一種智能評(píng)改報(bào)告與監(jiān)督的實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁麗勤 張寶健 郭獻(xiàn)章 周紅仙

（1.東北大學(xué)秦皇島分校，實(shí)驗(yàn)教育中心 河北省秦皇島市 066004）（2.東北大學(xué)秦皇島分校，控制工程學(xué)院 河北省秦皇島市 066004）

1 引言

2018年4月，教育部提出的《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》[1]積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”發(fā)展，促進(jìn)信息技術(shù)和智能技術(shù)深度融入教育全過(guò)程，推動(dòng)改進(jìn)教學(xué)管理。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育教學(xué)環(huán)節(jié)中理論聯(lián)系實(shí)際的重要一環(huán)，因此，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的信息化是新時(shí)代對(duì)實(shí)驗(yàn)教育工作者提出的新要求。

近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用進(jìn)展迅速[2-8]，各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心普遍將計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和實(shí)驗(yàn)室管理以集合云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行智能、全面的信息收集、處理，使得實(shí)驗(yàn)室工作人員的工作流程更為簡(jiǎn)單、高效。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)改革中的翻轉(zhuǎn)課堂、微課等教學(xué)方式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[9-11]，而學(xué)生實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)的效果是翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方式效果實(shí)現(xiàn)的至關(guān)重要的因素。因此，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)提出了增加預(yù)習(xí)監(jiān)督與管理部分的要求。

然而，現(xiàn)有的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)缺少監(jiān)督機(jī)制，如預(yù)習(xí)不完整、抄襲預(yù)習(xí)報(bào)告等現(xiàn)象不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和避免，則無(wú)法保證翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施效果；對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程大都沒(méi)有相關(guān)的監(jiān)控機(jī)制，這就導(dǎo)致對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的一些作弊行為沒(méi)有防范措施；紙質(zhì)預(yù)習(xí)報(bào)告的書(shū)寫(xiě)仍然占用學(xué)生的較多的時(shí)間而導(dǎo)致預(yù)習(xí)效率不高；教師批改紙質(zhì)報(bào)告的重復(fù)性工作量較大等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，智能評(píng)改和預(yù)習(xí)監(jiān)督的實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了預(yù)習(xí)監(jiān)督、數(shù)據(jù)自動(dòng)改判、報(bào)告自動(dòng)生成、評(píng)語(yǔ)智能給出、教師主動(dòng)干預(yù)等功能模塊，以有效的保證翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)效果及防范學(xué)生在預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的作弊行為，提高預(yù)習(xí)質(zhì)量，提升學(xué)習(xí)效率，減少學(xué)生的無(wú)效學(xué)習(xí)時(shí)間等。

2 智能評(píng)改報(bào)告和監(jiān)督的實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)習(xí)監(jiān)督設(shè)計(jì)

預(yù)習(xí)信息管理用來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)。預(yù)習(xí)信息管理包含有預(yù)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)、題目解答、預(yù)習(xí)報(bào)告的形成三個(gè)部分。由于預(yù)習(xí)功能的設(shè)置，本系統(tǒng)提供的實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施強(qiáng)制預(yù)習(xí)。學(xué)生通過(guò)帶有攝像功能的電腦，上網(wǎng)看實(shí)驗(yàn)講義文本、視頻等，并解答預(yù)習(xí)試題，全部試題回答完畢， 則自動(dòng)生成帶有學(xué)生照片的電子預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。相比于傳統(tǒng)的紙質(zhì)的預(yù)習(xí)報(bào)告形式，無(wú)紙化報(bào)告，人臉識(shí)別智能監(jiān)督，能夠減少預(yù)習(xí)時(shí)間、提高預(yù)習(xí)效果、督促學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，這是本實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)與其它的實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)的最為明顯的不同之處。

圖1：實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能評(píng)改報(bào)告和監(jiān)督的實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)包括有學(xué)生終端、教師終端、應(yīng)用服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器四部分。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.2.1 學(xué)生終端設(shè)計(jì)

連接有監(jiān)控?cái)z像頭、內(nèi)置有瀏覽器程序的學(xué)生終端，與實(shí)驗(yàn)室中常用的實(shí)驗(yàn)儀器連接， 并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用服務(wù)器連接。通過(guò)其上內(nèi)置的瀏覽器程序，學(xué)生終端能夠完成與應(yīng)用服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，這些交互包含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及采集圖像的上傳。因此，學(xué)生終端上實(shí)現(xiàn)的內(nèi)置功能包括：學(xué)生登錄功能、預(yù)習(xí)功能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入以及拍攝監(jiān)控功能。

2.2.2 教師終端設(shè)計(jì)

內(nèi)置有瀏覽器程序的教師終端，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接至應(yīng)用服務(wù)器。通過(guò)上述的瀏覽器，教師終端完成與應(yīng)用服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，包括：教師的登錄，編輯題目的上傳，調(diào)取實(shí)驗(yàn)學(xué)生圖像、學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及對(duì)學(xué)生作答題目，并根據(jù)以上數(shù)據(jù)評(píng)分。因此，教師終端實(shí)現(xiàn)的功能包括：教師登錄功能、題目編輯功能，以及智能評(píng)改功能。

2.2.3 應(yīng)用服務(wù)器終端設(shè)計(jì)

應(yīng)用服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器包括：登錄模塊、預(yù)習(xí)模塊、時(shí)間限定模塊、拍攝監(jiān)控模塊、預(yù)習(xí)卷生成模塊、智能處理模塊、智能評(píng)分模塊、題目編輯模塊、報(bào)告生成模塊以及自動(dòng)評(píng)語(yǔ)模塊。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分別與學(xué)生終端及教師終端連接，接收學(xué)生終端上傳的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并傳輸給教師終端，而且接受學(xué)生終端上傳的實(shí)時(shí)采集學(xué)生圖像，進(jìn)行人臉識(shí)別并將識(shí)別結(jié)果傳輸給教師終端。

2.2.4 數(shù)據(jù)服務(wù)器終端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用服務(wù)器連接，為預(yù)習(xí)過(guò)程中題目解答、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)采集學(xué)生圖像提供持久化存儲(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)通過(guò)分布式設(shè)置學(xué)生終端、教師終端、應(yīng)用服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理，同時(shí)利用監(jiān)控?cái)z像頭在學(xué)生預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集圖像并進(jìn)行人臉識(shí)別，有效的防止了學(xué)生在預(yù)習(xí)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的作弊行為。

3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

智能評(píng)改與監(jiān)督的實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)運(yùn)行流程根據(jù)使用者角度可分為學(xué)生終端業(yè)務(wù)流 程和教師終端業(yè)務(wù)流程兩種。以下內(nèi)容分別從兩個(gè)角度介紹實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)的運(yùn)行流程。

3.1 學(xué)生終端業(yè)務(wù)流程

學(xué)生終端運(yùn)行的主要業(yè)務(wù)流程為：學(xué)生在學(xué)生終端登錄系統(tǒng)之后，由列出的實(shí)驗(yàn)列表中選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；在選擇了對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)之后，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，或者直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；在預(yù)習(xí)完成后，系統(tǒng)自動(dòng)生成帶有預(yù)習(xí)學(xué)生圖像的預(yù)習(xí)報(bào)告，并將預(yù)習(xí)情況存入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)驗(yàn)完成后，將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入預(yù)置的實(shí)驗(yàn)表格；實(shí)驗(yàn)表格進(jìn)行計(jì)分之后，將計(jì)分結(jié)果，即本次實(shí)驗(yàn)的得分存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 教師終端業(yè)務(wù)流程

教師終端運(yùn)行的主要業(yè)務(wù)流程為：教師在教師終端上登錄之后，可以進(jìn)行題目編輯，并將編輯好的題目入庫(kù)；完成上述入庫(kù)操作之后，教師可以對(duì)已經(jīng)編輯好的題目進(jìn)行查看，或者將不符合要求的題目刪除；教師終端還提供給教師進(jìn)行分?jǐn)?shù)及報(bào)告查看的接口，通過(guò)該接口，教師可以對(duì)學(xué)生提交的報(bào)告以及對(duì)應(yīng)的打分進(jìn)行查看；教師還可通過(guò)教師終端查看學(xué)生終端上傳的采集圖像，以判斷學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中是否存在作弊現(xiàn)象。

4 系統(tǒng)運(yùn)行界面

教師輸入正確的用戶名和密碼可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)評(píng)定系統(tǒng)主界面。主界面包含預(yù)習(xí)題庫(kù)、預(yù)習(xí)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等選項(xiàng)。單擊“預(yù)習(xí)報(bào)告”菜單可選擇人臉識(shí)別結(jié)果、教師打分、預(yù)習(xí)成績(jī)、預(yù)習(xí)報(bào)告和預(yù)習(xí)情況統(tǒng)計(jì)等選項(xiàng)。單擊“實(shí)驗(yàn)報(bào)告|實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定”菜單命令可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定界面。

學(xué)生輸入正確的用戶名和密碼可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入。預(yù)習(xí)中學(xué)生可以看到預(yù)習(xí)進(jìn)度和監(jiān)控中的本人圖像。系統(tǒng)可隨機(jī)提取預(yù)習(xí)中采集到的學(xué)生圖像與系統(tǒng)中的本人圖像進(jìn)行人臉識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果提供給教師終端。

5 結(jié)束語(yǔ)

教育信息化2.0 時(shí)代，在互聯(lián)網(wǎng)+教育的推動(dòng)下，教學(xué)方式和方法將進(jìn)行深刻變革。同時(shí)，在信息技術(shù)支撐環(huán)境下，教師能夠快速對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)行診斷，并及時(shí)反饋。除了與課堂深入融合外，信息技術(shù)也越來(lái)越多地走向教學(xué)管理、教學(xué)場(chǎng)景、考試評(píng)價(jià)等方面。智能評(píng)改與監(jiān)督的實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)與現(xiàn)代機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)緊密結(jié)合，相比于傳統(tǒng)的紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式，無(wú)紙化報(bào)告、智能化監(jiān)督的功能，減少了預(yù)習(xí)時(shí)間，提高了預(yù)習(xí)效果；自動(dòng)數(shù)據(jù)分析，智能評(píng)語(yǔ)的功能，減輕了老師的工作強(qiáng)度，增加了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果信息反饋的及時(shí)性與準(zhǔn)確性；教師的主動(dòng)干預(yù)，彌補(bǔ)了人臉識(shí)別對(duì)光線、姿態(tài)、表情、附著物等因素影響較大的不足，也體現(xiàn)了教師的負(fù)責(zé)態(tài)度。

綜上，本文所提出的智能評(píng)改與監(jiān)督的實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)為需要課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方式提供有益的技術(shù)支撐，是對(duì)實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)的一次有益嘗試和探索。在慕課平臺(tái)開(kāi)展的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、大學(xué)英語(yǔ)和通識(shí)爾雅等精品在線開(kāi)放課程的課程管理中具有一定的推廣和參考價(jià)值。