張弛 沈亦軍 張琛 孫欣欣
摘 要:為了解決傳統(tǒng)紙質(zhì)版和電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告不易保存、不易管理、不易統(tǒng)分、內(nèi)容抄襲、樣式排版不統(tǒng)一等問(wèn)題,結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理實(shí)際流程與內(nèi)容,設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)一款基于SSM框架的智能化實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效融合空間向量模型算法對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告文本進(jìn)行相似度檢測(cè),能夠有效地解決傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容抄襲、分?jǐn)?shù)匯總、格式排版、在線預(yù)覽、在線批改、在線評(píng)語(yǔ)反饋、可視化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析等問(wèn)題,極大地減輕了學(xué)生、教師和教務(wù)管理人員的工作負(fù)擔(dān)。實(shí)踐結(jié)果表明該系統(tǒng)的應(yīng)用是對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室信息化、智能化建設(shè)的補(bǔ)充,對(duì)提升實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)管理水平提供了一定的理論與實(shí)踐參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)報(bào)告;SSM;空間向量模型;抄襲檢測(cè)
中圖分類號(hào):G642.0? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? 文章編號(hào):1673-260X(2021)01-0107-04
0 引言
在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的大背景下,多種不同層次的教育教學(xué)管理模式借助網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn),其中電子商務(wù)、電子政務(wù)管理系統(tǒng)的興起,為實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)管理的自動(dòng)化和智能化提供了可能。在2016年教育部印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》與2018年出臺(tái)的《教育信息化2.0行動(dòng)》中[1],明確提出通過(guò)深化信息技術(shù)與教育教學(xué)、教育科研與教育管理的融合,提升教育信息化與創(chuàng)新創(chuàng)造的深度融合發(fā)展,構(gòu)建“三全兩高一大”的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”智慧大平臺(tái),擴(kuò)大教育信息化覆蓋范圍,進(jìn)一步提升教師、學(xué)生的信息化水平與信息素養(yǎng),強(qiáng)化教育信息化對(duì)教學(xué)改革,尤其是課程改革的服務(wù)與支撐作用。因此,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理中引入智能化的信息管理系統(tǒng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行有效管理,不但是教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)得以有效展開(kāi)的前提,也是衡量實(shí)踐教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理水平的重要依據(jù),更是培養(yǎng)和提高學(xué)生信息素養(yǎng)的重要手段和方法[2]。
目前,各高校的實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理以紙質(zhì)版與電子版混合的形式存在,紙質(zhì)版實(shí)驗(yàn)報(bào)告延續(xù)以往的管理方式,電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告則以word或pdf電子文檔形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)紙質(zhì)文檔[3,4]。雖然,在報(bào)告形式上發(fā)生了轉(zhuǎn)變,但是在報(bào)告批改、統(tǒng)計(jì)、分析等方面的弊端依然存在。因此,面對(duì)傳統(tǒng)紙質(zhì)與電子形式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告不易保存、不易管理、不易統(tǒng)分、內(nèi)容抄襲、樣式排版不統(tǒng)一等弊端[5-10],雖然各高校在信息化建設(shè)中都將實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)納入智能化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)之中,但是具體到各個(gè)院校實(shí)際需求,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)在人工智能技術(shù)融合、校本適應(yīng)性方面還存在不少問(wèn)題,需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)地研究與解決。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)不但缺少對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容的抄襲自動(dòng)檢測(cè)功能、師生評(píng)語(yǔ)交流互動(dòng)功能、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總結(jié)與反思功能、數(shù)據(jù)智能可視化分析等功能[11],還存在系統(tǒng)功能固定化,并發(fā)性不高、安全性不強(qiáng),無(wú)法滿足高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際對(duì)于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的管理需求,最終導(dǎo)致高校引入的實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)不能滿足實(shí)際需要,使用流于形式以至于達(dá)不到預(yù)期的效果。
本系統(tǒng)采用SSM框架軟件開(kāi)發(fā)技術(shù),融合向量空間模型算法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款具備抄襲檢測(cè)、在線批改、數(shù)據(jù)自動(dòng)分析與可視化、報(bào)告打包下載等功能的智能化實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)。以期實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的高效管理,減輕教務(wù)管理員、教師、學(xué)生的工作與學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可視化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理。
1 智能化實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)的背景和必要性
合肥學(xué)院人工智能與大數(shù)據(jù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心創(chuàng)建于2003年,擁有專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員11人,承擔(dān)院內(nèi)六個(gè)專業(yè)約1700人的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理模式是以班級(jí)或小組為單位,由班長(zhǎng)收集班級(jí)每位學(xué)生的紙質(zhì)或電子檔實(shí)驗(yàn)報(bào)告,而后統(tǒng)一交給實(shí)驗(yàn)任課教師;教師在收到報(bào)告以后以手工的方式逐一對(duì)電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告分?jǐn)?shù)批改、評(píng)語(yǔ)批注,并對(duì)每位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)逐一進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、匯總;最后,教師將分?jǐn)?shù)、評(píng)語(yǔ)進(jìn)行反饋,并對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)、存檔等操作。這個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告處理過(guò)程包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告的收集、批改、統(tǒng)計(jì)、分析、反饋、存檔等環(huán)節(jié),由于教師所帶課程數(shù)量和班級(jí)人數(shù)較多,且存在報(bào)告處理環(huán)節(jié)復(fù)雜、反饋周期長(zhǎng)、存儲(chǔ)可靠性差、報(bào)告內(nèi)容抄襲、評(píng)語(yǔ)難反饋、存檔難查閱等問(wèn)題,完成這一過(guò)程需要耗費(fèi)教師大量的精力,而且效果往往也不好。學(xué)生由于每學(xué)期課程繁多,每門課都存在若干個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)任務(wù),對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的管理、問(wèn)題的反饋、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的反思等都難以記錄,使得遇到問(wèn)題不能得到及時(shí)解決,嚴(yán)重打擊了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作的積極性。另外,由于教務(wù)管理部門受各種因素的限制,對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏長(zhǎng)期、有效的監(jiān)控手段,導(dǎo)致學(xué)校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量難以保障。因此,急需一款智能化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)來(lái)解決傳統(tǒng)方式管理中存在的問(wèn)題。
2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)介紹
2.1 SSM框架
SSM框架是Spring、SpringMVC、Mybatis三種web軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)集成的簡(jiǎn)稱[12,13]。該框架采用基于MVC的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)模式將系統(tǒng)劃分表示層(View)、業(yè)務(wù)邏輯層(Control)、數(shù)據(jù)持久層(Model)三個(gè)層次。其中Spring技術(shù)是一種輕量級(jí)、開(kāi)源化的框架,通過(guò)控制反轉(zhuǎn)(IOC)和面向切片(AOP)兩個(gè)核心功能,對(duì)容器中的各個(gè)組件之間的調(diào)用和重用進(jìn)行管理,為企業(yè)級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了一種輕量級(jí)解決方案;SpringMVC框架是集成于Spring組件的一部分,它作為系統(tǒng)的整體基礎(chǔ)架構(gòu)提供控制業(yè)務(wù)邏輯的跳轉(zhuǎn),負(fù)責(zé)系統(tǒng)MVC層次的分離;Mybaitis是一種面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)表對(duì)象關(guān)系SQL語(yǔ)句映射框架,提供了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作和訪問(wèn)的輕量級(jí)參數(shù)和結(jié)果封裝,通過(guò)該框架能夠以面向?qū)ο蠛蚐QL語(yǔ)句結(jié)合的方式訪問(wèn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。這三種框架技術(shù)相互搭配、靈活運(yùn)用,能夠幫助程序開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行快速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。
2.2 向量空間模型算法
向量空間模型(Vector Space Model,VSM)是一種綜合利用文本局部和全局信息對(duì)文本進(jìn)行向量化表示,并使用向量空間坐標(biāo)中的夾角或位置關(guān)系來(lái)衡量文本間相似度的一種算法[14-16]。該算法自20世紀(jì)70年代由Salton等人提出后,已經(jīng)被成功地應(yīng)用于各種文本檢索系統(tǒng)中,算法的有效性得到進(jìn)一步證明,實(shí)踐中得到較為理想的檢索結(jié)果[17]。
2.3 報(bào)告生成與預(yù)覽技術(shù)
系統(tǒng)主要功能圍繞對(duì)高校實(shí)驗(yàn)報(bào)告的管理,使用百度開(kāi)發(fā)的web前端富文本編輯技術(shù)(UEditor)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的在線錄入和編輯,該文本編輯器是一款輕量級(jí)、可定制、所見(jiàn)即所得的仿word編輯器在線文本編輯技術(shù);報(bào)告生成使用開(kāi)源JsPDF插件,該插件能夠?qū)W(xué)生錄入的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容按照固定格式轉(zhuǎn)換為pdf文檔。教師端對(duì)報(bào)告批改采用了swfTools在線預(yù)覽技術(shù),該插件可以自動(dòng)將word、pdf轉(zhuǎn)化為swf格式的在前端以動(dòng)畫(huà)方式進(jìn)行預(yù)覽,為教師進(jìn)行報(bào)告分?jǐn)?shù)批改、評(píng)語(yǔ)錄入等操作提供方便。
3 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于eclipse軟件開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行,前端界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)采用基于W3C標(biāo)準(zhǔn)的html+css3+JavaScript的UI設(shè)計(jì)體系,并在設(shè)計(jì)中引入Jquery+layUI對(duì)UI界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。用戶可以通過(guò)平板、電腦端瀏覽器即可打開(kāi)系統(tǒng),打開(kāi)系統(tǒng)操作界面后,即可通過(guò)瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,服務(wù)器根據(jù)用戶從瀏覽器中傳遞的操作指令,對(duì)接收的指令進(jìn)行解析、查找、返回等操作,最終將查找到的相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端瀏覽器,經(jīng)過(guò)客戶端瀏覽器渲染后展示給用戶,這個(gè)過(guò)程如圖1所示。
3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
智能化實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)作為高校實(shí)踐教學(xué)信息化系統(tǒng)的重要組成部分,應(yīng)當(dāng)能夠充分運(yùn)用信息化和智能化的手段,以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)與教務(wù)管理的工作效率。本系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)實(shí)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題而設(shè)計(jì),按照用戶角色將系統(tǒng)劃分為學(xué)生、教師、管理員和相似度檢測(cè)四個(gè)模塊,前三個(gè)模塊的功能根據(jù)實(shí)際用戶使用需求完成對(duì)應(yīng)操作,相似度檢測(cè)模塊為其他模塊提供相似度檢測(cè)接口,具體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.2.1 學(xué)生模塊
學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前登錄系統(tǒng)查看要求,并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后在線或離線完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě),其中離線撰寫(xiě)的報(bào)告可以直接復(fù)制到系統(tǒng)中;學(xué)生端可以點(diǎn)擊重復(fù)率檢測(cè)按鈕,系統(tǒng)后臺(tái)會(huì)自動(dòng)調(diào)用文本相似度檢測(cè)模塊對(duì)提交的報(bào)告進(jìn)行相似度檢測(cè),當(dāng)重復(fù)率小于教師設(shè)定的閾值時(shí),系統(tǒng)將提交到服務(wù)器端,當(dāng)重復(fù)率大于閾值時(shí),學(xué)生可以在線修改,可以暫時(shí)保存供以后修改。當(dāng)需要提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告超過(guò)事先設(shè)定的截止日期以后,系統(tǒng)會(huì)將報(bào)告自動(dòng)提交,以當(dāng)前的重復(fù)率展示在教師端,為教師判定是否是抄襲提供依據(jù);并且在此模塊中學(xué)生還可以通過(guò)答疑互動(dòng)功能對(duì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題與教師進(jìn)行留言互動(dòng),查看、討論實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改評(píng)語(yǔ)。
3.2.2 教師模塊
教師登錄系統(tǒng)以后,可以通過(guò)任務(wù)錄入模塊選擇班級(jí)錄入相關(guān)實(shí)驗(yàn)信息、發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)、設(shè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)構(gòu)等;在學(xué)生提交了報(bào)告以后,教師可以通過(guò)成績(jī)批閱模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告以班級(jí)、實(shí)驗(yàn)名稱等條件進(jìn)行刪、查、改以及存檔、恢復(fù)操作;通過(guò)swfTools技術(shù)提供的預(yù)覽功能,通過(guò)彈出框?qū)?shí)驗(yàn)報(bào)告邊瀏覽、邊批改和評(píng)語(yǔ)撰寫(xiě);通過(guò)成績(jī)分析功能可以按照班級(jí)、實(shí)驗(yàn)名稱、課程名稱等條件查詢對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成績(jī),將結(jié)果以圖、表的形式進(jìn)行展示;使用報(bào)告導(dǎo)出功能教師可以以班級(jí)、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)名稱進(jìn)行打包下載pdf電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告;使用答疑互動(dòng)功能可以及時(shí)查看學(xué)生的疑問(wèn)留言,與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流。
3.2.3 管理員模塊
通過(guò)該模塊管理員不但可以對(duì)教師、學(xué)生的個(gè)人基本信息進(jìn)行管理,也可以按照二級(jí)學(xué)院、班級(jí)對(duì)師生個(gè)人信息進(jìn)行批量增、刪、查、改操作,還可以將教師和學(xué)生登錄系統(tǒng)的時(shí)間、地點(diǎn)、主機(jī)IP,停留時(shí)間等以圖表的形式呈現(xiàn);可以通過(guò)課程管理功能實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展情況的監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)課程的進(jìn)度,以及學(xué)生的報(bào)告提交情況、教師的報(bào)告批改情況;通過(guò)成績(jī)管理功能可以實(shí)現(xiàn)以年級(jí)、班級(jí)為單位導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)成績(jī)分析表,對(duì)年級(jí)、班級(jí)的歷史成績(jī)進(jìn)行在線對(duì)比分析,并且可以進(jìn)行成績(jī)分析的在線打印和導(dǎo)出。
3.2.4 相似度檢測(cè)模塊
服務(wù)器在接收到學(xué)生端提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告文本數(shù)據(jù)后,自動(dòng)將報(bào)告內(nèi)容與數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存在的與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱相同的報(bào)告進(jìn)行文本相似度計(jì)算,返回文本間相似度最大的值作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的最終重復(fù)率結(jié)果,以供在其他模塊中調(diào)用顯示。該模塊算法的實(shí)現(xiàn)步驟包括對(duì)報(bào)告內(nèi)容的分詞、去停用詞、非中文字符過(guò)濾、TF-IDF統(tǒng)計(jì)、文本向量化表示、文本相似度計(jì)算、返回結(jié)果等操作,如圖3所示。
其中該系統(tǒng)的分詞采用了中科院研發(fā)的NLPIR-ICTCLAS2015漢語(yǔ)分詞系統(tǒng)[18]。該系統(tǒng)具備專業(yè)的中英文混合分詞功能,具有強(qiáng)大的兼容性,可以無(wú)縫嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中,且其本身是基于Java語(yǔ)言的開(kāi)源代碼,所有的功能和操作都已經(jīng)被封裝為標(biāo)準(zhǔn)的Java API接口。系統(tǒng)采用哈工大整理的具有767個(gè)停用詞,每次相似度計(jì)算的文本向量長(zhǎng)度采用兩個(gè)文本中所包含詞的總數(shù),這里使用的實(shí)驗(yàn)報(bào)告相似度計(jì)算方法為向量間的余弦相似度計(jì)算公式,該公式能夠有效地計(jì)算文本向量間的相似度[5,19],如公式1所示。
其中D1、D2表示兩個(gè)文本,di、dj分別為文本D1、D2的句子i和j的詞頻-逆文本頻率向量化表示,表示在文本i和j中第t個(gè)詞出現(xiàn)的詞頻-逆文本頻率值。
4 系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用
基于SSM框架的智能化實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng)于2018年初安裝部署在院實(shí)驗(yàn)中心服務(wù)器上,面向人工智能與大數(shù)據(jù)學(xué)院全體教務(wù)管理員、教師和學(xué)生使用(見(jiàn)圖4所示)。自上線以來(lái)先后有186門課程的使用記錄,系統(tǒng)訪問(wèn)量突破10萬(wàn)人次,特別是2020年上半年在COVID-19新型冠狀病毒肺炎的疫情背景下,全院122名教師、94門課程全部采用本系統(tǒng)對(duì)所授實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行管理,較好地解決了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的收集、批改、保存、進(jìn)度監(jiān)測(cè)等問(wèn)題,獲得了教師和學(xué)生的一致好評(píng)。他們表示該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常符合實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理工作的特點(diǎn),能夠極大地提高學(xué)習(xí)和工作效率,在一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容抄襲、不易保管、不易統(tǒng)分、樣式排版等問(wèn)題。目前本系統(tǒng)已經(jīng)獲得校教務(wù)處的支持,在全校范圍內(nèi)進(jìn)行推廣使用。同時(shí),本課題組也將針對(duì)部分教師和學(xué)生在使用中的反饋,也將在后期進(jìn)行相應(yīng)的完善,并及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和更新,以期在全校,甚至是向全國(guó)的高校進(jìn)行推廣和使用。
5 結(jié)語(yǔ)
基于SSM框架的智能化實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理系統(tǒng),有效融合了人工智能領(lǐng)域空間向量模型算法和較先進(jìn)的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù),能夠有效地對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的文本相似度進(jìn)行檢測(cè),避免學(xué)生之間報(bào)告的抄襲,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)紙質(zhì)或電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告的不足,方便了學(xué)生和教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的管理,簡(jiǎn)潔、友好地操作界面大大提高了教師開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工作效率,大大提升了實(shí)驗(yàn)室管理工作的信息化和智能化水平。
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