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        《自動(dòng)控制原理》期末考試分析軟件在教學(xué)中的應(yīng)用研究

        2021-05-04 06:45:30肖理慶
        關(guān)鍵詞:界面學(xué)生

        肖理慶

        (淮南師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,安徽淮南 232038)

        期末考試是課程教學(xué)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是評(píng)價(jià)課程教學(xué)質(zhì)量的重要手段。目前國(guó)內(nèi)大部分高校要求授課教師在期末考試試卷批閱結(jié)束后,根據(jù)學(xué)生期末考試成績(jī)提交課程的期末考試總結(jié)報(bào)告。一般來(lái)講,期末考試總結(jié)報(bào)告僅包含優(yōu)秀率、及格率等基本信息,而這些基本信息無(wú)法真實(shí)、全面地反映在課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題。

        為了實(shí)現(xiàn)以考促教,基于Matlab研發(fā)了《自動(dòng)控制原理》期末考試分析軟件,不僅可提供上述基本信息,而且可自動(dòng)計(jì)算知識(shí)點(diǎn)的得分率和課程目標(biāo)達(dá)成度,并可通過(guò)對(duì)比學(xué)生平時(shí)成績(jī)與考試成績(jī)的差值、預(yù)測(cè)成績(jī)與考試成績(jī)的差值,判斷考試是否存在異常情況,最終自動(dòng)生成期末考試總結(jié)報(bào)告[1?4]。

        1 課程模型與目標(biāo)

        《自動(dòng)控制原理》課程模型主要包括課程教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法等。課程目標(biāo)如下:

        課程目標(biāo)1:掌握《自動(dòng)控制原理》專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)與基礎(chǔ)理論知識(shí);

        課程目標(biāo)2:掌握建立自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法;

        課程目標(biāo)3:掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的定性分析與定量計(jì)算;

        課程目標(biāo)4:掌握改善自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的方法[5?8]。

        2 期末考試分析軟件在課程教學(xué)中應(yīng)用

        《自動(dòng)控制原理》期末考試分析軟件主界面,見(jiàn)圖1。

        2.1 查看期末考試試卷參數(shù)

        查看《自動(dòng)控制原理》期末考試試卷參數(shù)界面,見(jiàn)圖2。試卷參數(shù)包括難度系數(shù)以及課程目標(biāo)1~4分別對(duì)應(yīng)的考試題目、數(shù)量和分值等。

        圖2 查看期末考試試卷參數(shù)界面

        2.2 查看期末考試成績(jī)

        查看《自動(dòng)控制原理》期末考試成績(jī)界面,見(jiàn)圖3,可顯示應(yīng)考人數(shù)與實(shí)考人數(shù)等信息。

        圖3 查看期末考試成績(jī)界面

        2.3 查看期末考試交卷時(shí)間

        查看《自動(dòng)控制原理》期末考試交卷時(shí)間界面,見(jiàn)圖4,可顯示班級(jí)學(xué)生學(xué)號(hào)、姓名、開(kāi)始考試時(shí)間、交卷時(shí)間、耗時(shí)以及開(kāi)考后第一名學(xué)生交卷時(shí)間、一半學(xué)生交卷時(shí)間、最后一名學(xué)生交卷時(shí)間。

        圖4 查看期末考試交卷時(shí)間界面

        2.4 查看期末考試成績(jī)分析

        查看《自動(dòng)控制原理》期末考試成績(jī)分析界面,見(jiàn)圖5,可自動(dòng)顯示考試成績(jī)符合正態(tài)分布的理想人數(shù)與實(shí)際人數(shù)的柱狀圖對(duì)比等信息。

        圖5 查看期末考試成績(jī)分析界面

        2.5 查看期末考試異常情況

        查看《自動(dòng)控制原理》期末考試異常情況界面,見(jiàn)圖6,不僅可分別顯示學(xué)生平時(shí)成績(jī)與考試成績(jī)、預(yù)測(cè)成績(jī)與考試成績(jī)的對(duì)比,而且根據(jù)授課教師所輸入的閾值,當(dāng)存在某學(xué)生的平時(shí)成績(jī)與考試成績(jī)或者預(yù)測(cè)成績(jī)與考試成績(jī)的差值超過(guò)所設(shè)置的閾值時(shí),軟件將自動(dòng)顯示對(duì)應(yīng)學(xué)生的學(xué)號(hào)與姓名,見(jiàn)圖6(a)與圖6(b),否則將顯示“考試無(wú)異?!保?jiàn)圖6(c)與圖6(d)。

        圖6 查看期末考試異常情況界面

        在對(duì)比平時(shí)成績(jī)與考試成績(jī)時(shí),閾值一般設(shè)置為10~20。如果課后作業(yè)與考勤(特別是考勤)在平時(shí)成績(jī)中所占比重較大,則可適當(dāng)提高閾值;在對(duì)比預(yù)測(cè)成績(jī)與考試成績(jī)時(shí),閾值一般設(shè)置為5~15。

        預(yù)測(cè)成績(jī)是根據(jù)學(xué)生的模擬考試成績(jī)與專(zhuān)題測(cè)驗(yàn)成績(jī),預(yù)測(cè)其期末考試成績(jī),具有學(xué)業(yè)預(yù)警的功能。以式(1)和式(2)為誤差函數(shù),從7種不同改進(jìn)粒子群算法中隨機(jī)選取一種算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)閾值,從而實(shí)現(xiàn)基于改進(jìn)粒子群算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)期末考試成績(jī)預(yù)測(cè)。改進(jìn)粒子群算法收斂曲線(xiàn),見(jiàn)圖7。部分程序代碼,見(jiàn)圖8。

        式中:k為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);Z為理論值;為預(yù)測(cè)值。

        圖7 改進(jìn)粒子群算法收斂曲線(xiàn)

        圖8 部分程序代碼

        2.6 查看課程目標(biāo)達(dá)成度

        查看《自動(dòng)控制原理》課程目標(biāo)達(dá)成度界面,見(jiàn)圖9,不僅可顯示課程目標(biāo)1~4達(dá)成度的期望值與實(shí)際值,見(jiàn)圖9(a),而且可顯示指定學(xué)生的課程目標(biāo)達(dá)成度,見(jiàn)圖9(b)。其中班級(jí)與指定學(xué)生的課程目標(biāo)達(dá)成度的實(shí)際值分別按式(3)與式(4)計(jì)算。

        式中:f 為課程目標(biāo)序號(hào);n 為參加考試學(xué)生總數(shù);m 為課程目標(biāo)f 所包含的考試題目總數(shù);α( i,j )為第i 個(gè)學(xué)生第j 個(gè)考試題目所得分?jǐn)?shù);β(j )為第j 個(gè)考試題目分值。

        2.7 查看期末考試總結(jié)報(bào)告

        查看《自動(dòng)控制原理》期末考試總結(jié)報(bào)告界面,見(jiàn)圖10。在軟件自動(dòng)生成的《自動(dòng)控制原理》期末考試總結(jié)報(bào)告中,具體包括應(yīng)考人數(shù)、實(shí)考人數(shù)、試卷參數(shù)、考試是否存在異常情況、各知識(shí)點(diǎn)得分率以及課程課程目標(biāo)1~4達(dá)成度等信息。

        圖10 查看期末考試總結(jié)報(bào)告界面

        在判斷考試成績(jī)是否符合正態(tài)分布時(shí),采用的方法是:計(jì)算不同分?jǐn)?shù)區(qū)間的理想人數(shù)與實(shí)際人數(shù)差值的絕對(duì)值總和與實(shí)考人數(shù)的百分比P,當(dāng)P小于等于5%時(shí),認(rèn)為符合正態(tài)分布;當(dāng)P大于5%且小于等于10%時(shí),認(rèn)為基本符合正態(tài)分布;當(dāng)P大于10%時(shí),認(rèn)為不符合正態(tài)分布。

        在判斷試卷對(duì)本班學(xué)生難易程度時(shí),綜合考慮學(xué)生平均分與耗時(shí);在判斷考試是否存在異常情況時(shí),同時(shí)考慮對(duì)比平時(shí)成績(jī)與考試成績(jī)的結(jié)果和對(duì)比預(yù)測(cè)成績(jī)與考試成績(jī)的結(jié)果,只有當(dāng)存在某學(xué)生的平時(shí)成績(jī)與考試成績(jī)差值、預(yù)測(cè)成績(jī)與考試成績(jī)差值均超過(guò)所設(shè)置的閾值時(shí),才認(rèn)為“考試存在異常情況”,否則認(rèn)為“考試無(wú)異常”。圖6(a)與圖6(b)中,對(duì)比平時(shí)成績(jī)與考試成績(jī)、閾值設(shè)置為10和對(duì)比預(yù)測(cè)成績(jī)與考試成績(jī)、閾值設(shè)置為15時(shí),均顯示段同學(xué)考試異常,從而在期末考試總結(jié)報(bào)告中認(rèn)定為“考試存在異常情況”。通過(guò)查看學(xué)生交卷時(shí)間,可以發(fā)現(xiàn):開(kāi)考后僅48 min段同學(xué)便交卷,沒(méi)有完成試卷全部題目,授課教師可以進(jìn)一步與監(jiān)考教師和學(xué)生本人溝通或查看監(jiān)控視頻,了解學(xué)生提前交卷的原因是屬于存在違規(guī)違紀(jì)行為還是其他特殊原因。

        由圖9(a)可知,課程目標(biāo)1~4達(dá)成度的實(shí)際值均超過(guò)了期望值,但通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算的各知識(shí)點(diǎn)得分率可知,學(xué)生在控制系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性的得分率較低,僅為64%。根據(jù)此信息,授課教師應(yīng)該及時(shí)更新《自動(dòng)控制原理》課程模型,包括將“控制系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性”增設(shè)為課程教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)等。

        3 結(jié)語(yǔ)

        由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算期末考試中各知識(shí)點(diǎn)的得分率等數(shù)據(jù)信息,目前在國(guó)內(nèi)高校,撰寫(xiě)期末考試總結(jié)報(bào)告成為授課教師在完成試卷批閱后的一項(xiàng)繁重任務(wù),而且大部分期末考試總結(jié)報(bào)告無(wú)法真實(shí)、全面反映在課程教學(xué)過(guò)程中存在的各種問(wèn)題。基于Matlab的《自動(dòng)控制原理》期末考試分析軟件可自動(dòng)生成期末考試總結(jié)報(bào)告,不僅具有學(xué)業(yè)預(yù)警功能,而且有利于授課教師科學(xué)、合理的更新課程模型,具有可推廣性。

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