面向高职教学质量保障体系的程序设计自主学习平台的研究与实现
中图分类号：TP393.09 文献标识码：A
1 前 言
4G技术、无线网络、移动终端等新技术的普及正在改变我们的生活方式和学习方式，突破课堂的时空限制、随时随地获取学习资源已经成为主流需求[1]，网络互动教学将成为高职教育教学的一部分，网络课程和各类网络自主学习平台的建设已成为校园教育信息化的重点，网络课程的数量和网络自主学习平台对日常教学工作支持的深入程度也成了判断一所高校的学校形象、发展水平和办学能力的重要因素[2]。
2 国内外研究现状
在我国，随着教育部加速实现教育信息化，以信息化带动教育现代化等方针和政策的推动，很多本科院校相继完成了不同程度的网络课程和网络学习平台的建设[3]。高职院校由于起步较晚、院校自身的技术力量薄弱以及经费投入受限等诸多因素的制约，其精力主要集中在传统的教学管理中，尚未将焦点转移到利用信息化的网络教学环境的建设上[4]。
在国外，网络辅助学习管理系统已有广泛的研究和应用，推广应用较广的包括Moodle、BlackBoard、Sakai等，这些系统的研究集中在开放课程、资源共享和自我学习等方面，比如课程开设、课件共享、在线交互、作业和测试等功能[5]。此类系统的作业和测试功能模块虽然提供了在线自动评测功能，但都只提供了通用的非语义问题的评测，如选择题、填空题，对于具有语义的题目，如问答题、计算机编程题等，则必须在提交后由教师进行手动查阅评分[6]；另一方面，此类系统的侧重课程资源的组织与建设，对系统应用于实现校园教学环境的支持较弱，也未能为教学管理与督导管理提供足够的支撑，孤立于高职院校教学质量保障体系之外。
3 平台的特色
能否打破网络教学孤立于高职教学管理之外的局面，将网络教学融入高职教学质量保障体系之中，是网络教学平台建设是否能真正服务于高职教学的关键所在[7]。面向高职教学质量保障体系的程序设计自主学习平台以教学质量保障体系为指引，以建设高职院校程序设计类建设“教、学、练、测、赛、督”六位一体的综合性自主学习平台为研究目标。平台强调学生对课程各知识点的自主学习与自我测验，实现对具有语义性的程序设计的在线自动评测支持；强化平台对应用于实际校园教学的教学管理，实现审核体系以确保教学质量；引入督导机制，确保网络课程的教学过程处于高职院校督导体系监管之下；实现竞赛支持功能，丰富高职教育的课余学术活动、活跃学习氛围，实现“以赛促教、以赛促学、以赛促训”；这些正是传统的课程管理系统所欠缺的。
4 平台实现的关键技术
4.1 总体架构
面向高职教学质量保障体系的程序设计自主学习平台的总体架构设计如图1所示，包括以下几个核心服务：
1.自主学习平台交互服务器：交互服务器部署在前端，平台向多种终端（PC、手机、平板电脑）用户提供的所有功能都集中由交互服务器提供[8]，包括系统管理员功能、各级教师用户的班级与课程管理功能、以及学生用户的学习与测验功能等；
2.后台数据库服务器：数据库服务器部署于后端，终端用户通过交互服务器提交的数据，保存于后台数据库服务器，与外网隔离，防止用户非法访问数据，确保数据安全；
3.程序在线编译评测子系统：评测子系统部署于后端，它会自动的从数据库服务器获取学生提交的测验程序，进行在线编译、执行、输入输出测试等操作，最后将评测结果数据返回到数据库服务器，以便交互服务器查询。
图1 自主学习平台总体架构图
4.2 模块设计
面向高职教学质量保障体系的程序设计自主学习平台主要包括了用户管理、课程管理、班级管理、程序自动编译评测子系统、竞赛支持、督导支持等模块，项目整体构架设计如图2所示。
图2 自主学习平台整体模块设计图
4.3 高职教学管理支持
为了强化网络自主学习平台的实用性，全面支持高职院校实际教学工作，自主学习平台参照了高职教育的教学管理体系，实现了面向高职教学管理的基础支撑功能。
1.用户管理
用户管理是网络自主学习平台的基础模块，负责平台各级用户的生命周期管理、角色指派和权限分配等功能，使用用户-角色-权限三级管理构架[9]，主要包括：
1）用户管理：提供创建用户、删除用户、限制用户、批量导入导出等基本功能。
2）角色管理：为了强化网络自主学习平台的实用性，全面支持高职院校实际教学工作，平台的角色管理参照了高职教育的教学管理体系，提供了诸如教务管理人员、教学单位负责人、专业负责人、授课教师、学生以及督导专员等符合高职院校教学管理制度的角色体系。
3）权限管理：负责管理各个角色所具有的操作权限，比如学生只具有学习类别的功能，授课教课只能管理维护自己所分配的课程资源，教务管理人员、教学单位负责人、专业负责则具有不同级别的课程管理、审核功能和统计性功能，而督导专员的主要权限是查看各个开课班级、课程的教学进度、教学质量等统计数据。
2.班级管理
班级管理是网络自主学习平台真正服务于高职院校教学工作的关键，包括自然教学班级、选修课班级以及开放课程自由班级三种模式。 1）自然教学班级：自然教学班以二级院系、专业、班级的三层管理级别，自然教学班的成员由教学单位负责人或专业负责人进行设置，每个学生类型的用户最多只能被安排在一个自然教学班；自然教学班不接受其他学生用户的加入申请。
2）选修课班级：选用于支持高职院校的公共选修课程教学，由教学单位负责人创建，经教学管理部门审核后成立，学生用户可以根据个人学分情况申请加入选修课班级，学生申请之后必须经过班级管理员审批通过才能成为班级成员。
3）开放课程班级：开放课程班级用于丰富高职教育的第二课堂活动，任何教师用户均可以根据自己的特长创建开放课程班级，学生用户可以根据个人兴趣自由加入开放课程，无须审批便可成为班级成员。
3.课程管理
课程管理功能是网络自主学习平台的核心功能，是平台服务于高职院校教学管理的最直接体现，也是高职教学质量保障体系在实际教学活动中的最关键的监控点，平台实现了从开设课程、设定开课班级和授课教师到教学计划的撰写与审核、教学资料管理等环节构建了贯穿高职教学过程的完整流程，并对各个环节提供了实时监控，为质量保障体系获取第一手数据，主要功能包括：
1）创建课程：教学单位专业负责人可以根据教学需要，创建相应的课程。
2）设置开课班级：专业负责人根据教学需要，为已创建的课程设置开课班级，一个课程可以设置一个或多个开课班级，这些班级将以共享该课程的教学资源。
3）指定授课教师：专业负责根据开课情况，为课程指定相应的授课教师，将课程的管理权限赋予授课教师。
4）撰写教学计划：授课教师可通过系统组织课程教学计划，有多个授课教师的课程，任何一个授课教师均可参与撰写教学计划。
5）审核教学计划：教课教师撰写的教学计划，必须提交给专业负责人审核通过，才能在系统上展示和使用。
6）管理教学过程资料：授课教师在教学计划指导下，完成对教学过程资料的维护，包括上传课件、教程、教学视频等资料，以及布置在线作业、测验任务[10]；有多个授课教师的课程，每个教师编辑的资料都可以共享给本课程所有的教师和班级统一使用[11]。
4.4 程序自动编译评测子系统
程序自动编译评测子系统是网络自主学习平台支持程序设计语义性题目自动评测的重点，评测子系统是常驻内存的Linux Daemon进程，使用多线程、共享队列、共享缓存等技术实现提高评测子系列的性能，主要由答题读取、语法检查、语义评测、语义评测数据缓存管理、评测结果反馈等模块组成，如图3所示。1.答题读取模块：答题读取模块运行于一个单独的线程，定时向数据库服务器查询是否存在已提交未处理的答题，读取符合条件的答题内容数据，加入待编译队列，并更新数据库服务器中的答题处理标识，避免同一答题被重复处理。
2.语法检查模块：当待编译队列为非空时，语法检查模块从待编译队列逐个读取答题内容，根据答题的程序语言类型，调用相应的语言编译库对答题进行编译，若编译通过，表示答题语法正确，则将编译生成的可执行程序等信息构造待评测数据对象，放入待评测队列；否则，若编译不通过，表示答题语法错误，则将错误信息生成反馈结果，放入反馈结果队列。
图3 程序自动编译评测子系统模块图
3.语义评测模块：当待评测队列为非空时，语义逻辑正确性评测模块逐个读取待评测数据，根据待评测数据所对应的题目，从语义评测数据缓存管理模块获取评测输入输出数据，执行生成的可执行程序，并使用测试输入输出数据对程序进行逻辑正确性评测，并将评测结果生成反馈结果，放入反馈结果队列。
4.语义评测数据缓存管理模块：网络自主学习平台在实际教学应用中，学习同一课程的所有学生都会对课程的题目进行学习和答题，学习同一课程的学生少至几十人，多则几百人，因此提交到平台的答题中，答题的总数量往往是对应的题目的上百倍。如果对每个答题都从数据库服务器读取题目的输入输出测试数据，将会大大增加数据库服务器和服务器间通信的压力，语义评测数据缓存管理模块将近期使用到的测试数据缓存起来，提供对语义逻辑评测模块重复使用，同时使用淘汰算法，清理长期未使用的数据，防止过度消耗内存。
5.结果反馈模块：反馈模块的工作是及时地将反馈结果队列中的结果数据提交到数据库服务器，以便交互服务器将答题的结果展示给学生，并更新学生的学习进度、排名等信息。
4.5 服务“以赛促学”的竞赛支持功能
借助程序自动编译评测子系统的支撑，面向高职教学质量保障体系的程序设计自主学习平台还可以为高职院校的举办程序设计类竞赛提供支持，活动高职教育的学习氛围，为“以赛促学”高职教育理念提供支撑。主要功能包括：
1.创建竞赛：竞赛组织者只需要通过交互服务器创建竞赛，竞赛可以设置为内部竞赛和开放竞赛两种。
2.自动赛程管理：组织者只须设置竞赛的起始时间和结束时间，在竞赛开始前参赛者都无法查看到题目[12]；另一方面，一旦竞赛结束时间到达，参赛者便无法再提交答题，整个过程无须安排监考教师进行发卷或收卷工作。
3.赛题管理：组织者在竞赛开始之前，可以通过交互服务器，对竞赛题目进行增、删、改等维护操作，并为题目设置分值比例。
4.自动排名：在整个竞赛过程中，平台将自动根据参赛者的答题情况，实时生成竞赛排名，组织者与参赛者均可查看各参赛者的答题排名。
4.6 面向督导机制的质量信息反馈
网络自主学习平台作为高职教学环境的一部分，其教学过程与教学质量也必须处于高职院校的督导体系之中，平台提供面向督导专员的督导支持功能，使网络自主学习不再孤立于教学质量保障体系之外，主要功能有：
1.审核体系：课程的开设、课程授课计划、课程资源的组织与管理、作业与测验安排等教学环节都必须相应的审批流程，以确保课程网络教学的合理性，提高教学质量，督导专员可以方便的查看每个教学准备活动的组织和审核记录。 2.进度统计：一旦开设了课程，授课教师是否及时地撰写教学计划，是否根据教学计划按时组织各个教学活动的资源、安排作业与测验，学生是否按时按质按量完成课程各阶段的学习等数据，在进度统计功能中可一目了然。
3.成绩统计：成绩统计包括两个部分，一个是班级内部排名，对各学生完成课程学习、作业与测验的得分进行排名；一个是对相同课程的平行班，以班级为单位，进行最高分、平均分等排名。
4.评价体系：对每个开设的课程建立多维的评价体系，诸如学生对授课教师的评价、学生对课程的评价、教师对学生的评价等，为课程设置和教学督导等工作提供质量信息反馈。[13]
5 结 语
4G技术、无线网络、移动终端等新技术的普及正在改变我们的生活方式和学习方式，突破课堂的时空限制、随时随地获取学习资源已经成为主流需求，网络互动教学将成为高职教育教学的一部分，如何有效地将网络教学纳入高职教学质量保障体系，是高职院校教学管理的新课题。面向高职教学质量保障体系的程序设计自主学习平台利用其程序自动编译评测子系统实现了对具有语义性的程序代码的自动评测，成为能支撑程序设计类课程全方位教学的网络综合自主学习平台，平台具有“教、学、练、测、赛、督”六位一体的特色，贴近高职教育的实际，平台的综合运用将为高职院校的网络课程建设和信息化教学建设提供基础支撑平台。目前，该平台已在清远职业技术学院计算机应用技术专业2013级和2014级《C语言程序设计》、《Java程序设计》、《数据结构与算法》、《算法基础》等课程中应用，进行课堂教学与网络教学相结合的探索和实践，取得了较好的效果。
