組卷軟件在“自動(dòng)控制原理”教學(xué)中應(yīng)用

肖理慶

(徐州工程學(xué)院信電工程學(xué)院，江蘇徐州221111)

0 引言

作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)一門(mén)重要專業(yè)課，“自動(dòng)控制原理”課程具有系統(tǒng)性強(qiáng)、內(nèi)容抽象和學(xué)生不易掌握等特點(diǎn)[1，2]。

我們通過(guò)對(duì)授課教師與學(xué)生的調(diào)查研究，總結(jié)了目前我院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)中存在的一些問(wèn)題:

(1)部分學(xué)生認(rèn)為授課教師只能按PPT課件講解課本例題，單調(diào)乏味，容易產(chǎn)生抵觸情緒;

(2)不同班級(jí)學(xué)生的基礎(chǔ)不同，對(duì)部分班級(jí)學(xué)生，授課教師只需通過(guò)講解一個(gè)例題便可實(shí)現(xiàn)預(yù)期教學(xué)效果，而對(duì)另外部分班級(jí)學(xué)生，授課教師可能需要講解兩個(gè)甚至更多例題，方能達(dá)到效果。例題的選擇和教師講解技巧都面臨挑戰(zhàn)。

(3)部分學(xué)生存在僥幸心理，認(rèn)為教師考試前會(huì)劃范圍，定重點(diǎn)，或者企圖通過(guò)猜測(cè)考題取巧。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們根據(jù)“自動(dòng)控制原理”教學(xué)大綱要求，總結(jié)了“自動(dòng)控制原理”課程所有知識(shí)點(diǎn)，建立了包含不同難度系數(shù)的計(jì)算題、畫(huà)圖題和設(shè)計(jì)題的“自動(dòng)控制原理”習(xí)題庫(kù)，并將其他題型以小題形式融合在上述三種題型中。在此基礎(chǔ)上，筆者基于改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化原理設(shè)計(jì)了“自動(dòng)控制原理”組卷軟件[3，4]，在保證知識(shí)點(diǎn)合理分布的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)兩種不同智能組卷，并將其應(yīng)用于“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)中。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果驗(yàn)證了該組態(tài)軟件的有效性。

1 智能組卷軟件簡(jiǎn)介

本軟件基于Matlab軟件，利用GUI制作了簡(jiǎn)潔高效的界面，并最終生成可脫離Matlab運(yùn)行的可執(zhí)行文件。軟件主界面由四部分構(gòu)成:①“查看與修改‘自動(dòng)控制原理’試題庫(kù)試題屬性”與“知識(shí)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)”部分;②參數(shù)輸入部分(包括人為干預(yù)與非人為干預(yù)兩種組卷方式的選擇、考查的知識(shí)點(diǎn)數(shù)、算法最大迭代次數(shù)、種群數(shù)目、試題平均難度系數(shù)、試題總耗時(shí)、試題總分、難度系數(shù)權(quán)值、時(shí)間權(quán)值和分值權(quán)值等);③組卷結(jié)果顯示部分;④查看優(yōu)化曲線部分。如圖1所示。

圖1 “自動(dòng)控制原理”智能組卷軟件主界面

點(diǎn)擊“查看與修改‘自動(dòng)控制原理’試題庫(kù)試題屬性”按鈕，便可進(jìn)入查看與修改“自動(dòng)控制原理”試題庫(kù)試題屬性界面，如圖2所示。

圖2 查看與修改試題庫(kù)試題屬性界面

點(diǎn)擊“查看與修改‘自動(dòng)控制原理’知識(shí)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)”按鈕，便可進(jìn)入查看與修改“自動(dòng)控制原理”知識(shí)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)界面，如圖3所示。輸入算法參數(shù)后，點(diǎn)擊確定按鈕，便可利用改進(jìn)遺傳算法實(shí)現(xiàn)智能組卷，如圖1(b)所示。點(diǎn)擊“查看優(yōu)化曲線1”與“查看優(yōu)化曲線2”按鈕，便可進(jìn)入查看優(yōu)化曲線界面，如圖4所示，其中“優(yōu)化曲線1”對(duì)應(yīng)優(yōu)化知識(shí)點(diǎn)的合理分布，“優(yōu)化曲線2”對(duì)應(yīng)在保證知識(shí)點(diǎn)合理分布基礎(chǔ)上的智能組卷。通過(guò)觀察曲線，可判斷算法是否未成熟收斂，若是，可增加算法最大迭代次數(shù)與種群數(shù)目。根據(jù)組卷結(jié)果，進(jìn)入查看試題與試題答案界面，如圖5所示。

圖3 查看與修改知識(shí)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)界面

圖4 查看優(yōu)化曲線界面

圖5 查看試題與試題答案界面

2 智能組卷軟件具體應(yīng)用

授課教師講授習(xí)題時(shí)，根據(jù)所要講授的知識(shí)點(diǎn)，選擇人為干預(yù)組卷方式。由于知識(shí)點(diǎn)數(shù)目較少，為了提高組卷效率，改進(jìn)遺傳算法最大迭代次數(shù)與種群數(shù)目可設(shè)為10，如此僅需數(shù)秒便可從試題庫(kù)中選出合適的題目。授課教師初次講授例題時(shí)，應(yīng)選擇難度系數(shù)較低的題目，然后根據(jù)學(xué)生掌握情況，適當(dāng)增加難度系數(shù)或保持難度系數(shù)不變，重新選取題目。由于題目是根據(jù)設(shè)置的參數(shù)隨機(jī)從試題庫(kù)選取的，授課教師必須具備相當(dāng)?shù)慕虒W(xué)水平，這對(duì)授課教師也起到了督促作用，可促進(jìn)授課教師的發(fā)展。

我院“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)大綱中規(guī)定，習(xí)題課學(xué)時(shí)總數(shù)為10學(xué)時(shí)。在習(xí)題課教學(xué)過(guò)程中，授課教師可根據(jù)每章的教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)，選擇人為干預(yù)方式智能組卷，并反復(fù)向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，學(xué)期考試同樣采取智能組卷的形式，以消除部分學(xué)生的僥幸心理。

圖6 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線

另外，本軟件可與我們自制的另一個(gè)“自動(dòng)控制原理”輔助教學(xué)軟件結(jié)合使用，從而進(jìn)一步提高課堂教學(xué)質(zhì)量。以典型二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性知識(shí)點(diǎn)為例，在完成對(duì)應(yīng)的習(xí)題練習(xí)后，可利用“自動(dòng)控制原理”輔助教學(xué)軟件中典型二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析界面獲取圖6所示曲線，并結(jié)合習(xí)題加深對(duì)二階系統(tǒng)典型時(shí)域響應(yīng)的特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。

本軟件采用的智能組卷算法為基于粒子群算法的改進(jìn)遺傳算法，即將粒子群算法引入采取精英策略的遺傳算法變異操作中，以克服基本遺傳算法未成熟收斂問(wèn)題。本軟件業(yè)已通過(guò)典型函數(shù)測(cè)試，表明算法尋優(yōu)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，而決定組卷質(zhì)量的主要因素除智能算法外，還包括“知識(shí)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)”以及“試題庫(kù)試題屬性”。在“知識(shí)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)”方面，主要通過(guò)咨詢電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專家，結(jié)合授課教師教學(xué)過(guò)程中個(gè)人理解，合理設(shè)置知識(shí)點(diǎn)相關(guān)系數(shù);在“試題庫(kù)試題屬性”方面，主要通過(guò)對(duì)授課教師與學(xué)生的調(diào)查，特別是結(jié)合學(xué)生練習(xí)和學(xué)期考試情況，設(shè)置試題庫(kù)試題屬性，并及時(shí)更新。

3 結(jié)語(yǔ)

2014-2015年第一學(xué)期，筆者將本文介紹的基于改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化的“自動(dòng)控制原理”智能組卷軟件，應(yīng)用于2012級(jí)自動(dòng)化班教學(xué)過(guò)程中。在教學(xué)過(guò)程中，課堂氣氛活躍，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性得到很大程度提高，學(xué)期成績(jī)符合正態(tài)分布，通過(guò)率達(dá)95.65%，效果理想?？偨Y(jié)起來(lái)，本軟件具有以下優(yōu)點(diǎn):①有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與教學(xué)質(zhì)量;②有利于實(shí)現(xiàn)考試規(guī)范化，杜絕了授課教師考試前劃范圍、定重點(diǎn)的做法，消除了部分學(xué)生的僥幸心理;③有利于提高授課教師的教學(xué)水平，從而提高了授課教師在學(xué)生中的威信;④可與自制的“自動(dòng)控制原理”輔助教學(xué)軟件結(jié)合使用，進(jìn)一步提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

[1]黎萍，王連圭.自動(dòng)控制原理教學(xué)改革初探[J].南寧，大學(xué)教育.2014:124-125.

[2]姚鳳麒.《自動(dòng)控制原理》教學(xué)模式探索與實(shí)踐[J].成都，實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù).2014，12(3):159-160.

[3]路寬，李冬梅，余婧等.基于元胞遺傳算法的智能組卷的研究[J].北京，計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用.2013，49(16):57-60.

[4]李欣然，樊永生.改進(jìn)量子行為粒子群算法智能組卷策略研究[J].重慶，計(jì)算機(jī)科學(xué).2013，40(4):236-239.