“以学生为中心”的在线作业系统研究与实现

王庆先， 陈 彪， 顾小丰

(电子科技大学 信息与软件工程学院，成都 610054)

1 引 言

在线作业系统是一个基于网络进行的作业发布、收集和评价的服务系统[1].随着移动互联网和计算机技术的发展，在线作业系统在国内外得到了迅速的发展，相继出现了较多综合的、跨学科的在线作业系统.例如，国外的有美国著名的在线作业系统WebAssign，该平台具有优越的通用性、可实现作业提交、评分和讨论功能；哥伦比亚大学开发的WebCT平台，该平台支持课程计划，提供课程建设模板用于开发新的课程；由Maple Soft公司与美国数学协会(MAA)合作开发的 Maple T.A，它主要为用户提供基于数学引擎的在线考试系统.在国内，厦门大学的网络教学平台、华南理工大学的教学在线系统、清华大学的慕课学习平台等主要为大学生提供线上学习资源、并以客观题为主进行在线测试[2-3].

上面提到的线上作业系统都可以实现客观题自动阅卷，部分系统可以实现部分主观题的自动批阅.这些线上系统可以将批阅结果及时反馈给学生，提高学生学习的自觉性，同时可以有效减少教师的作业统计工作量，提高工作效率[4-5].但是，线上完成主观题目需要耗费学生大量的解答过程输入时间，而且对作业环境要求较高；其次，在线作业系统还是未摆脱传统教学的“以教师为中心的”教学模式，仍然将作业批改交给了“老师”，忽视了学生是教育的主体.《21世纪的高等教育：展望和行动》的宣言指出“高等教育显然需要‘以学生为中心’的新视角和新模式”，并预言“以学生为中心”的新理念必然对21世纪高等教育产生深远影响[6].

为此，本文结合互联网+和计算机技术，设计和实现了以“学生为中心”的在线作业系统，该系统在不改变学生作业传统完成方式的情况下，将学生签到、自主批阅和过程性评价融为一体.系统简单实用、具有很好的通用性，可以用于其它学科作业.

2 系统设计基本思想

1.1 以学生为中心

`现有的在线作业系统主要分为两种情况：①学生在纸质上完成作业，线上提交，机器自动切分后人工批阅，未摆脱教师为中心的传统模式，这种模式大多用于测试，需要用专门的作业用纸以方便机器进行自动切分，如现在的网上阅卷模式；② 学生线上完成作业，实现了无纸化，机器自动阅卷，但是主观题的录入耗时费力，效率不高，学生认可度不够，且机器批阅主观题还存在较多问题.

为了实现以学生为中心的教学理念，且不改变学生传统的纸质作业习惯，本系统采用作业自主批阅的方式完成.在规定的时间内，学生在作业本上按照传统方式完成作业，拍照提交到系统后，系统实时为学生提供参考答案，学生根据参考答案进行自主批改.将作业批改交给学生，既实现了作业实时批改、又能加深学生对知识的掌握和理解程度.学生在规定的时间内自主确定完成时间、自主批阅作业，充分体现了“以学生为中心”的理念.

1.2 课堂教学评价

课堂是学校教育教学改革的主阵地，课堂评价是教育评价的核心环节，也是改进教学质量的关键技术[4,7].文献[8]描述了一种基于计算机视觉技术的课堂教学自动评价方式，通过识别学生的面部表情等判断学生的课堂到课和听课情况，从而进行课堂评价，这种方式技术要求高、实现环境苛刻，且不尊重个人隐私.

文章在系统中增加课堂作业，通过下课时提交课堂练习的方式实现在线签名、课后在线检查课堂练习的方式实现课堂评价.通过设置较短的课堂作业提交时间(通常可设置为下课后的2分钟内)实现课堂签到，通过课后检查作业的方式实现课堂评价，既保护了学生的隐私，也实现了比较客观的课堂教学评价.

1.3 过程性考核与学业提醒

系统根据学生课堂、课后作业的提交时间进行自动评分，教师通过查阅学生的自主批阅情况进行给分，综合两次得分即可得到学生每次作业的分数.系统会自动提醒学生每次作业的得分情况以及历次作业的汇总情况，从而达到学业提醒的目的.教师可以通过统计数据了解学生作业情况，并进行过程性考核.

1.4 基于线上的自主测试题训练

在线作业系统能够向学生提供课后习题用来练习.每一次阶段性学习后，学生可以自主选择是否进行在线题目测试，巩固所学的知识.在学生提交测试后，可以立即获得测试结果，加深对课程知识的理解与把握.老师也可以通过查看课后自主练习情况，对学生的自主学习能力有一个初步的评估.

1.5 提供辅助学习工具

在线作业系统为学生提供一个存储经典错题的错题集，学生在每一次作业自主批阅时，都可以利用这个工具将错题，重点题标注后加入到错题集中.充分利用线上这个优势，让学生在任何地方，任何时间都可以回顾错题，纠正错误，加深记忆.同时在线作业系统还为老师提供一个“典型”作业集，老师可以将学生作业中优秀的答案，错误的答案等标注后添加到作业集中，并可以导出用于课堂教学.

1.6 艾宾浩斯曲线理论

根据艾宾浩斯曲线理论，记忆分为短时记忆和长时记忆两种.知识在经过人的注意过程学习后，会形成短时记忆，如果经过及时复习，这些短时记忆就会成为一种长时记忆，从而在大脑中保持着很长的时间，图1是人的一般记忆过程.

图1 记忆过程

系统按照艾宾浩斯曲线理论进行作业提交时间设置，以督促学生及时完成作业，达到形成知识长时记忆的目的.

3 系统设计

3.1 系统总体架构

系统分为学生端和教师端，用户在登录时系统会根据用户基本信息自动鉴别身份信息.教师用户登陆系统后，可以布置课堂作业、课后作业，上传作业参考答案，查看作业完成情况并对已完成自评的作业进行评价，查询并下载学生作业得分及相关统计数据，将重点作业添加到作业集中；学生用户登录系统后，可以多次提交同一次作业，查看作业得分以及教师评语，完成线上章节测试，添加作业至错题集.系统总体架构如图2所示.

3.2 主要功能模块详细设计

根据系统总体结构图，对系统主要功能模块设计过程进行详细描述.

布置作业根据系统设计思想，系统将作业分为课堂作业和课后作业两种类型.课堂作业主要包括与课前复习或者课堂教学过程中需要学生掌握的知识等，如重要概念、解题方法、基本题型等，可以让学生以默写、小练习等方式在课堂练习本上完成.其目的是调动学生上课积极性、抓住学生课堂注意力、增强师生之间的互动.然后，课后及时线上提交课堂作业，实现过程性签到.同时教师通过课后检查课堂作业的完成情况掌握课堂授课效果，及时调整授课内容和授课进度，有利于提高教学质量.课后作业的主要内容是针对该次课程布置的比较系统的作业，可有效巩固课堂所授知识.布置作业流程图如图3所示.

提交作业由于课堂作业和课后作业对教学过程所起作用不同，因此作业系统提供两个不同的作业提交接口.教师可以根据作业类型、授课时间的不同而灵活设置作业提交截止时间.设置课堂作业截止时间的目的是实现课堂作业的考勤功能.该考勤功能是具有内容的考勤，是过程性考勤，可以提高学生的课堂听课效果；根据艾宾浩斯曲线理论设置课后作业的截止时间，可以有效督促学生及时复习知识，形成长时记忆，使学习达到事半功倍的效果.课后作业可以实现多次提交，让学生可以根据参考答案订正作业过程中出现的问题.自主提交和自主批改培养了学生学习的主动性，改变了传统的老师批改、学生查阅的教学模式，实现了以“学生为中心的”理念.提交作业流程图如图4所示.

自动评分大学课程期末成绩通常由平时成绩和期末卷面成绩构成.平时成绩则是由课堂出勤、课后作业提交等部分构成.教师可以在初期设置平时成绩的构成类型以及各部分所占平时成绩的比例.课堂作业具有课堂考勤功能，所以在给定的短暂时间(通常为下课后2分钟)内不提交则记为零分，提交成功默认为满分，老师在课后检查课堂作业时可以根据问题完整度和书写进行减分.

课后作业要求学生在规定的时间内上传，获取参考答案后及时自主批阅并进行第二次提交.自动评分流程如图5所示.

以离散数学课程为例，平时成绩占期末总成绩的30%，其中课堂签到10%，课后作业20%.课后作业提交分两次完成，第一次提交的满分是40分，第二次提交的满分是60分.为了提高学生的学习主动性和积极性，根据艾宾浩斯曲线理论，系统根据不同的提交时间设置不同的初始分数，具体如表1，其中，时间是按小时计.老师在课后检查课堂作业时可以从作业完整度、书写和订正认真度进行减分.

表1 课后作业评分标准

错题收藏学生的错题往往是学生知识薄弱环节的直观表现，在线学习系统针对此类情况，提供了基于线上的错题集工具，学生在通过查看答案自我批改时，对难题，错题，重点题针对性的截取出来，并对其进行批注，勾画重点，然后再存入到错题本中，随时随地都可以复习错题本中的题目，加深印象，提高学习效率.错题集也是培养学生自主学习的一项关键功能，再一次强调了以“学生为中心”的理念.具体流程如图6所示.

线上课后测试课后习题测试作为可选功能提供给学生，它分为章节测试和单题测试.系统会根据学生的选择，提供相应的题目供学生练习.课后测试的题目由老师精心准备的每一个章节中的重点题型，包含了题目解析，答案解析，知识点分类等，学生可以通过选择对应章节的习题进行练习，从而达到巩固知识点和解题方法的目的.老师也可以从学生提交的课后测试统计数据中了解学生的自主学习情况，针对性的完善教学计划.具体流程如图7所示.

4 关键模块实现

本系统基于Web环境，采用B/S结构，利用HTTP协议和ODBC接口实现网页端和服务器端之间的通讯.前端采用React框架，使用JS，HTML以及CSS.为了方便后期的升级维护管理，教师端和学生端均采取分块编写策略，功能函数分布明确；服务器端使用Java语言和MySQL数据库，以SpringBoot框架为基础，实现对数据库的存取操作以及处理前端的数据请求.系统给每个功能都设立了独立接口，方便后期对功能的完善和修改.下面以系统自动评分、学生助手和课后作业测试模块为例，具体阐述系统实现过程.

4.1 自动评分模块的实现

在评分模块，分为系统自动评分和教师打分两个部分.系统评分占总评分的30%，系统会自动获取提交时间并与规定时间进行对比，评分细则如表1所示；教师评分占总评分的70%，老师可以对学生提交的作业做出客观评分，对系统做人工校正，该模块关键代码如图8所示.

4.2 学生助手模块的实现

学生助手模块与学生的作业模块，课后测试模块相关联，以离散数学课程为例，学生第二次提交课后作业时，当遇到需要截取收藏的重点题型，经典错题时，可以通过系统提供的辅助工具，对错题进行截图，批注，修改，最后通过选择存储的错题本类型，将题存入错题本中.学生可以自由选择是否导出成文档存储到本地.操作界面如图9所示.

4.3 课后作业测试模块的实现

课程测试模块主要涉及章节选择，题目显示，辅助键盘，答案解析的显示问题.学生可以通过点击章节目录跳转至对应的答题界面进行答题，当学生答题完成后，可以选择提交至系统.系统会进行自动判卷，并给出判卷结果，同时系统给出参考答案和解析.关键代码如图10所示，操作界面如图11所示.

5 应用效果分析

在线作业系统在不断完善的过程中已经实际应用了两年，在教学过程中起到了很好的教学辅助作用，并取得了很好的应用效果.下面从学生教学评价和教学效果两个方面进行分析.

5.1 教学评价

针对高校课程教学，学校教务处在每学期结束时，教务处都会组织学生从立德树人、教学态度、教学内容、教学方法等方面对教师的教学情况进行教学评价.表2给出了近三年学生的教学评价情况(http:∥eams.uestc.edu.cn/eams/evaResultForTeacherDetail!wordEva.action).

表2 2018-2020年教学评价情况

在表2中，2017-2018学年第2学期使用了QQ“作业”小程序，“云班课”等多个平台进行在线作业提交和在线签到尝试，得到了大部分同学的认可；2018-2019学年第2学期使用本文的在线作业平台，因平台稳定性和易用性不够，整体评价率有明显降低，但随着平台的简单易用性和稳定性的提升，在2019-2020学年第2学期，学生的整体评价率明显上升，远超过2017-2018学年第2学期.由此可见，在线作业平台明显提升了学生的满意度.

5.2 教学效果

2017-2018学年第2学期选取了离散数学4个教学班进行对比.由于半期考试属于随堂考试、平时成绩具有一定的主观性，因此仅对实施在线作业的班级与其它三个班级的期末卷面成绩分别从平均分和分段统计等方面做了对比，具体对比结果见表3[9].

表3 2017-2018学年第2学期考试成绩的对比分析

2018-2019学年第2学期选取了离散数学5个教学班进行对比.同理，仅对期末卷面成绩分别从平均分和分段统计等方面做了对比，具体对比结果见表4.

从表3和表4可以看出，除小班教学外，无论是平均分还是高分段比例(80分以上)均略高于其他几个班级.即使跟实施小班教学的对比1班比较，中分段比例(60分～80分)也存在一定的优势.由此可见，在线作业系统能有效提高学生学习的积极性，提高学生的自主学习能力.另外，实验班不及格比例远远低于其他比较班级，这进一步说明，对缺乏自我约束能力的学生，效果更加明显.

表4 2018-2019学年第2学期考试成绩的对比分析

6 结 论

本着“以学生为中心”的理念，设计和实现了在线作业系统，并在离散数学教学过程中进行了大胆尝试.试用结果表明，该系统简单易用，能有效调动学生的学习积极性，提高学生的自主学习能力，特别是对学习主动性不够的大学生，可以起到有效的促进作用.另外，在线作业平台彻底改变了传统纸质作业方式，不仅优化了作业提交方式，而且有效减轻了教师的作业批改工作量，提高了教师的工作效率，使教师可以把有限的时间投入到更多的教学准备，课后答疑等提升教学质量的工作中去.

致谢作者非常感谢相关文献对本文的启发以及审稿专家提出的宝贵意见.