大学化学, 2020, 35(9): 1-6 doi: 10.3866/PKU.DXHX201909004

教学研究与改革

“互联网+”背景下基础化学原理实验在线学习与考试系统的开发与实践

王小燕1, 戴冬梅1, 王静1, 王文龙2, 高洪涛,1

Development and Practice of Online Learning and Examination System of Basic Chemistry Laboratory under "Internet +" Background

Wang Xiaoyan1, Dai Dongmei1, Wang Jing1, Wang Wenlong2, Gao Hongtao,1

通讯作者: 高洪涛,Email: gaohtao@qust.edu.cn

收稿日期: 2019-09-2   接受日期: 2019-10-8  

基金资助: 教育部教育管理信息中心2018年度“‘互联网+’背景下的混合式学习研究”重点课题.  EIJYB2017-106
青岛科技大学2018年度教学研究重点项目.  2018ZD08
青岛科技大学2018年度教学研究面上项目.  2018MS19

Received: 2019-09-2   Accepted: 2019-10-8  

摘要

在移动互联网的飞速发展与智能手机等移动终端日趋普及的情况下,设计开发了基于移动端的基础化学原理实验在线学习与考试系统。该系统包括化学实验室安全教育与考试、实验基础理论学习、试题库资源、移动端在线考试、成绩管理和统计分析等五大功能。该系统的开发建设顺应了“互联网+教育”的发展趋势,有利于学生自主学习,节约考试资源。

关键词: 基础化学原理实验 ; 学习与考试系统 ; 在线 ; 移动端

Abstract

In recent years, the use of mobile terminals such as smart phones is increasingly popular with the rapid development of the mobile Internet. The online learning and examination system of basic chemistry laboratory is designed and developed under the background of "Internet + education". The system can achieve five functions: chemical laboratory safety education and examination, theoretical learning and examination of basic chemistry laboratory, test database management, online examination on mobile terminal, score management and statistical analysis. The development and construction of this online system conforms to the development trend of "Internet + education", which is beneficial to both students' independent learning and examination resource saving.

Keywords: Basic chemistry laboratory ; Learning and examination system ; Online ; Mobile terminal

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王小燕, 戴冬梅, 王静, 王文龙, 高洪涛. “互联网+”背景下基础化学原理实验在线学习与考试系统的开发与实践. 大学化学[J], 2020, 35(9): 1-6 doi:10.3866/PKU.DXHX201909004

Wang Xiaoyan. Development and Practice of Online Learning and Examination System of Basic Chemistry Laboratory under "Internet +" Background. University Chemistry[J], 2020, 35(9): 1-6 doi:10.3866/PKU.DXHX201909004

移动互联网的快速发展使得智能手机和平板电脑等移动终端逐渐普及,而学生群体已经成为移动互联网时代下的主力军[1]。与此相适应,中国大学MOOC、学堂在线、智慧树等网络教学平台以及雨课堂、超星学习通等智慧教学工具的不断涌现,使得教学方式多样化,学生学习方式更加多元化,这些变化给高等教育的变革带来了前所未有的机遇和挑战[2-4]。教育部2015年3号文《教育部关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》也对高校转变教育观念、创新教育教学方法、提高创新型专业人才培养质量提出了具体要求。置身其中的高等教育者纷纷主动适应信息化时代发展的需求,转变观念,在教学实践中探索、研究与之相适应的教育理念、教学方法和教学方式[5-7],将教育与移动互联网深度融合,充分利用移动互联技术为教学服务,加强课程的信息化建设,提高教学质量和学生学习质量,为创新人才的培养提供支持[8-12]

我校基础化学原理实验课程面向全校的9个学院28个专业开设,涉及学生约4200人次/年。由于上课班级众多,教师的教学任务繁重,传统的线下考试方式使得教学管理效率低下,考试内容及难易度差异较大。因此,以“互联网+”思想为核心,构建科学高效的基础化学原理实验在线考试系统具有极其重要的现实意义。我们设计并开发了支持移动端(智能手机和平板电脑)的基础化学原理实验在线学习与考试系统。该系统包括移动端(针对学生)、电脑端(针对教师)和后台处理(针对系统管理员),具有的实验室安全教育与测试、实验基础理论学习、题库管理、移动端在线考试、成绩管理和统计分析等功能强化了学生的安全意识,规范了考试内容,提高了基础化学原理实验考试效率。该系统界面友好,操作灵活快捷,不仅将教师从繁琐的考试工作中解放出来,实现无纸化考试,大大降低了考试成本,还有效提升了基础化学原理实验课程的教学质量及信息化水平。

1 目前基础化学原理实验课程笔试存在的问题

1.1 考试程序冗杂,资源浪费

传统的考试工作采用教师出卷、学生在纸质试卷上答题及教师评卷的模式。整个考试程序包括向教务处申请教室、实验中心组织命题、教务处组织试卷印刷、班级考试材料分装、考场安排、人员监考、考后人工阅卷、学生成绩人工核算、人工试卷分析等环节,这一系列考试程序使得考试准备周期长,效率低、手续繁琐,消耗了大量的人力、物力和财力。由于人员大量参与,该过程中出错率也较高。

1.2 考试内容、难易度差异较大

以往基础化学原理实验笔试的考题均由任课教师自主命题,由于上课班级众多,涉及近三十位代课教师。由于不同教师的特点及专业背景等有较大差别,且教师之间集中讨论不够充分,致使试题考查范围及难度存在较大差异,曾经出现大面积学生不及格的情况。

1.3 教师实验教学任务繁重

因基础化学原理实验课程面向全校开设,每位任课教师负责班级较多(至少2–3个班/学期/人),尤其第一学期上课班级近90个,教师工作任务十分繁重。此外,由于期末考试后的试卷批改时间较短,教师还需要完成统计学生成绩、试卷分析等工作,因此,客观上存在工作量大、统计不便利、数据分析结果不够直观等问题。

2 基础化学原理实验在线考试系统的总体设计

该考试系统部署运行于网站服务器集群上,能够承受高并发请求,抵御绝大多数的网络攻击,任何一台服务器的宕机都不会影响整个集群的运作,并且能够对各服务器的运行情况做出实时监控。前端服务器采用nginx实现反向代理和负载均衡,后端服务器采用apache作为web服务器,mysql作为数据库服务器;各个系统软件均安装最新的稳定版,保证系统的安全性和稳定性。该系统的网络拓扑图如图1所示。

图1

图1   基础化学原理实验在线考试系统网络拓扑图


基础化学原理实验考试系统设计为三大部分:电脑端、移动端和后台处理。其中,教师及系统管理员从电脑端登录系统,二者的操作权限不同。任课教师可对本班学生的安全教育、练习、随堂测试等进行管理,并可查询导出成绩及试卷分析报表;系统管理员可以对系统内部的角色、权限等关系进行分配,并可通过电脑端实时监控所有班级的考试情况及维护系统。学生通过移动端登录系统,可以查看个人信息、相应考试(测试)信息和操作说明,在规定时间内考试和提交答案,考试结束后可以查看成绩和答题情况等。后台处理由后台控制程序实现,是不可见模块,在服务器运行时,其主要功能是对前端请求进行及时的响应和处理。

3 基础化学原理实验在线考试系统功能模块介绍

该系统主要包括用户管理模块、实验室安全教育与考试模块、题库资源管理模块、学生在线学习模块、移动端考试模块、成绩管理及统计分析模块,系统架构如图2所示。

图2

图2   基础化学原理实验在线考试系统架构图


3.1 用户管理模块

该系统用户由教师、学生、管理员三种角色组成。

(1)教师(电脑端):教师可以管理负责机构内的学生信息,但需要系统管理员审核通过。教师登录系统后,可以创建题库,针对自己创建的题库可以进行添加子题库、编辑、删除、分配题库,以及预览、添加、编辑、删除、导入导出具体题目的操作;可以编辑试卷,可对试题进行导入;可对相关信息进行更新、整理等操作,包括教师登陆、学生管理、题库编辑、考试模式选择、试卷分析、教师退出登陆等。

(2)学生(移动端):该模块包含学生登录进入系统、在线练习、在线考试、成绩查询和退出系统等功能。在线考试时,学生使用自己的用户名和密码进入系统,系统随机组题进行考试,不同学生的考试题目不同,但涉及实验项目、各个实验的知识点、题型和考题难度系数由教师根据学生所属专业提前设定。

(3)管理员(后台处理):管理员可以管理所有组织机构,可以创建所有角色账号,为教师分配管理机构和管理权限,发布通知公告,查看在线用户信息等操作。管理员对组织机构的管理包括添加、编辑和删除;管理员也可以对各个机构内的学员进行管理,包括添加、编辑、删除、修改密码,添加学员时可逐个添加也可批量导入。管理员在试题管理模块可以管理题型、题库及具体题目,可以将题库分配给教师用户。

3.2 实验室安全教育与考试模块

教育部办公厅在《关于加强高校教学实验室安全工作的通知》(教高厅[2017]2号)文件中明确指出,“高校要建立教学实验室的安全准入制度,对进入实验室的师生必须进行安全技能和操作规范培训,未经相关安全教育并取得合格成绩者不得进入教学实验室”[13]。目前高校实验室安全现状不容乐观,近年来高校实验室发生了多起安全事故[14]。据文献报道,人为因素比例高达88%,其中安全意识淡薄是绝大多数事故发生的根本原因,因此,实验室安全管理工作的核心要义是“安全第一、教育为先”[15, 16]

基础化学原理实验课程面向全校相关专业的大一新生开设,绝大部分学生在高中期间很少进入化学实验室,亲自动手实验,实验室安全知识极其欠缺,所以对大一新生进入实验室前加强安全教育是一项极其紧迫和重要的工作。

为切实贯彻落实教育部规定,在基础化学原理实验在线学习与考试系统中单独建立了基础化学实验室安全知识题库(后续将进一步为不同专业的学生制定相应的题库),该题库中共有960道题目。针对实验室安全知识设置具有题库管理、学生管理、学生在线学习、模拟自测、成绩查询、综合评价等功能的实验室安全教育与考试管理系统,学生考核不合格不允许进入实验室学习。借助于校园网的推广,实现全员安全教育与考核,精确管理到学生个人。教学实践表明,基于移动端的实验室安全教育与考试系统有利于学生学习,也更容易实施大面积的学生测试。

3.3 题库资源管理模块

题库资源管理模块是整个在线考试系统的基础,其主要功能是进行开放式题库设计,包括试题录入、试题修改、试题删除、试题库预览等具体功能。题库按照树形结构显示。基本题型包含判断题、单选题、多选题、填空题、问答题、组合题等,可以在基本题型基础上创建新题型。试题中可以包含图片、视频、flash等内容且能够在线显示播放。试题有知识点、难易度等属性,通过excel模板导入题库。

题库内题量的丰富度是影响组卷的一个重要因素。基础化学原理实验题库涉及23个实验项目的教学内容及基本实验操作,目前题库中共有690 (将逐步更新、增加到1000)题,题型包括单选题、多选题和判断题。教学大纲是课程教学的根本,组建试题库的时候,一线任课教师均参照教学大纲,题目涵盖教学大纲规定的所有知识点,针对基本操作、实验原理、关键步骤等内容设计试题,确保试题难度适中、重难点突出,使考试内容更加科学合理,更能客观全面地考核学生的基本实验能力。

3.4 学生在线学习模块

学生学习模块主要用于学生自学,是教师线下课堂的有效补充。教学内容包括基础理论知识、基本操作(与实验中心录制的网络教学视频实现无缝链接)以及实验注意事项,方便学生自学理论知识,有利于知识的掌握。基本操作和注意事项部分主要用于课前学习,便于学生了解每次实验所涉及的操作,还可供学生课后观摩学习,与自己的操作相对照,规范操作,有利于学生实验技能的练习与掌握。学生还可选择单个题库进行练习,可随机练习所有题目,系统可记录错题,方便学生进行错题练习。该系统还支持学生选择一个或多个题库自建考卷进行测试,提交后即可查看成绩与答卷。

3.5 移动端考试模块

学生使用智能手机(或平板电脑)等移动终端进行考试,有效解决了大面积在线考试往往存在的机房紧张、电脑设备不足等问题。为了保证考试的公平性,避免试卷信息泄露,考试系统提供随机组卷功能。在线考试前,教师须按照知识点和难度等规则提前设定不同专业的实验项目及各实验项目题目的占比。正因如此,既实现了各学生考试试卷内容不同,同时又保证了每份试卷有一定的等价性。

试卷具有分类、有效期、成绩规则、显示方式、可考次数、考试时间、题目顺序随机、选项随机、考试成绩保密、支持恢复考试等属性。用户在线考试答题的过程中难免会发生意外情况,导致考试数据丢失,影响考试结果。为减少意外影响,系统提供自动保存答案功能。创建考试安排时可设置自动保存答案时间间隔,系统默认为1分钟。

3.6 成绩管理及统计分析模块

在线考试系统具有完善的成绩导出及成绩分析功能。学生提交试卷后,成绩管理系统即时完成试卷的批阅工作,并将学生成绩按照班级学号升序排列形成成绩单,自动保存。系统导出的成绩单含有各分数段人数统计以及及格率、最高分、最低分、平均分等数据。

统计分析模块能以班级为单位对成绩分布、试卷中易出错问题、各题回答准确率高低等情况进行分析,并将任意班级的成绩分布与所有平行班的平均成绩分布进行对比,以柱状图等形式直观地表现出来,如图3所示。该功能模块显著减轻了教师的工作量,提高了教师的工作效率。

图3

图3   系统导出的某教学班试卷分析图


4 系统建立和推广的意义

借助移动互联技术与移动终端开发的基础化学原理实验在线学习与考试系统便于学生自学,大大缩短了考试程序,降低了考试管理的复杂度,极大地节约了时间成本,避免了人力、物力等资源的浪费。并可规范管理考试成绩,增加了数据的安全性、准确性,有效地避免了传统纸质试卷的保存、试卷分析和考试成绩管理不便等问题,使考试工作更加科学高效。

考试系统中限定期末考试组卷权限管理人员仅为1人,可有效避免试题泄露。该考试系统的随机组卷功能,可有效解决人工出卷试题覆盖面及试题难度随意性较大等问题,通过考试模式改革规范教师教学。

该系统切实减轻了任课教师期末出卷、阅卷的工作量,其自动阅卷和统计分析功能显著提高了教师的工作效率,使原本繁琐的考试工作变得简单、轻松。

总之,基础化学原理实验在线学习与考试系统可实现学习、出卷、评卷、成绩统计以及试卷分析的自动化,实现无纸化考试。通过在线学习与考试系统的应用,有利于学生对于实验基础理论知识的学习,简化学生参加考试的流程,减轻教师的教学负担,提高教师工作效率。该在线考试系统界面友好,逻辑结构清晰,操作简便,易于维护和扩展。经过2个学期的实践,运转顺利,深受任课教师和学生的欢迎。在此基础上,我们将进一步完善该系统的相关功能,使其更好地为实验教学发挥作用。

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