ、微信、论坛等，还有许多人致力于移动教学的研究，开发了不同类型的教学终端。[2][3]而对于课堂上的师生互动，以美国的iclicker和北京师范大学的课堂应答系统为代表。[4]-[6]但由于其都涉及手持硬件设备，要求老师和学生人手一个，如果想要大范围地推广使用需要有关教育部门、学校、老师和学生多方面的配合，在人力、物力和精力上的过多投入让很多老师踌躇不前。

本文利用无线Wi-Fi通信技术、电化教学设备和学生手机、平板电脑、笔记本电脑等无线终端，搭建了一个课堂上老师和同学进行互动、增加沟通与交流的平台。

一、智能教学评估系统的分析

智能教学评估系统的设计旨在通过互动答题的形式，增加老师和学生在课堂上的互动与交流，改变沉闷的课堂气氛，使学生积极主动地参与到课堂教学中来，以提高学生学习的效果和效率，同时帮助老师找到教学中的问题，以便及时变更教学的内容和方法。

1.系统结构

该系统由教师端和学生端组成，并通过一个无线AP机将教师端和学生端连接成一个局域网，系统的结构如图1所示。学生端，用于完成答题操作的是一部部具有Wi-Fi功能的智能手机或平板电脑；教师端，用于数据接收和显示的是一台具有Wi-Fi功能并装有服务器和数据库的计算机，老师可以直接使用教室电化教学设备中的计算机，也可以携带自己的笔记本；无线AP机，是系统实现通信的桥梁，起到连接教师端和学生端的作用，同时具有DHCP模块，给各个连接的设备分配IP地址。

图1 系统结构

2.系统功能分析

根据系统使用对象的不同，应分别对教师端和学生端的功能做出设计，具体功能如下：

（1）学生端应具有的功能有：1）身份识别功能。既要对学生进行身份识别，也要对学生用于答题的设备进行身份识别，即一个学生只能使用一台设备进行答题操作，以避免学生之间替代答题的情况；2）答题功能。学生能看到所答题目的信息——问题和各个选项的内容，并能够从多个选项中选择一项作为自己的答案提交到数据库。

（2）教师端应具有的功能有：1）身份识别功能。教师端只需要通过户名和密码进行身份识别，正确识别出是哪位老师即可；2）数据管理功能。教师需要对学生信息、题目信息和答题情况的数据进行管理，能够进行增加、删除、修改、查询等操作，并能将数据导出至Excel；3）答题管理功能。主要用于教师对课堂答题的控制，具体体现在：a）老师需要给出题号，这样学生端才能正常显示题目信息；b）老师可以通过“开始答题”和“结束答题”两个按钮控制答题时间，使得学生们只能在老师规定的时间范围内进行答题；c）在答题过程中，要显示实时答题情况，便于老师控制答题的节奏；d）在答题结束后，要给出答题结果，便于老师与学生的互动；4）成绩管理功能。老师根据实际情况给出正确率和出勤率的百分比分配后，系统能够自动算出学生的成绩，并以表格的形式给出结果，同时支持导出至Excel。

二、智能教学评估系统的设计

系统按照使用者及其功能需求的不同，分别对教师端和学生端进行了设计和程序的编写。所有程序均使用PHP语言编写，除了编写各个界面显示的程序外，还要考虑程序后台对数据库的种种操作，写好的程序被安放在装有服务器的电脑上。为了防止老师和学生的“非法操作”，程序还加入了cookie和session的设计。

1.学生端的设计

为了保证答题的真实性、有效性和可靠性，避免代替别人进行课堂答题的行为，学生端设计的重点在于如何解决身份识别问题。身份识别包括两个部分——对学生的识别和对设备的识别，既要将二者独立地识别出来，又要在二者之间建立一一对应的关系。

本系统实现身份识别的方法主要有三种：1）利用APP对设备进行身份识别。在设备中安装一个APP，如图2所示，点击“login”按钮后会自动弹出浏览器并访问指定网址，同时将设备的序列号（IMEI码）信息带出，存入数据库，实现身份识别。2）利用IP地址和MAC地址绑定进行对设备进行身份识别。对于没有安装APP的设备，可以将其无线网卡的MAC地址和AP机的DHCP模块分配的IP地址进行绑定，在访问网页时，会将IP地址信息读出并写入数据库，实现身份识别。3）利用登录操作对学生进行身份识别。在答题前，学生先要进行登录操作，通过学号对学生进行身份识别。

图2 学生端APP图

通过以上三种方法进行身份识别后，可以实现学生和其所使用设备的一一对应，即一个学生只能使用一个设备进行答题操作。当有学生尝试使用自己的设备登录其他同学的学号时，系统就会给出相应的错误提示。

学生端程序的流程如图3所示。

2.教师端的设计

对于老师来说，使用本软件的大部分时间应该是在课堂上与同学们互动答题时，所以教师端的设计是在总结了老师多年的教学经验后，提出设计方案，并与老师反复沟通后确定的。因为教师端的每一个功能都涉及到大量的对数据的操作，所以在界面简洁、操作简便的基础上，还应该高效、准确地获取和处理数据。教师端的设计将上述各个功能模块化，一个模块用来实现一个功能，并通过总控制界面对各个模块进行管理。

教师端的特色功能在于实时答题情况和答题结果的显示上。当学生作答完成后，其姓名会由黑色变成红色，老师可以将实到人数和已答题人数进行对比，从而对答题的时间进行控制。在答题结束后，答题的结果会以柱状图和表格的形式给出，柱状图显示整体的答案分布状况，便于老师了解学生对某一知识点的掌握情况，有针对性地进行教学，而表格给出选择某一选项的学生信息，便于老师的提问和与学生的交流。

教师端的整体结构框图如图4所示。

三、智能教学评估系统的使用

目前，系统已在本科基础教学和研究生教学的多门课程中进行使用测试，如“光学”，“光电子技术及其应用”，“物理效应及其应用”，“传感器原理与技术”等。

教师课堂讲解知识要点，精心设计问题，设法引导同学开展讨论，解决教学环节的难点或拓展知识。

图3 学生端程序流程图

图4 教师端结构

比如在“物理效应及其应用”课程中，俄歇效应中单原子俄歇效应与固体材料的俄歇效应的区别在于能级与能带俄歇电子发生的机制不同，一般为教学难点。通过设置如下问题引发学生讨论。

固体材料俄歇电子是指：

A、原子内层被激发出的电子；

B、库伦力使外层能级向内层空位填补的电子；

C、外层填补内层电子多余能量激发出的电子；

D、材料导带底部向光子激发的空穴移动的电子；

E、由于导带电子填充内层空穴，多余能量从导带顶部激发出电子。

学生作答情况如图5所示，答案主要集中在C和E两个选项中。由此让学生们讲解选择答案的理由，通过讨论，搞清楚单原子俄歇电子是由原子能级激发产生的，而固体材料中，导带底部电子跃迁至低能级，多余能量使导带顶部激发出俄歇电子。该题在期末测试中出现时，答题正确率从不到50%明显上升为超过80%，教学效果显著。

此外，为了拓展学生的知识面、激发学生的创新意识，教师还选择了许多物理学前沿话题，让学生自主选择感兴趣的知识点进行小组讨论式教学。如：物理隧道效应、原子力显微镜、大型强子对撞机、诺贝尔物理学奖与传感器技术、手机诊断癌症等。

图5 学生答题情况

在每门课程结束后，对同学们进行的使用效果和改进建议的调查中，大部分同学均表示课程授课形式新颖、课堂气氛活跃、能够启发同学们积极地进行思考、增进了师生的互动交流等，并希望今后能够多开设几门类似的课程。一位同学如是说：“上课讨论问题很有意思，通过答题提问和解惑来调动起同学对于这一物理问题的思考，也更加深刻的记忆了物理效应，对于同学的思维开扩和学习水平提高很有帮助，有更多的实际例子在身边息息相关，让我们对物理这一门抽象的学科实体化、具体知道了未来的走向前景。”

综上所述，这种通过互动答题来增加师生在课堂上的沟通与交流的方式，既活跃了课堂的气氛，又锻炼了学生解决问题能力，对于学生开扩思维和提高学习水平很有帮助。

四、结论

本项研究工作取得如下结果：

1）系统使用无线AP机，将老师和学生连接到一个无线局域网中，限定学生的作答范围在教室附近，可显著地提高课堂的出勤率。

2）系统利用学生的手机、平板电脑、笔记本电脑等无线终端作为发射端，教室的电化教学设备作为接收端，避免了其他硬件设备的投入，既节约了成本又便于系统的推广使用。

3）系统实现了答题分组遴选功能，学生的身份识别、互动打分功能，教师的身份识别、答题管理、成绩管理、数据管理、课程管理等功能，界面简明、操作简便。

这种新颖的教学方式为沉闷的课堂注入了新鲜的元素，而老师和同学们对其予以的充分支持和肯定，为该系统的推广使用和研究型教学奠定了坚实的基础。

[1]程子阳.移动互联网业务的发展趋势[J].移动通信,2012,36(5):30-35.

[2]王小强.高校移动教学系统设计研究[D].大连:大连海事大学,2012.

[3]梁敬坤.移动学习系统iPad终端的设计与实现[D].广州:华南理工大学,2012.

[4]李义和.Clicker系统及其在大班教学中的运用[J].中国现代教育装备,2012(13):9-10.

[5]赵继娇,吴春晓,马莲等.Clicker在课堂教学应用中的优势及问题[J].物理通报,2014(3):12-14,19.

[6]张萍,涂清云,周静等.大学物理课堂互动教学模式的研究——基于“教室应答系统”的构建[J].中国大学教学,2011(7):21-23.