遠程教育智慧化程序設計研究

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［摘要］針對工程型遠程教育特點，從智慧身份認證、教學資源重構和評價體系建設三個維度出發，設計并實現了智慧化程序設計實驗實訓平臺。該平臺采用人臉識別方式實現遠程教育的過程控制，以知識塊為建設單元，以專業技能提升為目標，重構遠程教育教學資源，以分布式智能測評和不同崗位能力需求設計個性化評價機制。實際教學效果證明，該平臺創新了遠程教育教學服務模式，有效提升了學生自主學習意識和程序設計綜合能力。

［關鍵詞］遠程教育；程序設計；資源建設；評價機制；身份認證

隨著教育信息化的不斷推進，遠程教育已經成為成人（繼續）教育的主流教學模式［1］。傳統遠程教育專注理論型通識課程網絡教學平臺的建設和應用［2］，對工程實踐型平臺研究較少。程序設計是計算機類專業的核心技能，具有很強的工程實踐性［3］。本文剖析工程型遠程教育教學特點，從智慧身份認證、教學資源重構和評價體系建設三個維度出發，探索智慧化程序設計實驗實訓平臺的建設與應用，創新遠程教育教學服務模式，對創建智慧學習環境，建設終身教育體系，促進學習型社會發展具有重要意義［4］。

一、工程型遠程教育的特點

成人（繼續）教育的對象是社會上各行各業的成人，其參與工程型遠程教育旨在提升職業素養和專業技能［5］，完成不同發展階段的晉升任務，具有很強的學習目的性。（1）突出實踐性，專注技能提升。工程型遠程教育不同于常規遠程教育，實踐性環境對配合理論學習、提升職業素養和專業技能具有重要意義，所有學習者都是為了增強崗位競爭力這一核心目標。（2）職業階段不同，水平參差不齊。遠程教育的參與者來自不同行業和不同崗位，其職業發展階段各不相同，知識儲備差距較大，專業技能提升目標也不盡相同，“同質化、普教化”教學模式及平臺無法滿足需求［6］。

二、平臺的整體規劃

（一）系統架構。基于遠程教育的智慧化程序設計實驗實訓平臺立足工程型遠程教育特點，圍繞智慧身份認證、教學資源重構和評價機制建設三個核心問題，將人臉識別技術［7］引入遠程教育過程監控，實現智慧身份認證，保證遠程教育的真實性和有效性，重構遠程教育程序類課程，以知識塊為建設單元，滿足個性化學習需求，依托OJ系統，建設多元評價機制，促進多樣化專業技能提升，切實改善遠程教育智慧學習環境［8］。實驗平臺系統架構如圖1所示。（二）功能分析。1.智慧身份認證。該模塊包括人臉樣本特征庫管理、人臉圖像自動采集和上傳、人臉識別、預警控制等功能。系統接軌校園信息化建設，構建所有學生的人臉圖像特征信息庫，通過人臉自動采集和上傳、特征提取和人臉識別等技術，根據系統配置在平臺登錄環節和其他實驗環節中實時進行身份驗證［9］，防止中途離開、代替學習等不良情況發生，實現遠程的過程監控，保證整個學習過程都是由學生本人進行，確保教學效果的真實有效。2.教學資源重構。該模塊包括程序設計知識點庫管理、課程實驗項目庫管理、課程考試題庫管理、科研孵化項目庫管理、企業實訓項目庫管理、程序測試數據庫管理等功能。圍繞專業技能提升目標，重構程序設計類課程，凝練基本語法、順序結構、選擇結構、隊列、圖等程序設計核心知識塊，再以知識塊為建設單元，融合行業主流應用，校企、校校合作成果，構建各類實驗教學項目庫。在開展實驗實訓教學時，學生可以根據自身提升需求個性化選擇知識塊，重構個性化課程，滿足個性化學習［10］。3.多元評價機制。該模塊包括編譯器智能選擇、程序智能測評、分布式并發處理等功能。融合行業主流開發語言編譯器，實現程序代碼統一托管，引入OJ測評系統，融入代碼抄襲檢測［11］、代碼等功能，針對編譯、運行、數據測試等各個環節給出細致合理的評判標準，推行多元評價機制，幫助學生快速了解程序運行過程，并能根據不同的評判結果進行快速有效的修改，加深對程序語言設計的理解。同時，針對大規模遠程教育特點，實現多服務器的分布式系統部署［12］，確保測評服務的快速響應。4.系統管理。該模塊包括系統日志管理、預警控制配置管理、數據庫管理等功能。系統詳細記錄教師和學生的相關操作，形成系統操作日志，針對系統運行的關鍵節點和各類故障情況，形成系統運行日志，保證對系統的整體運行情況完全掌握。實現與智慧身份認證模塊、多元評價模塊的無縫連接，管理人臉識別參數、程序智能測評參數等配置信息。同時，實現對數據庫的定點備份、指定還原等功能。5.用戶管理。該模塊包括學生信息管理和教師信息管理等功能。實現對教師信息和學生信息的批量添加、指定刪除、定時備份等功能。6.統計分析。該模塊包括成績管理、圖形統計分析、統計報表導出打印、綜合查詢等功能。針對教師和學生的整個教與學的相關信息，包括學生每次實驗成績、教師班級總體實驗情況等，能夠實現多條件的復雜數據查詢，并針對各類對比性數據能形成直觀的對比數據圖表，同時還提供了相應數據的報表導出和打印功能。

三、平臺的關鍵實現

（一）智慧身份認證。智慧身份認證的核心是通過人臉識別技術確保參與遠程教育的是本人，防止代替學習、中途離開等情況。智慧身份認證適用于遠程教育的各類網絡教學平臺，將其開發成功能獨立的模塊具有非常重要的意義。本文以.net作為開發平臺，采用C++和HTML5等開發技術［13］，接軌校園信息化建設，將學生注冊時的電子照片作為人臉識別訓練庫，運用OpenCV構建平均人臉、特征臉和特征值（比率）等指標，創建學生人臉樣本特征庫，實現客戶端自動人臉采集、上傳和在線識別。同時，與平臺學生信息進行共享，實時更新學生人臉識別訓練圖片庫，保證人臉樣本特征庫的實時性和有效性。其核心流程如圖2所示。學生登錄平臺進行學習或測試時，系統自動驅動客戶端攝像頭進行用戶人臉圖像獲取，并自動上傳到識別服務器，在識別服務器中通過特征臉（PCA）方法與樣本特征庫中的對應學生信息進行比對。如果比對值在允許范圍內，則身份認證通過，繼續學習或測試。否則，身份認證失敗，給出提示信息。（二）教學資源重構。教學資源是指課程視頻、實驗項目庫、考試試題庫、實訓項目庫等。傳統遠程教育只注重單一理論課程資源建設，同時存在“同質化、普教化”等問題。本文從成人教育特點出發，區別全日制高等教育，遵循OBE教育理念［14］，以行業專業技能提升為目標，重構程序設計課程群，凝練核心概念、經典算法和關鍵技術等，以知識塊作為教學資源構建單元，形成樹形知識點庫，創建MOOC、微課、虛擬項目等多樣化教學資源庫［15］，實現優質資源的開放共享。具體建設中，重構C語言程序設計、java程序設計、數據結構等課程，凝練出基礎語法、順序結構、選擇結構、循環結構、隊列、堆棧、圖等一級知識點，再對選擇結構構建if語句和switch語句，對循環結構構建for、while、dowhile等二級知識點，以此類推，構建完善的程序設計知識點庫。同時，根據不同行業、不同職位對程序設計能力的不同要求建設相應的實驗項目庫、工程實訓庫和考試試題庫等。技術實現上，本文采用B/S三層體系結構，以.NET+SQLServer2016作為開發平臺，以Ajax方式進行數據請求，以JSON方式組織數據傳輸，既保證開發的高效性，又保證系統部署和維護的便利性，確保信息管理的高效性和使用操作的友好性。（三）多元評價建設。多元評價突出體現不同行業、不同職位對程序設計能力的不同要求，與重構后的教學資源實現匹配考核。通過分析項目經理、系統分析師、軟件設計師、數據庫工程師、軟件測評師、程序員和測試員等職位的崗位履職能力要求，平臺實現了完全拷貝、修改注釋、重命名變量、重排代碼塊、常量替換、修改操作符或操作數順序、修改數據類型、增加冗余語句或變量、拆分表達式、替換控制結構等代碼抄襲或檢測方法，創建了代碼抄襲或、編譯、鏈接、運行、測試數據驗證、消耗時間和消耗內存等智能測評點，設計了CE（編譯錯誤）、SE（系統錯誤）、RE（運行時錯誤）、PE（輸出格式錯誤）、WA（答案錯誤）和AC（答案正確）、TLE（運行超時）和MLE（內存空間超出）等評價指標庫。在進行遠程教育時，根據學生的不同職位和提升目標，組合不同的方法、智能測評點及評價指標，形成個性化考核評價體系，開展達成式考核評價［16］，切實提升學生的實踐動手能力和崗位專業技能。多元考核評價的核心是智能測評，面對多用戶、高并發的程序測評請求，本平臺采用多服務器分布式系統架構，測評服務請求通過WebService方式進行通信，模擬數據庫連接池構建程序測評請求池，通過負載均衡服務器中的任務分發控制器進行負載平衡［17］，將測評請求分發到相應的測評服務器上，實現快速高效的程序測評服務響應。

四、平臺的應用及意義

智慧化程序設計實驗實訓平臺于2017年4月開始投入使用，依托嘉興學院成人教育學院開展遠程教育。截至目前，已有“C／C++程序設計語言”“Java程序設計語言”“數據結構”“程序設計綜合實訓”等課程在平臺上應用，共有注冊學生2000余人，知識點庫和各類項目庫包含的項目總計500余個，日均訪問使用量達500人次以上。該平臺同時還在浙江省省級實驗教學示范中心———嘉興學院計算機實驗中心推廣使用，效果良好。平臺的建設與應用有效地促進了程序設計類課程的遠程教與學，教師能夠更加緊密地圍繞程序設計類課程群建設，以知識塊為建設單元、以專業技能為建設目標，構建實驗教學項目庫，實現資源的開放共享。學生則通過智慧身份認證更加注重學習過程，杜絕了中途離開、代替學習等情況的發生。同時，多元化評價機制的執行激發了學生的學習積極性，使學生能夠根據自身提升需求完成達成式考核，有效促進了遠程教育的開展。

作者:吳軍強 許小東 單位:嘉興學院