邵新慧, 張英杰, 陳 維, 沈海龍

(東北大學(xué) 理學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

隨著網(wǎng)絡(luò)及多媒體技術(shù)的高速發(fā)展,學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)出多元化的特點,從而使傳統(tǒng)的教學(xué)方法已無法適應(yīng)變化如此之快的課程學(xué)習(xí).越來越多的教學(xué)資源正在通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向?qū)W生展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容,并應(yīng)用到教學(xué)活動的實施過程之中.為了充分發(fā)揮信息技術(shù),促進(jìn)高等學(xué)校數(shù)學(xué)類基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革,達(dá)到“不僅讓學(xué)生學(xué)會,而且讓學(xué)生會學(xué),更重要的是會用”的教學(xué)目標(biāo),因此,探究考試方式改革的課題應(yīng)運而生[1-13].

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是以教師傳授知識為主導(dǎo), 學(xué)生只能被動去學(xué)習(xí),講授的也多半是書本上的理論知識.至于這些知識是怎么形成的,目前已經(jīng)發(fā)展到什么程度,在實際中又有什么用途,學(xué)生一概不知.課程結(jié)束后的考核模式也大多為閉卷考試,即在規(guī)定時間和地點的條件下,學(xué)生獨立完成考核內(nèi)容.這種考試方式盡管也能在一定程度上檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況,起到督促學(xué)生鞏固、復(fù)習(xí)和總結(jié)已學(xué)知識的作用,但沒有達(dá)到當(dāng)今國家倡導(dǎo)的創(chuàng)新教育和素質(zhì)教育的要求,從而導(dǎo)致培養(yǎng)了大批的應(yīng)試教育模式下的考試機(jī)器,即只是會做課本上的習(xí)題,考很高的分?jǐn)?shù),但不知所學(xué)知識如何應(yīng)用,更毫無創(chuàng)新能力.

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程對理工科類大學(xué)的專業(yè)是至關(guān)重要的.但是,數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程有一定難度,學(xué)生學(xué)習(xí)時都會覺得枯燥難懂,而我們的教學(xué)方式又過于陳舊,課堂上反復(fù)強(qiáng)調(diào)的只是書本上的內(nèi)容,沒有任何拓展,更沒有和學(xué)生自己的專業(yè)進(jìn)行相關(guān)的聯(lián)系,導(dǎo)致學(xué)生更加厭學(xué).因此,理工科類大學(xué)數(shù)學(xué)類基礎(chǔ)課程的教學(xué)工作進(jìn)行全方位改革勢在必行.

鑒于以上分析,我們準(zhǔn)備采用混合式教學(xué)方式,將數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)工作進(jìn)行改革.混合式學(xué)習(xí)作為一種提高課堂效果的方法,強(qiáng)調(diào)教師主導(dǎo)和學(xué)生主體、在線教學(xué)和課下在線學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)并存,使學(xué)生在有限的時間里通過混合式學(xué)習(xí)這種方式對所學(xué)課程進(jìn)行系統(tǒng)化的掌握與結(jié)構(gòu)式的理解,消除了學(xué)生厭學(xué)現(xiàn)象,提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、實踐能力和創(chuàng)新能力,真正達(dá)到素質(zhì)教育的根本要求.

從21世紀(jì)初至今, 國外的學(xué)者們一直進(jìn)行著混合式學(xué)習(xí)方式的探究, 逐漸把研究的成果在學(xué)校教育和企業(yè)培訓(xùn)中加以應(yīng)用和實施, 成效顯著. 在美國的中學(xué)里,實驗室、圖書館和教室均可以上網(wǎng), 學(xué)生可以在線獲取各種有用的知識. 教師在教學(xué)中并不是采用“滿堂灌”的方式, 而是針對所需學(xué)習(xí)的內(nèi)容提出一個相關(guān)的實際問題, 然后給學(xué)生分配任務(wù), 教師和學(xué)生利用電腦共同探討所給出的問題. 教師可以在線獲得各種教學(xué)設(shè)計計劃及教學(xué)相關(guān)的輔導(dǎo)、教學(xué)材料; 學(xué)生可以在線獲得相關(guān)的材料和所需數(shù)據(jù), 并根據(jù)自己的興趣,拓展知識.在日本, 教師更是多種教學(xué)方法相結(jié)合, 以教師講述為主, 學(xué)生動手實踐以及教師輔助指導(dǎo)的教學(xué)方式有機(jī)結(jié)合, 達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的效果.

2003年12月召開的第七屆全球華人計算機(jī)教育應(yīng)用大會上,何克抗教授首次在我國正式倡導(dǎo)“混合式學(xué)習(xí)”,并將其于 2004年正式發(fā)表.他認(rèn)為,“混合式學(xué)習(xí)”就是要把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式和 E-learning(即數(shù)字化或網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí))進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,能夠更好地提高教學(xué)的效果和學(xué)習(xí)的質(zhì)量.在這樣的背景下,國內(nèi)越來越多的教師開始使用混合式學(xué)習(xí)來改進(jìn)和促進(jìn)教學(xué).

目前混合式學(xué)習(xí)模式在高中課程教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用,獲得了很好的效果.但是,其在高等學(xué)校課程教學(xué)中涉及的較少.信息技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用,使得大學(xué)公共基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與創(chuàng)新蘊(yùn)含了更為豐富的內(nèi)容.大學(xué)數(shù)學(xué)類基礎(chǔ)課程是高等學(xué)校幾乎所有專業(yè)的基礎(chǔ),因此,數(shù)學(xué)類基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革是高等學(xué)校教學(xué)改革的重點之一.

隨著信息化發(fā)展進(jìn)程的加快,高?？荚嚬芾硐到y(tǒng)在國內(nèi)逐漸興起.目前,國內(nèi)主流考試都在逐漸推行上機(jī)考試,以提高考試效率,節(jié)省管理費用,方便檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.對于數(shù)學(xué)課程來說,現(xiàn)有的考試系統(tǒng)只能實現(xiàn)選擇題的考核,很難實現(xiàn)解答題的自動判卷,具有很大的局限性.但是,數(shù)值分析是一門在計算機(jī)產(chǎn)生并廣泛使用后興起的學(xué)科,主要通過形成理論體系的算法來實現(xiàn)數(shù)學(xué)問題的數(shù)值求解,求解方法一般通過計算機(jī)編程實現(xiàn).針對數(shù)值分析課程的這些特點與需求,我們設(shè)計了包含選擇題與程序題兩類題型的“數(shù)值分析考試系統(tǒng)”,選擇題對理論知識進(jìn)行考核,程序題對算法及學(xué)生的編程能力進(jìn)行考核.這樣做既超越了單純的理論掌握,又有助于學(xué)生對求解原理的深入了解,彌補(bǔ)了國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)學(xué)課程考試系統(tǒng)的局限性.

1 系統(tǒng)需求分析

針對現(xiàn)有數(shù)學(xué)類考試系統(tǒng)的不足,用戶對“數(shù)值分析考試系統(tǒng)”的要求為:

(1) 系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),編程語言為Java,通過SQL Server數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理;

(2) 考試管理與數(shù)據(jù)管理緊密結(jié)合,整個系統(tǒng)包括信息管理、試題發(fā)送、學(xué)生登錄、考試計時、自動閱卷等功能;

(3) 系統(tǒng)的考核題型為選擇題與程序題,需要分別實現(xiàn)兩者的自動閱卷;

(4) 運行模式、運行流程以至考生客戶端軟件運行界面應(yīng)盡量簡潔、易操作,以減少管理人員和考生的培訓(xùn)時間.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)C/S架構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)集中機(jī)考,方便對學(xué)生的監(jiān)督和管理,同時借助校園網(wǎng)(局域網(wǎng))的速度優(yōu)勢,“數(shù)值分析考試系統(tǒng)”采用C/S架構(gòu)設(shè)計方案.系統(tǒng)的C/S架構(gòu)設(shè)計是邏輯層設(shè)計及數(shù)據(jù)層設(shè)計的基礎(chǔ).“數(shù)值分析考試系統(tǒng)”的C/S架構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)基本框架圖Fig.1 Basic framework diagram of the system

服務(wù)器端(以下簡稱“S”)主要實現(xiàn)與學(xué)生考試端、教師管理端的數(shù)據(jù)交互,對底層數(shù)據(jù)庫的訪問,題庫文件的后臺保存、更新和刪除等功能.客戶端分為學(xué)生考試端(以下簡稱“SC”)和教師管理端(以下簡稱“TC”).SC實現(xiàn)學(xué)生登錄,考試題目加載、顯示,選擇題及程序題答題,答案上傳,分?jǐn)?shù)顯示等功能;TC實現(xiàn)題庫綜合管理,學(xué)生信息管理,學(xué)生成績管理等功能.

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

“數(shù)值分析考試系統(tǒng)”需要實現(xiàn)對與考試相關(guān)的各種數(shù)據(jù)的操作.根據(jù)需要,我們設(shè)計了NumericalAnalysis數(shù)據(jù)庫,其主要包括的表有學(xué)生登錄信息表、學(xué)生成績管理信息表、教師表、系統(tǒng)管理員表、選擇題文件映射表、選擇題文件存儲表、程序題文件映射表、程序題文件存儲表、試卷分配映射存儲表等,用于存儲與考試系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù).

2.3 程序題考核及自動判卷功能設(shè)計

(1) 背景分析

由于系統(tǒng)開發(fā)語言是面向?qū)ο笳Z言Java,程序題考核所用語言為面向過程語言C語言,難以通過代理模式實現(xiàn)對C語言程序的處理.應(yīng)該將程序題考核從系統(tǒng)整體設(shè)計中獨立出來,兩者之間通過某個簡單的數(shù)據(jù)存儲建立聯(lián)系.通過記事本文件實現(xiàn)前面提到的數(shù)據(jù)存儲.

(2) 具體實現(xiàn)

根據(jù)前面的背景分析,“數(shù)值分析考試系統(tǒng)”處理程序題考核及自動判卷功能的核心思路是:考試系統(tǒng)整體設(shè)計和程序題自動判卷業(yè)務(wù)邏輯相對獨立,通過exec(String command)方法編譯、鏈接、運行判卷程序,其算法流程見圖2.

圖2 程序題考核及自動判卷功能設(shè)計圖Fig.2 Function design drawing of program examination and automatic examination

步驟1 開發(fā)一個簡單可用的程序題模板生成工具. 通過該工具可將一個正確的數(shù)值分析算法源代碼文件簡單快速地生成對應(yīng)的考試模板(即學(xué)生端程序題界面顯示的程序題)和判卷模板(填入學(xué)生編寫的代碼段可實現(xiàn)自動判卷).

步驟2 學(xué)生在考試模板里填寫的內(nèi)容自動并正確填寫到對應(yīng)的判卷模板內(nèi),生成judgeMain.cpp文件.之后通過輸出流生成記錄得分的記事本文件Grade.txt.

步驟3 “數(shù)值分析考試系統(tǒng)”自動讀取Grade.txt文件,將程序題的得分記錄到數(shù)據(jù)庫中,完成對程序題的自動判卷.之后,學(xué)生客戶端可通過訪問數(shù)據(jù)庫返回學(xué)生成績.

3 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計

根據(jù)前面4個子系統(tǒng),以軟件形式提供系統(tǒng)的各個模塊程序.各個模塊見圖3～圖6.

圖3 服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of server software

圖4 學(xué)生客戶端軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of client software for student

圖5 系統(tǒng)管理員軟件結(jié)構(gòu)圖

圖6 教師客戶端軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of client software for teacher

4 關(guān)鍵問題

4.1 服務(wù)端的整體業(yè)務(wù)處理

教師服務(wù)端(以下簡稱“TS”)與學(xué)生服務(wù)端(以下簡稱“SS”)相比較而言,雖然TS處理的業(yè)務(wù)種類多于SS,但是SS的消息、事務(wù)處理數(shù)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TS.SS需要實現(xiàn)長時間線程同步,容易導(dǎo)致阻塞、消息響應(yīng)反饋時間過長等問題,因此,SS的線程并發(fā)成為核心問題.

為解決上述問題,SS采用Server Socket Channel(NIO)通道模式設(shè)計,并在其中加入socket連接注冊以及socket對應(yīng)的下載、后臺更新、交卷等后臺業(yè)務(wù)實現(xiàn).

經(jīng)測試,在120名學(xué)生同時登錄答題的情況下,此方案可以滿足正常的考試需求;服務(wù)端程序安裝至服務(wù)器之后,可以滿足300人左右的并發(fā)考試.測試結(jié)果表明,NIO通道模式可滿足我校目前數(shù)值分析課程考試的需要.

4.2 學(xué)生端學(xué)生身份驗證及二次登錄

為保障學(xué)生正常參加考試,需要解決4個問題:學(xué)生信息驗證;學(xué)生異常退出后再次登錄的處理;考試時間安排的公平性;學(xué)生答題結(jié)果的備份.

為解決上述問題,我們對“數(shù)值分析考試系統(tǒng)”進(jìn)行了如下設(shè)計:

(1) 事先建立存有學(xué)生信息的數(shù)據(jù)庫(可直接從其他數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入或教師手動錄入),學(xué)生輸入學(xué)號、密碼后,通過服務(wù)器鏈接數(shù)據(jù)庫對學(xué)生登錄信息進(jìn)行驗證.

(2) 在登陸界面的設(shè)計和編寫中,考慮學(xué)生二次登陸的情況,增加了二次登陸教師輔助登錄功能.

(3) 對考試時間進(jìn)行合理安排.在規(guī)定時間之前進(jìn)入考試系統(tǒng)會進(jìn)入到倒計時界面;在規(guī)定時間范圍內(nèi)進(jìn)入考試系統(tǒng),則可直接進(jìn)行答題,但考試時間會根據(jù)遲到的時間進(jìn)行相應(yīng)的減少;在規(guī)定時間之后則無法進(jìn)入到考試系統(tǒng).

(4) 在答題過程中,每隔一定的時間,系統(tǒng)自動將學(xué)生所答題目備份到SQL Server數(shù)據(jù)庫中,可避免服務(wù)器斷開導(dǎo)致答案丟失的情況發(fā)生.

4.3 選擇題數(shù)學(xué)公式的顯示

一般的圖形界面程序在不安裝第三方插件的情況下很難實現(xiàn)數(shù)學(xué)公式的顯示.大部分解決方法是將公式截圖存入數(shù)據(jù)庫,然后以圖片的形式加載顯示.但此方案將給題庫的準(zhǔn)備帶來巨大的工作量.

鑒于此,本系統(tǒng)出于對題庫管理簡單化的考慮,從加載word文檔入手,通過雙重文件流實現(xiàn)公式和文本的分別讀取.借助第三方開源架包(apache poi),將每個公式自動讀取為臨時圖片,之后將圖片插入到文本的正確位置并調(diào)整布局.這減少了存儲量,并且使顯示的題目整體美觀、清晰.

4.4 程序題模板生成工具的設(shè)計

為了實現(xiàn)程序題的自動判卷功能,我們設(shè)計了程序題模板生成工具,它實現(xiàn)的主要功能為:導(dǎo)入一個源文件,生成一一對應(yīng)的考試模板、判卷模板;為生成的考試、判卷模板提供預(yù)覽和測試功能,便于及時修改和調(diào)整.

(1) 對導(dǎo)入源文件進(jìn)行預(yù)處理.對源文件以注釋形式添加特殊標(biāo)記,通過識別這些特殊標(biāo)記對源代碼自動修改或增添.

例如:

“∥code_judge ”為判卷變量標(biāo)記,用于設(shè)置得分點;

“∥code_delete ”為挖空行標(biāo)記,為所設(shè)置行為填空行.

(2) 預(yù)先編寫判卷函數(shù)頭文件、靜態(tài)庫文件.為實現(xiàn)自動判卷功能,需要在判卷模板中將考生答案與正確答案進(jìn)行對比,因此需要編寫比較函數(shù)進(jìn)行自動判卷,這些比較函數(shù)以頭文件及靜態(tài)庫文件的形式存儲,頭文件(compare.h)的文件內(nèi)容見圖7.

圖7 判卷函數(shù)頭文件內(nèi)容

頭文件主要聲明比較函數(shù)的名稱,與之對應(yīng)的靜態(tài)庫文件(compare.lib)則實現(xiàn)頭文件中聲明的方法.之后在編寫自動判卷的程序中,即可直接引用這兩個函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)比較功能.

(3) 設(shè)計模板生成工具.針對源文件預(yù)處理中不同類型的標(biāo)記,模板生成工具中會自動生成相應(yīng)的按鈕,通過點擊按鈕和簡單的設(shè)置,即可生成判卷與考試模板.

生成判卷模板:點擊按鈕選擇“函數(shù)體編寫”“代碼段填空”及“判卷變量”,通過對判卷變量正確值及判卷代碼插入位置的設(shè)置,即可預(yù)覽、測試、生成判卷模板.

生成考試模板:在保持判卷模板設(shè)置的基礎(chǔ)上,對測試用例進(jìn)行修改,即可預(yù)覽、測試、生成考試模板,并且可編寫程序題題目說明文件.

4.5 學(xué)生端程序題答題界面設(shè)計

為了便于學(xué)生操作,避免啟動客戶端C語言編譯器,程序題答題界面需要實現(xiàn)以下功能:學(xué)生僅可在編輯區(qū)域內(nèi)編寫代碼,其他區(qū)域內(nèi)的代碼無法修改;學(xué)生可編譯、運行程序;可將學(xué)生編寫的函數(shù)體和填寫的代碼段上傳至服務(wù)端.

(1) 界面設(shè)計.將題意說明和不可修改的源代碼部分顯示為只讀;識別程序源代碼中的“∥添加函數(shù)實現(xiàn)代碼字段”和“填空題標(biāo)記下劃線”,將對應(yīng)區(qū)域設(shè)置為可編輯,在可編輯區(qū)域添加鍵盤監(jiān)聽;實現(xiàn)括號、引號的自動匹配,換行時提供自動縮進(jìn),為規(guī)范的代碼編寫提供方便.

(2) 編譯運行.通過java.lang.Runtime類提供的exec(String command)方法,啟動獨立進(jìn)程調(diào)用編譯和鏈接命令,并獲取該進(jìn)程的輸入流提取編譯鏈接信息,實現(xiàn)編譯錯誤提示;若編譯正確,則運行程序.

(3) 代碼上傳.提取學(xué)生編寫的函數(shù)題代碼和學(xué)生填空代碼段.由于這些代碼段信息量較少,因此可以以一般socket通信的形式上傳至服務(wù)端.

4.6 自動判卷邏輯業(yè)務(wù)

由于選擇題的自動判卷較易實現(xiàn)(只需簡單的數(shù)據(jù)庫訪問、表間比較即可實現(xiàn)),此處我們主要介紹程序題的自動判卷邏輯業(yè)務(wù).

(1) 一般情況.只需把學(xué)生上傳的答題信息寫入相應(yīng)的判卷模板中,然后生成臨時判卷源文件,針對這個臨時文件編譯運行即可得到判卷結(jié)果并將判卷結(jié)果返回輸出到學(xué)生客戶端.

(2) 異常情況.如果學(xué)生提交的程序沒有及時調(diào)試、運行,且存在死循環(huán),則需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),通過倒計時線程啟動判卷程序,倒計時線程結(jié)束后,若判卷程序還在運行,則殺死,并將異常記錄寫入數(shù)據(jù)庫,如圖8所示.

圖8 異常情況下程序題自動判卷業(yè)務(wù)處理

5 結(jié) 語

利用上述方法所研制開發(fā)的“數(shù)值分析考試系統(tǒng)”,目前已經(jīng)投入試用,運行情況良好,之后將用于東北大學(xué)的數(shù)值分析考試.此外,其他數(shù)學(xué)科目的考試也可通過此系統(tǒng)進(jìn)行.

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