遠(yuǎn)程教育的智慧化程序設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)

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［摘要］針對工程型遠(yuǎn)程教育特點(diǎn)，從智慧身份認(rèn)證、教學(xué)資源重構(gòu)和評價(jià)體系建設(shè)三個(gè)維度出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智慧化程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)采用人臉識(shí)別方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育的過程控制，以知識(shí)塊為建設(shè)單元，以專業(yè)技能提升為目標(biāo)，重構(gòu)遠(yuǎn)程教育教學(xué)資源，以分布式智能測評和不同崗位能力需求設(shè)計(jì)個(gè)性化評價(jià)機(jī)制。實(shí)際教學(xué)效果證明，該平臺(tái)創(chuàng)新了遠(yuǎn)程教育教學(xué)服務(wù)模式，有效提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)和程序設(shè)計(jì)綜合能力。

［關(guān)鍵詞］遠(yuǎn)程教育；程序設(shè)計(jì)；資源建設(shè)；評價(jià)機(jī)制；身份認(rèn)證

一、工程型遠(yuǎn)程教育的特點(diǎn)

成人（繼續(xù)）教育的對象是社會(huì)上各行各業(yè)的成人，其參與工程型遠(yuǎn)程教育旨在提升職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)技能［5］，完成不同發(fā)展階段的晉升任務(wù)，具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)目的性。（1）突出實(shí)踐性，專注技能提升。工程型遠(yuǎn)程教育不同于常規(guī)遠(yuǎn)程教育，實(shí)踐性環(huán)境對配合理論學(xué)習(xí)、提升職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)技能具有重要意義，所有學(xué)習(xí)者都是為了增強(qiáng)崗位競爭力這一核心目標(biāo)。（2）職業(yè)階段不同，水平參差不齊。遠(yuǎn)程教育的參與者來自不同行業(yè)和不同崗位，其職業(yè)發(fā)展階段各不相同，知識(shí)儲(chǔ)備差距較大，專業(yè)技能提升目標(biāo)也不盡相同，“同質(zhì)化、普教化”教學(xué)模式及平臺(tái)無法滿足需求［6］。

二、平臺(tái)的整體規(guī)劃

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

基于遠(yuǎn)程教育的智慧化程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)立足工程型遠(yuǎn)程教育特點(diǎn)，圍繞智慧身份認(rèn)證、教學(xué)資源重構(gòu)和評價(jià)機(jī)制建設(shè)三個(gè)核心問題，將人臉識(shí)別技術(shù)［7］引入遠(yuǎn)程教育過程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智慧身份認(rèn)證，保證遠(yuǎn)程教育的真實(shí)性和有效性，重構(gòu)遠(yuǎn)程教育程序類課程，以知識(shí)塊為建設(shè)單元，滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，依托OJ系統(tǒng)，建設(shè)多元評價(jià)機(jī)制，促進(jìn)多樣化專業(yè)技能提升，切實(shí)改善遠(yuǎn)程教育智慧學(xué)習(xí)環(huán)境［8］。

（二）功能分析

1.智慧身份認(rèn)證。該模塊包括人臉樣本特征庫管理、人臉圖像自動(dòng)采集和上傳、人臉識(shí)別、預(yù)警控制等功能。系統(tǒng)接軌校園信息化建設(shè)，構(gòu)建所有學(xué)生的人臉圖像特征信息庫，通過人臉自動(dòng)采集和上傳、特征提取和人臉識(shí)別等技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)配置在平臺(tái)登錄環(huán)節(jié)和其他實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中實(shí)時(shí)進(jìn)行身份驗(yàn)證［9］，防止中途離開、代替學(xué)習(xí)等不良情況發(fā)生，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的過程監(jiān)控，保證整個(gè)學(xué)習(xí)過程都是由學(xué)生本人進(jìn)行，確保教學(xué)效果的真實(shí)有效。2.教學(xué)資源重構(gòu)。該模塊包括程序設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)庫管理、課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫管理、課程考試題庫管理、科研孵化項(xiàng)目庫管理、企業(yè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目庫管理、程序測試數(shù)據(jù)庫管理等功能。圍繞專業(yè)技能提升目標(biāo)，重構(gòu)程序設(shè)計(jì)類課程，凝練基本語法、順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、隊(duì)列、圖等程序設(shè)計(jì)核心知識(shí)塊，再以知識(shí)塊為建設(shè)單元，融合行業(yè)主流應(yīng)用，校企、校校合作成果，構(gòu)建各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目庫。在開展實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生可以根據(jù)自身提升需求個(gè)性化選擇知識(shí)塊，重構(gòu)個(gè)性化課程，滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)［10］。3.多元評價(jià)機(jī)制。該模塊包括編譯器智能選擇、程序智能測評、分布式并發(fā)處理等功能。融合行業(yè)主流開發(fā)語言編譯器，實(shí)現(xiàn)程序代碼統(tǒng)一托管，引入OJ測評系統(tǒng)，融入代碼抄襲檢測［11］、代碼等功能，針對編譯、運(yùn)行、數(shù)據(jù)測試等各個(gè)環(huán)節(jié)給出細(xì)致合理的評判標(biāo)準(zhǔn)，推行多元評價(jià)機(jī)制，幫助學(xué)生快速了解程序運(yùn)行過程，并能根據(jù)不同的評判結(jié)果進(jìn)行快速有效的修改，加深對程序語言設(shè)計(jì)的理解。同時(shí)，針對大規(guī)模遠(yuǎn)程教育特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多服務(wù)器的分布式系統(tǒng)部署［12］，確保測評服務(wù)的快速響應(yīng)。4.系統(tǒng)管理。該模塊包括系統(tǒng)日志管理、預(yù)警控制配置管理、數(shù)據(jù)庫管理等功能。系統(tǒng)詳細(xì)記錄教師和學(xué)生的相關(guān)操作，形成系統(tǒng)操作日志，針對系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和各類故障情況，形成系統(tǒng)運(yùn)行日志，保證對系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況完全掌握。實(shí)現(xiàn)與智慧身份認(rèn)證模塊、多元評價(jià)模塊的無縫連接，管理人臉識(shí)別參數(shù)、程序智能測評參數(shù)等配置信息。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的定點(diǎn)備份、指定還原等功能。5.用戶管理。該模塊包括學(xué)生信息管理和教師信息管理等功能。實(shí)現(xiàn)對教師信息和學(xué)生信息的批量添加、指定刪除、定時(shí)備份等功能。6.統(tǒng)計(jì)分析。該模塊包括成績管理、圖形統(tǒng)計(jì)分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表導(dǎo)出打印、綜合查詢等功能。針對教師和學(xué)生的整個(gè)教與學(xué)的相關(guān)信息，包括學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)成績、教師班級(jí)總體實(shí)驗(yàn)情況等，能夠?qū)崿F(xiàn)多條件的復(fù)雜數(shù)據(jù)查詢，并針對各類對比性數(shù)據(jù)能形成直觀的對比數(shù)據(jù)圖表，同時(shí)還提供了相應(yīng)數(shù)據(jù)的報(bào)表導(dǎo)出和打印功能。

三、平臺(tái)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)

（一）智慧身份認(rèn)證

智慧身份認(rèn)證的核心是通過人臉識(shí)別技術(shù)確保參與遠(yuǎn)程教育的是本人，防止代替學(xué)習(xí)、中途離開等情況。智慧身份認(rèn)證適用于遠(yuǎn)程教育的各類網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，將其開發(fā)成功能獨(dú)立的模塊具有非常重要的意義。本文以.net作為開發(fā)平臺(tái)，采用C++和HTML5等開發(fā)技術(shù)［13］，接軌校園信息化建設(shè)，將學(xué)生注冊時(shí)的電子照片作為人臉識(shí)別訓(xùn)練庫，運(yùn)用OpenCV構(gòu)建平均人臉、特征臉和特征值（比率）等指標(biāo)，創(chuàng)建學(xué)生人臉樣本特征庫，實(shí)現(xiàn)客戶端自動(dòng)人臉采集、上傳和在線識(shí)別。同時(shí)，與平臺(tái)學(xué)生信息進(jìn)行共享，實(shí)時(shí)更新學(xué)生人臉識(shí)別訓(xùn)練圖片庫，保證人臉樣本特征庫的實(shí)時(shí)性和有效性。學(xué)生登錄平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)或測試時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)客戶端攝像頭進(jìn)行用戶人臉圖像獲取，并自動(dòng)上傳到識(shí)別服務(wù)器，在識(shí)別服務(wù)器中通過特征臉（PCA）方法與樣本特征庫中的對應(yīng)學(xué)生信息進(jìn)行比對。如果比對值在允許范圍內(nèi)，則身份認(rèn)證通過，繼續(xù)學(xué)習(xí)或測試。否則，身份認(rèn)證失敗，給出提示信息。

（二）教學(xué)資源重構(gòu)

教學(xué)資源是指課程視頻、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫、考試試題庫、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目庫等。傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育只注重單一理論課程資源建設(shè)，同時(shí)存在“同質(zhì)化、普教化”等問題。本文從成人教育特點(diǎn)出發(fā)，區(qū)別全日制高等教育，遵循OBE教育理念［14］，以行業(yè)專業(yè)技能提升為目標(biāo)，重構(gòu)程序設(shè)計(jì)課程群，凝練核心概念、經(jīng)典算法和關(guān)鍵技術(shù)等，以知識(shí)塊作為教學(xué)資源構(gòu)建單元，形成樹形知識(shí)點(diǎn)庫，創(chuàng)建MOOC、微課、虛擬項(xiàng)目等多樣化教學(xué)資源庫［15］，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的開放共享。具體建設(shè)中，重構(gòu)C語言程序設(shè)計(jì)、java程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程，凝練出基礎(chǔ)語法、順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、隊(duì)列、堆棧、圖等一級(jí)知識(shí)點(diǎn)，再對選擇結(jié)構(gòu)構(gòu)建if語句和switch語句，對循環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)建for、while、dowhile等二級(jí)知識(shí)點(diǎn)，以此類推，構(gòu)建完善的程序設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)庫。同時(shí)，根據(jù)不同行業(yè)、不同職位對程序設(shè)計(jì)能力的不同要求建設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫、工程實(shí)訓(xùn)庫和考試試題庫等。技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，本文采用B/S三層體系結(jié)構(gòu)，以.NET+SQLServer2016作為開發(fā)平臺(tái)，以Ajax方式進(jìn)行數(shù)據(jù)請求，以JSON方式組織數(shù)據(jù)傳輸，既保證開發(fā)的高效性，又保證系統(tǒng)部署和維護(hù)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(jià)建設(shè)

多元評價(jià)突出體現(xiàn)不同行業(yè)、不同職位對程序設(shè)計(jì)能力的不同要求，與重構(gòu)后的教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)匹配考核。通過分析項(xiàng)目經(jīng)理、系統(tǒng)分析師、軟件設(shè)計(jì)師、數(shù)據(jù)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(tái)實(shí)現(xiàn)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(shù)順序、修改數(shù)據(jù)類型、增加冗余語句或變量、拆分表達(dá)式、替換控制結(jié)構(gòu)等代碼抄襲或檢測方法，創(chuàng)建了代碼抄襲或、編譯、鏈接、運(yùn)行、測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證、消耗時(shí)間和消耗內(nèi)存等智能測評點(diǎn)，設(shè)計(jì)了CE（編譯錯(cuò)誤）、SE（系統(tǒng)錯(cuò)誤）、RE（運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤）、PE（輸出格式錯(cuò)誤）、WA（答案錯(cuò)誤）和AC（答案正確）、TLE（運(yùn)行超時(shí)）和MLE（內(nèi)存空間超出）等評價(jià)指標(biāo)庫。在進(jìn)行遠(yuǎn)程教育時(shí)，根據(jù)學(xué)生的不同職位和提升目標(biāo)，組合不同的方法、智能測評點(diǎn)及評價(jià)指標(biāo)，形成個(gè)性化考核評價(jià)體系，開展達(dá)成式考核評價(jià)［16］，切實(shí)提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和崗位專業(yè)技能。多元考核評價(jià)的核心是智能測評，面對多用戶、高并發(fā)的程序測評請求，本平臺(tái)采用多服務(wù)器分布式系統(tǒng)架構(gòu)，測評服務(wù)請求通過WebService方式進(jìn)行通信，模擬數(shù)據(jù)庫連接池構(gòu)建程序測評請求池，通過負(fù)載均衡服務(wù)器中的任務(wù)分發(fā)控制器進(jìn)行負(fù)載平衡［17］，將測評請求分發(fā)到相應(yīng)的測評服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)快速高效的程序測評服務(wù)響應(yīng)。

四、平臺(tái)的應(yīng)用及意義

智慧化程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)于2017年4月開始投入使用，依托嘉興學(xué)院成人教育學(xué)院開展遠(yuǎn)程教育。截至目前，已有“C／C++程序設(shè)計(jì)語言”“Java程序設(shè)計(jì)語言”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“程序設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)”等課程在平臺(tái)上應(yīng)用，共有注冊學(xué)生2000余人，知識(shí)點(diǎn)庫和各類項(xiàng)目庫包含的項(xiàng)目總計(jì)500余個(gè)，日均訪問使用量達(dá)500人次以上。該平臺(tái)同時(shí)還在浙江省省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心———嘉興學(xué)院計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)中心推廣使用，效果良好。平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用有效地促進(jìn)了程序設(shè)計(jì)類課程的遠(yuǎn)程教與學(xué)，教師能夠更加緊密地圍繞程序設(shè)計(jì)類課程群建設(shè)，以知識(shí)塊為建設(shè)單元、以專業(yè)技能為建設(shè)目標(biāo)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目庫，實(shí)現(xiàn)資源的開放共享。學(xué)生則通過智慧身份認(rèn)證更加注重學(xué)習(xí)過程，杜絕了中途離開、代替學(xué)習(xí)等情況的發(fā)生。同時(shí)，多元化評價(jià)機(jī)制的執(zhí)行激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生能夠根據(jù)自身提升需求完成達(dá)成式考核，有效促進(jìn)了遠(yuǎn)程教育的開展。

作者：吳軍強(qiáng) 許小東 單位：嘉興學(xué)院省級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)中心