一種新型習(xí)題系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張敏 王詩 孫浩 張昊霖

摘 要：習(xí)題是評估學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教師教學(xué)效果的重要手段。但目前高校傳統(tǒng)的習(xí)題布置方式存在習(xí)題固定、易于抄襲等問題，學(xué)生完成習(xí)題的準(zhǔn)確率不能準(zhǔn)確反映教學(xué)效果。而使用常見的題庫系統(tǒng)為學(xué)生定制個(gè)性化習(xí)題，又存在難以統(tǒng)一難度、系統(tǒng)自動(dòng)化程度低、更新題庫工作量大等缺點(diǎn)。針對這一問題，文章使用Python和LaTeX設(shè)計(jì)了一套新型習(xí)題系統(tǒng)，能夠批量生成相同題型但題中參數(shù)具體數(shù)值各不相同的習(xí)題，且能自動(dòng)生成準(zhǔn)確清晰的圖表和參考答案。將該系統(tǒng)應(yīng)用于遼寧工程技術(shù)大學(xué)兩個(gè)專業(yè)的《電磁場與電磁波》課程，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，使用該系統(tǒng)能夠有效減少抄襲，使學(xué)生完成習(xí)題的準(zhǔn)確率能更準(zhǔn)確地反映真實(shí)教學(xué)效果，為評估教學(xué)效果提供客觀依據(jù)，并且能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：習(xí)題系統(tǒng);習(xí)題難度;習(xí)題準(zhǔn)確率;教學(xué)效果評估;LaTeX

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1673-8454（2020）20-0091-03

一、引言

習(xí)題是教學(xué)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。學(xué)生通過做習(xí)題，檢驗(yàn)自己對知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)狀態(tài);教師通過學(xué)生完成習(xí)題的準(zhǔn)確率掌握學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，及時(shí)調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)。這對于知識(shí)點(diǎn)前后連貫性較強(qiáng)的科目尤為重要。而實(shí)現(xiàn)上述效果的前提是學(xué)生完成習(xí)題的準(zhǔn)確率能夠真實(shí)反映學(xué)生學(xué)習(xí)情況。目前，針對習(xí)題準(zhǔn)確率已有不少研究。陳劉旗利用學(xué)生作業(yè)習(xí)題的正確率，整理并分析了學(xué)生的學(xué)習(xí)情況[1]。曹戰(zhàn)新指出，作業(yè)試題難度會(huì)影響學(xué)生的作業(yè)正確率，并且在學(xué)生獨(dú)立完成作業(yè)的情況下，難度較高的題目正確率較高，因此教師需要在作業(yè)難度上根據(jù)學(xué)生差異情況來布置[2]。徐敏調(diào)查了學(xué)生獨(dú)立完成作業(yè)的情況，并結(jié)合習(xí)題正確率，指出存在抄襲情況時(shí)習(xí)題正確率會(huì)提高[3]。從這些研究可以看出，要讓習(xí)題準(zhǔn)確率真實(shí)反映學(xué)生學(xué)習(xí)情況，需要考慮作弊和習(xí)題難度兩方面的因素。

但是目前，許多高校各門學(xué)科的習(xí)題仍然僅限于固定教材上的習(xí)題。學(xué)生很容易通過上網(wǎng)搜索等方式獲得答案，通過簡單抄襲來完成習(xí)題，習(xí)題準(zhǔn)確率普遍偏離學(xué)生真實(shí)學(xué)習(xí)情況。為了解決這一問題，有效的方法是針對學(xué)生定制個(gè)性化習(xí)題。但是這需要教師針對各個(gè)知識(shí)點(diǎn)更改題目的形式、數(shù)值、繪制圖表、計(jì)算習(xí)題答案，一方面需要任課教師額外付出很大的精力，導(dǎo)致很難堅(jiān)持實(shí)施和推廣，另一方面也很難保證習(xí)題質(zhì)量和控制難度。而常見題庫系統(tǒng)軟件采用的是錄入現(xiàn)成題庫的方式，不能自動(dòng)生成新的試題，更不能自動(dòng)繪制與題目對應(yīng)的圖表、計(jì)算結(jié)果，無法從根本上解決問題。

針對上述情況，本文使用Python和LaTeX設(shè)計(jì)了一個(gè)新型習(xí)題系統(tǒng)，可以快速批量生成相同知識(shí)點(diǎn)、相同題型但是參數(shù)的具體數(shù)值完全不同的習(xí)題，且能自動(dòng)排版、繪制對應(yīng)圖表和生成參考答案。通過相同題型的習(xí)題解決難度統(tǒng)一問題，通過改變習(xí)題中參數(shù)的具體數(shù)值避免學(xué)生簡單抄襲，通過系統(tǒng)的高自動(dòng)化，從根本上降低教師的工作量，保證系統(tǒng)的可持續(xù)推廣。最后，通過兩次對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

二、習(xí)題系統(tǒng)

Python是一種跨平臺(tái)、開源、免費(fèi)、面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)解釋型高級(jí)編程語言。LaTeX是一種完全開源免費(fèi)的科學(xué)格式化的排版系統(tǒng)，對于生成各種符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)公式、符號(hào)、復(fù)雜文字、圖表的排版有簡單但功能強(qiáng)大的命令。因此，本習(xí)題系統(tǒng)使用Python+LaTeX的方式來實(shí)現(xiàn)。

1.設(shè)計(jì)方法

本習(xí)題系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法為：使用Python代碼完成習(xí)題內(nèi)容生成和參考答案計(jì)算，并創(chuàng)建一個(gè).tex文件。該.tex文檔內(nèi)容為LaTeX代碼，LaTeX代碼實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容為：習(xí)題對應(yīng)圖表生成、按要求排版。然后，使用LaTeX對.tex文件進(jìn)行編譯，并生成最終的PPT文件。

2.習(xí)題與參考答案生成

習(xí)題的生成主要任務(wù)是：隨機(jī)生成題干中參數(shù)的具體數(shù)值，并修改題干文字框架中參數(shù)的具體數(shù)值。參考答案的生成主要任務(wù)是：通過預(yù)設(shè)的解題步驟進(jìn)行計(jì)算，并修改參考答案文字框架中的對應(yīng)數(shù)值。這兩項(xiàng)任務(wù)本質(zhì)相同，都是修改預(yù)設(shè)文字框架中某個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值。同時(shí)確保數(shù)值改變后不影響顯示的效果。數(shù)值改變對顯示會(huì)造成比較大影響的主要是數(shù)值的正負(fù)號(hào)。

（1）數(shù)值生成與修改

以習(xí)題生成為例。首先，確定題干中需要改變的參數(shù)的數(shù)據(jù)類型。使用Python代碼，為每個(gè)參數(shù)生成N組不重復(fù)的、相互獨(dú)立的、符合其參數(shù)類型的隨機(jī)數(shù)組，形成一個(gè)CSV文件，即逗號(hào)分隔文件。然后，將題目中的數(shù)值參數(shù)定義為一個(gè)數(shù)組，調(diào)用之前生成的CSV文件，CSV中的一組數(shù)據(jù)對應(yīng)一道題目。N組數(shù)據(jù)即生成了N道題目。

以圖1中展示的題型為例，題中需要改變的參數(shù)為線段的兩個(gè)端點(diǎn)，分別設(shè)為（XA，YA）和（XB，YB）。設(shè)生成N=3道同題型題目，生成的CSV文件如表1所示，程序運(yùn)行后生成的3道習(xí)題如圖1所示。

（2）正負(fù)號(hào)顯示控制

在一些固定的公式和表達(dá)式中，參數(shù)的正負(fù)號(hào)會(huì)影響題干顯示的效果。比如某表達(dá)式為“e-b”，其中e為常量，b為需要改變數(shù)值的參數(shù)，類型為整數(shù)。顯然，如果只考慮隨機(jī)生成整數(shù)，當(dāng)b為負(fù)數(shù)時(shí)，比如-1，如果不做額外處理，最后生成的表達(dá)式顯示的將是“e--1”。這顯然不符合規(guī)范和閱讀習(xí)慣。因此在本系統(tǒng)中，Python程序式會(huì)對生成的表達(dá)式進(jìn)行檢查。對于“+”號(hào)，如果后面的數(shù)值為負(fù)數(shù)，則在顯示時(shí)省略掉表達(dá)式中的“+”。對于“-[”號(hào)，如果后面的數(shù)值為負(fù)數(shù)，則將表達(dá)式中的“-”號(hào)改為“+”號(hào)，數(shù)值顯示其絕對值。

3.自動(dòng)排版與圖表生成

生成習(xí)題和參考答案后，需要對其進(jìn)行排版輸出。目前大多數(shù)的題庫軟件采用Word編輯與管理題庫，比如張春霞設(shè)計(jì)研發(fā)的基于Matlab的自動(dòng)組卷系統(tǒng)[4]，石蘭設(shè)計(jì)的基于SQL Server和C#的試題庫管理系統(tǒng)[5]等。Word對普通的試題具有較好的排版效果。但是，理工科的習(xí)題往往有較多的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對數(shù)學(xué)公式和文字混排需求較大。而且理工科的習(xí)題往往需要配有圖表，當(dāng)習(xí)題中參數(shù)的具體數(shù)值發(fā)生變化時(shí)，圖表相應(yīng)地會(huì)有所變化，比如坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，幾何圖形的形狀、位置等。使用Word編輯管理難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，排版和圖表生成工作重復(fù)繁瑣，效率低下[6]。

LaTeX是以排版文字和數(shù)學(xué)公式為目的的軟件，在公式和文字混排方面，有其他軟件無可比擬的優(yōu)勢，非常適用于生成高印刷質(zhì)量的科技和數(shù)學(xué)類文檔[7]。LaTeX提供了簡單而又功能強(qiáng)大的基礎(chǔ)命令，一旦設(shè)定好模板，用戶只需專注于文檔內(nèi)容，無需操心文檔的版面設(shè)計(jì)?？梢允褂妹顏砝L制圖表，圖表的所有元素的大小、顏色、線型、坐標(biāo)等都可以控制，且LaTeX的源文件（.tex文件）為純文本，因而利用LaTeX易于編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

在本系統(tǒng)中，使用Python編程創(chuàng)建.tex文件，通過控制寫入該文件的LaTeX命令與參數(shù)值，來實(shí)現(xiàn)對排版格式和圖表的控制。寫入后，將生成的.tex文件交給LaTeX編譯，獲得最終的PPT文件。圖1顯示了同時(shí)生成的三道題。題中線段的端點(diǎn)值各不相同，自動(dòng)生成的示意圖中，線段和輔助線的位置準(zhǔn)確與端點(diǎn)值對應(yīng)。

三、實(shí)驗(yàn)

將本系統(tǒng)應(yīng)用于遼寧工程技術(shù)大學(xué)兩個(gè)專業(yè)的《電磁場與電磁波》課程，進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)。參與學(xué)生為電子與信息工程專業(yè)（以下簡稱電信）17級(jí)2個(gè)班，以及通信工程專業(yè)（以下簡稱通信）17級(jí)4個(gè)班，共180人。

1.實(shí)驗(yàn)方法

將學(xué)生分為實(shí)驗(yàn)組和對照組，為排除專業(yè)影響，每組都含有兩個(gè)專業(yè)的學(xué)生。隨著課程教學(xué)進(jìn)度，選擇課程中的基本知識(shí)點(diǎn)，編寫一套習(xí)題，稱為A卷。將這套題錄入本習(xí)題系統(tǒng)，并生成N套同題型但題中參數(shù)的具體數(shù)值各不相同的題卷，分別稱為B1、B2…BN卷。在布置課后作業(yè)時(shí)，實(shí)驗(yàn)組使用本習(xí)題系統(tǒng)生成的題卷，第i個(gè)學(xué)生完成Bi卷，即每個(gè)學(xué)生完成不同的題卷。對照組使用傳統(tǒng)的習(xí)題布置方式，即全組人都完成A卷。學(xué)生完成后，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)批閱，每道題只判為正確、錯(cuò)誤和未答。每組分別統(tǒng)計(jì)每題正確的人數(shù)，計(jì)算每題的準(zhǔn)確率，準(zhǔn)確率=本組該題正確人數(shù)/本組有效答卷總數(shù)。

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）第一次實(shí)驗(yàn)

選取了12道題，難易題穿插排列。實(shí)驗(yàn)組為：電信17-2班、通信17-1班、通信17-2班、通信17-4班，收到有效答卷119份;對照組為：電信17-1班、通信17-3班，收到有效題卷60份。統(tǒng)計(jì)得到各組每題準(zhǔn)確率和準(zhǔn)確率平均值如圖2所示。

（2）第二次實(shí)驗(yàn)

選取了與第一次實(shí)驗(yàn)完全不同的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了7道題，難度較第一次實(shí)驗(yàn)大。實(shí)驗(yàn)組為：電信17-1班、通信17-1班、通信17-2班、通信17-3班，收到有效答卷114份;對照組為：電信17-2班、通信17-4班，收到有效答卷57份。統(tǒng)計(jì)得到每題準(zhǔn)確率和準(zhǔn)確率平均值如表2所示。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

（1）使用本系統(tǒng)可以有效減少作弊行為，能夠更真實(shí)準(zhǔn)確地反映學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，對照組的每題準(zhǔn)確率普遍高于實(shí)驗(yàn)組。第一次實(shí)驗(yàn)，對照組準(zhǔn)確率平均值為61.25%，高于實(shí)驗(yàn)組的52.03%，第二次實(shí)驗(yàn)，對照組準(zhǔn)確率平均值為39.10%，高于實(shí)驗(yàn)組的26.82%。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)組每個(gè)人的習(xí)題雖然題型一樣，但具體數(shù)值各不相同，學(xué)生無法通過簡單抄襲完成作業(yè)，而對照組所有人的習(xí)題完全相同，學(xué)生易于簡單抄襲。因而對照組準(zhǔn)確率普遍較高。通過檢查雷同卷和調(diào)查回訪，證實(shí)了本結(jié)論。

（2）使用本系統(tǒng)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)驗(yàn)組難題的準(zhǔn)確率反而高于對照組的準(zhǔn)確率。這是因?yàn)楫?dāng)所有人使用完全相同的習(xí)題時(shí)，學(xué)生面對難題更趨向于等待和抄襲好學(xué)生的答案，態(tài)度相對消極。而當(dāng)每個(gè)人需要完成不同的作業(yè)時(shí)，迫使更多的學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和互相探討，態(tài)度反而更積極。之后的調(diào)查回訪結(jié)果也印證了本結(jié)論。

四、結(jié)論

習(xí)題是教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況的重要手段。但通過學(xué)生完成習(xí)題的準(zhǔn)確率掌握學(xué)生學(xué)習(xí)效果的前提是習(xí)題難度統(tǒng)一和盡量減少抄襲。因此，本文使用Python和LaTeX設(shè)計(jì)了新型習(xí)題系統(tǒng)，能夠批量生成同題型但題干中參數(shù)的具體數(shù)值各不相同的習(xí)題，且能自動(dòng)生成對應(yīng)的圖表和參考答案，自動(dòng)組卷和排版。同題型保證了習(xí)題難度統(tǒng)一，題干中參數(shù)的具體數(shù)值各不相同，避免了學(xué)生簡單抄襲。經(jīng)過兩次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明，使用本系統(tǒng)可以有效減少作弊行為，使得準(zhǔn)確率能夠更真實(shí)準(zhǔn)確地反映學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，為評估學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教師教學(xué)效果提供更客觀的依據(jù);此外，使用本系統(tǒng)能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。

參考文獻(xiàn)：

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