“計(jì)算機(jī)仿真”課程形成性評(píng)價(jià)研究與實(shí)踐

張延宇， 李 偉

(河南大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 開封， 475004)

0 引言

對(duì)教學(xué)過(guò)程和教學(xué)效果進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，及時(shí)向教師和學(xué)習(xí)者反饋教與學(xué)過(guò)程中的不足對(duì)于提升教學(xué)效果具有重要意義。學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)方式主要分為診斷性評(píng)價(jià)、形成性評(píng)價(jià)(過(guò)程性評(píng)價(jià))和終結(jié)性評(píng)價(jià)；我國(guó)目前的評(píng)價(jià)方式以終結(jié)性評(píng)價(jià)為主[1]。終結(jié)性評(píng)價(jià)一般在學(xué)期結(jié)束時(shí)進(jìn)行，以教師為評(píng)價(jià)主體，任課教師根據(jù)學(xué)生的卷面成績(jī)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、平時(shí)作業(yè)、出勤率等因素，利用加權(quán)求和的方式對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行綜合評(píng)定。終結(jié)性評(píng)價(jià)存在以下弊端：①課程結(jié)束時(shí)評(píng)價(jià)一次，不能對(duì)教學(xué)的全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，是一種靜態(tài)評(píng)價(jià)；②學(xué)期結(jié)束時(shí)教師和學(xué)生才確切知道教與學(xué)的效果，評(píng)價(jià)結(jié)果具有滯后性；③實(shí)驗(yàn)報(bào)告和平時(shí)作業(yè)等驗(yàn)收性成績(jī)主要依據(jù)提交的資料來(lái)評(píng)定，無(wú)法充分反映學(xué)習(xí)者的思維、能力等因素[2]，評(píng)價(jià)結(jié)果具有片面性。

不同于終結(jié)性評(píng)價(jià)，形成性評(píng)價(jià)在教學(xué)全過(guò)程中，對(duì)教師的“教”和學(xué)習(xí)者的“學(xué)”進(jìn)行跟蹤，從多維度及時(shí)對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，向教師和學(xué)習(xí)者反饋評(píng)價(jià)結(jié)果，幫助教師提升教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)潛力[1]。近年來(lái)，越來(lái)越多的教育工作者對(duì)其進(jìn)行了研究和實(shí)踐，在不同學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3～4]。特別是在工程教育專業(yè)認(rèn)證的推動(dòng)下，形成性評(píng)價(jià)得到了前所未有的重視?！豆こ探逃J(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)解讀及使用指南》明確指出“對(duì)學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中的表現(xiàn)進(jìn)行跟蹤與評(píng)估，并通過(guò)形成性評(píng)價(jià)保證學(xué)生畢業(yè)時(shí)達(dá)到畢業(yè)要求”。

本文闡述了我們?cè)诤幽洗髮W(xué)自動(dòng)化專業(yè)“計(jì)算機(jī)仿真”課程教學(xué)活動(dòng)中開展形成性評(píng)價(jià)所做的研究和探索，重點(diǎn)從課程概況、評(píng)價(jià)目標(biāo)、面臨的挑戰(zhàn)和解決辦法、評(píng)價(jià)效果等幾方面進(jìn)行了論述。

1 課程概況

“計(jì)算機(jī)仿真”課程是我校自動(dòng)化專業(yè)本科生的專業(yè)選修課，開設(shè)于第3學(xué)期，48學(xué)時(shí)，2.5學(xué)分。該課程講授計(jì)算機(jī)建模、仿真的基本概念、方法、流程，重點(diǎn)講授計(jì)算機(jī)建模仿真常用工具M(jìn)atlab的使用方法，同時(shí)以電路、模擬電子技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)中的典型問(wèn)題為例，進(jìn)行仿真實(shí)踐練習(xí)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生具備以計(jì)算機(jī)為工具對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行建模、仿真、分析的基本能力。2019-2020學(xué)年第1學(xué)期我校自動(dòng)化專業(yè)共有2個(gè)班級(jí)開設(shè)此課程：18-4班自動(dòng)化(一本，108人)、18級(jí)民生自動(dòng)化(獨(dú)立學(xué)院，106人)。

2 評(píng)價(jià)目標(biāo)

我們?cè)凇坝?jì)算機(jī)仿真”課程中引入形成性評(píng)價(jià)，希望達(dá)到以下4個(gè)目標(biāo)：

(1)及時(shí)地對(duì)教和學(xué)全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程的不足和學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱點(diǎn)，有針對(duì)性的改進(jìn)；做到邊“教”“學(xué)”，邊評(píng)估，以評(píng)估結(jié)果來(lái)改進(jìn)“教”“學(xué)”過(guò)程，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，做到評(píng)估的“全教學(xué)過(guò)程”、“全知識(shí)點(diǎn)”覆蓋。

(2)轉(zhuǎn)變學(xué)生課程綜合成績(jī)的評(píng)價(jià)方式，將成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)貫穿于整個(gè)課程學(xué)習(xí)的全過(guò)程。采用形成性評(píng)價(jià)，通過(guò)期末考試、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、出勤率、隨堂測(cè)驗(yàn)、章節(jié)測(cè)驗(yàn)等多種方式進(jìn)行評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)活動(dòng)貫穿于教學(xué)的全過(guò)程。

(3)以考促學(xué)。為避免學(xué)生平時(shí)懶散，考前突擊，考后“清零”的弊端，采用隨堂測(cè)驗(yàn)的方式，每次上課前都對(duì)以前的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行考核，考試完成后即刻反饋考試結(jié)果，并將考試結(jié)果計(jì)入最終綜合成績(jī)。從而督促學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，將功夫用到平時(shí)。

(4)精準(zhǔn)識(shí)別學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生，做到精準(zhǔn)教學(xué)、助學(xué)。利用形成性評(píng)價(jià)，多維度、全過(guò)程地對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，及時(shí)了解學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)的掌握情況，并識(shí)別出需要額外幫助的學(xué)生，從而做到因材施教、因人施教。

3 面臨的挑戰(zhàn)和解決辦法

本節(jié)首先闡述在“計(jì)算機(jī)仿真”課程中實(shí)施形成性評(píng)價(jià)面臨的困難和挑戰(zhàn)；然后，給出了我們的解決辦法，重點(diǎn)闡述我們使用第三方平臺(tái)“智慧樹”實(shí)施形成性評(píng)價(jià)的經(jīng)驗(yàn)和心得。

根據(jù)物元概念［7］，將普查績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的五個(gè)維度（準(zhǔn)則層）定義為評(píng)價(jià)的主要因素Xi（i＝1，2，…，5），將對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則層下測(cè)評(píng)指標(biāo)定義為第i項(xiàng)主要因素所屬的第j項(xiàng)次要因素Xij，相應(yīng)的量值表示為xij（j＝1，2，…，n），則待評(píng)價(jià)對(duì)象——普查績(jī)效的5維復(fù)合物元記為R5：

3.1 面臨的挑戰(zhàn)

(1)教師工作量大。由于選課人數(shù)超過(guò)200人，大班授課，每次課前測(cè)驗(yàn)后都需要教師花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行閱卷；另外，為了精準(zhǔn)識(shí)別教學(xué)過(guò)程中的難點(diǎn)和學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生需要對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的得分情況和學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這些工作大幅度地增加教師工作量。

(2)缺乏多維度的數(shù)據(jù)支撐，評(píng)價(jià)過(guò)程主觀性強(qiáng)，無(wú)法做到客觀、科學(xué)、全面的評(píng)價(jià)。從多維度采集能夠有效反映學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)效果的數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)并結(jié)合教師的經(jīng)驗(yàn)才能夠做到評(píng)價(jià)過(guò)程的客觀、科學(xué)、全面、有效。因此，需要采集學(xué)習(xí)過(guò)程的多維度數(shù)據(jù)。

(3)評(píng)價(jià)內(nèi)容少，缺乏預(yù)測(cè)功能。傳統(tǒng)評(píng)價(jià)只能給出在過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)，學(xué)生對(duì)已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)和技能的掌握情況。但是，對(duì)于諸如“按照當(dāng)前學(xué)習(xí)方式和效果，是否能夠順利通過(guò)期末考試，拿到學(xué)分”的問(wèn)題無(wú)法給出預(yù)測(cè)。在我們所做的問(wèn)卷調(diào)查中，92.9%的學(xué)生表示希望能有這種預(yù)測(cè)方法或模型。這也表明動(dòng)態(tài)地對(duì)學(xué)生的期末考試結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)也可以作為一種評(píng)價(jià)方法，并且更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

3.2 解決辦法

為了解決上述挑戰(zhàn)，在學(xué)期剛開始時(shí)，面向選課的同學(xué)就學(xué)生接入互聯(lián)網(wǎng)的便捷性、途徑、目的、利用信息技術(shù)提升課堂效果的態(tài)度等問(wèn)題進(jìn)行了一次摸底調(diào)查?；厥沼行?wèn)卷177份，結(jié)果表明93.2%的學(xué)生可以隨時(shí)隨地接入互聯(lián)網(wǎng)；90.4%的學(xué)生主要通過(guò)手機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)。社交和視頻娛樂(lè)是他們接入互聯(lián)網(wǎng)的主要目的，兩者合占75.2%，查資料、輔助學(xué)習(xí)占19.2%，看網(wǎng)課占5.7%；85.9%的學(xué)生覺得應(yīng)該對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)手段進(jìn)行升級(jí)，采用新型的信息技術(shù)提升課堂效果。

基于上述調(diào)查結(jié)果并結(jié)合實(shí)際情況，我們?cè)谑谡n過(guò)程中引入了第三方學(xué)分課程運(yùn)營(yíng)服務(wù)平臺(tái)——“智慧樹”。利用“智慧樹”輔助實(shí)施形成性評(píng)價(jià)，減輕教師的工作量，實(shí)現(xiàn)教學(xué)全過(guò)程、多維度的數(shù)據(jù)采集，為科學(xué)、及時(shí)、有效的形成性評(píng)價(jià)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，解決了形成性評(píng)價(jià)實(shí)施面臨的難題。

1)基于“智慧樹”的形成性評(píng)價(jià)方法

智慧樹支持手機(jī)應(yīng)用和瀏覽器兩種不同的接入方式。目前學(xué)生主要通過(guò)“智慧樹”手機(jī)應(yīng)用“知到(學(xué)生版)”進(jìn)行課程互動(dòng)。選課學(xué)生通過(guò)身份認(rèn)證后即可加入我們事先在“智慧樹”網(wǎng)站(www.zhihuishu.com)上建立的“計(jì)算機(jī)仿真”課程(課程編號(hào)：K787478)，從而獲取教師發(fā)布的教學(xué)資源、進(jìn)行課前測(cè)驗(yàn)考試、在線提問(wèn)、參與課堂互動(dòng)等活動(dòng)。教師在備課階段主要通過(guò)瀏覽器在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)學(xué)生管理、學(xué)習(xí)資源上傳、布置作業(yè)考試、監(jiān)控學(xué)情數(shù)據(jù)、成績(jī)管理等操作；見面課階段，課堂互動(dòng)則主要通過(guò)“知到(教師版)”來(lái)進(jìn)行，通過(guò)“群聊”功能與學(xué)生互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)簽到、隨機(jī)點(diǎn)名、搶答、課堂答疑、投票等操作。教學(xué)過(guò)程中的各種學(xué)情數(shù)據(jù)和成績(jī)都由“智慧樹”自動(dòng)搜集、統(tǒng)計(jì)，作為形成性評(píng)價(jià)的依據(jù)。

2)形成性考核

圖1 課前隨堂測(cè)驗(yàn)成績(jī)分布圖

本次測(cè)驗(yàn)主要考查學(xué)生對(duì)Matlab基本編程語(yǔ)法的掌握熟練程度，從圖1來(lái)看大部分學(xué)生掌握了相關(guān)知識(shí)；但分析具體題目的得分情況時(shí)發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生對(duì)循環(huán)語(yǔ)句中continue語(yǔ)句的使用方法尚未掌握，本道題的得分率只有31%，點(diǎn)擊本題對(duì)應(yīng)的“試題分析”按鈕，給出了本道題的詳細(xì)分析。在試題講解階段我們主要針對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行回顧和講解。通過(guò)此種方式，我們可以精準(zhǔn)識(shí)別學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，有針對(duì)性地講解；同時(shí)也可以利用“作業(yè)批閱”里面的成績(jī)排序功能，精準(zhǔn)識(shí)別學(xué)習(xí)有困難的同學(xué)，然后因人施教。一次測(cè)試完畢，成績(jī)自動(dòng)歸檔，自動(dòng)計(jì)算截止到當(dāng)前的平時(shí)成績(jī)。

章節(jié)測(cè)驗(yàn)主要在每個(gè)知識(shí)單元講解完畢后進(jìn)行，隨堂測(cè)驗(yàn)是“細(xì)粒度”的考核，章節(jié)測(cè)驗(yàn)則是“階段性”的形成性考核。根據(jù)需要，試題類型除了選擇題、判斷題，還可以是填空題、簡(jiǎn)答題、編程題和Simulink仿真題等。課堂內(nèi)進(jìn)行，每次30～45分鐘，一個(gè)學(xué)期3～5次，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度合理安排，但不易過(guò)頻，否則占用過(guò)多課內(nèi)時(shí)間，不利于按時(shí)完成學(xué)期教學(xué)任務(wù)。受制于當(dāng)前“智慧樹”的功能，編程題等無(wú)法自動(dòng)閱卷的題型，由老師課下評(píng)閱，但成績(jī)匯總、統(tǒng)計(jì)、發(fā)布依舊由平臺(tái)自動(dòng)完成。

3)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果預(yù)測(cè)

如前所述，在教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生期末是否能夠通過(guò)課程測(cè)試進(jìn)行預(yù)測(cè)也是一種有效的評(píng)價(jià)方式，不但能夠有效識(shí)別需要額外幫助的學(xué)生，而且還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。由于缺少歷史數(shù)據(jù)支撐，本輪授課過(guò)程中并沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)踐這種形成性評(píng)價(jià)方式，但我們利用本輪“計(jì)算機(jī)仿真”授課過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)建立了這種預(yù)測(cè)模型，并對(duì)這種預(yù)測(cè)模型的可行性和有效性進(jìn)行了充分驗(yàn)證。

在Matlab 2019a的環(huán)境下，利用DeepLearnToolbox -master工具箱建立了一個(gè)三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，輸入層5個(gè)神經(jīng)元，隱含層20個(gè)，輸出層1個(gè)。該模型根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)成績(jī)、測(cè)驗(yàn)成績(jī)、出勤率、學(xué)習(xí)資源查看次數(shù)、下載次數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)其期末總評(píng)成績(jī)及是否能夠通過(guò)期末課程測(cè)試(1：通過(guò)；0：不及格)。

為了訓(xùn)練和測(cè)試模型，將每個(gè)班級(jí)的樣本數(shù)據(jù)以3:1的比例分成兩部分，其中75%的數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練預(yù)測(cè)模型，25%的數(shù)據(jù)用于測(cè)試模型的有效性。共進(jìn)行了4種不同類型的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2訓(xùn)練所得模型相同，實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4訓(xùn)練所得模型相同。每個(gè)模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)源如表1所示。從預(yù)測(cè)精度來(lái)看，模型對(duì)同一來(lái)源的測(cè)試數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)精度略高于不同來(lái)源的測(cè)試數(shù)據(jù)，這是因?yàn)椴煌瑪?shù)據(jù)集蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)特征略有差異，同一數(shù)據(jù)來(lái)源的預(yù)測(cè)模型能更好地表征這種差異。

表1 實(shí)驗(yàn)類別及預(yù)測(cè)精度

同時(shí)，利用18民生訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練所得的模型，對(duì)兩種測(cè)試數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)精度均高于實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中的模型，這可由18民生訓(xùn)練數(shù)據(jù)中不及格的人數(shù)比18-4訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的人數(shù)多，訓(xùn)練得到的模型更充分地表征了不及格類別的數(shù)據(jù)特征來(lái)解釋。

本文模型預(yù)測(cè)精度超過(guò)92%足以滿足形成性評(píng)價(jià)的需求。當(dāng)然，利用深度學(xué)習(xí)等方法建立更加復(fù)雜的預(yù)測(cè)模型可以進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度，但這并非本文關(guān)注焦點(diǎn)。本文主要通過(guò)這種拋磚引玉的方式，驗(yàn)證了利用成績(jī)預(yù)測(cè)作為形成性考核的一種輔助手段的可行性和有效性。

4 評(píng)價(jià)效果

形成性評(píng)價(jià)在“計(jì)算機(jī)仿真”授課過(guò)程中受到了廣大師生的歡迎。學(xué)期末的專項(xiàng)調(diào)查問(wèn)卷表明，97.2%的學(xué)生認(rèn)為形成性評(píng)價(jià)能更好地反映其真實(shí)學(xué)業(yè)水平，91.8%的學(xué)生表示由于采用形成性評(píng)價(jià)他們?cè)凇坝?jì)算機(jī)仿真”課程上花了更多的學(xué)習(xí)精力，達(dá)到了以考促學(xué)的目的。對(duì)比往年期末測(cè)試成績(jī)，實(shí)施形成性評(píng)價(jià)后，18民生自動(dòng)化的“計(jì)算機(jī)仿真”課程平均成績(jī)提高2.43分，及格率提高了10.13%；盡管18-4的效果沒(méi)有這么顯著，但也具有明顯的積極作用。

對(duì)教師而言，借助“智慧樹”實(shí)施形成性評(píng)價(jià)，提高了評(píng)價(jià)的科學(xué)性、及時(shí)性，有助于精準(zhǔn)識(shí)別教學(xué)難點(diǎn)和學(xué)習(xí)困難學(xué)生，提高教學(xué)效率。同時(shí)，也減輕了形成性評(píng)價(jià)中數(shù)據(jù)搜集的難度，助力工程教育專業(yè)認(rèn)證的順利開展。

開展形成性評(píng)價(jià)，除了借助“智慧樹”平臺(tái)外，也可以借助雨課堂等其他模式。雨課堂直接將隨堂問(wèn)題插入到課件中，不需要專門發(fā)布，更為靈活；但“智慧樹”的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能更為強(qiáng)大。目前，尚不存在盡善盡美的平臺(tái)，根據(jù)評(píng)價(jià)目的和形式，選擇最適合自己的即可。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以“計(jì)算機(jī)仿真”課程為例，闡述了我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中實(shí)施形成性評(píng)價(jià)的目的、面臨的挑戰(zhàn)和解決辦法，總結(jié)了第三方平臺(tái)智慧樹在形成性評(píng)價(jià)中的作用，分析、驗(yàn)證了利用預(yù)測(cè)模型對(duì)學(xué)生學(xué)業(yè)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)的可行性。本課程的形成性評(píng)價(jià)得到了教師和學(xué)生的一致認(rèn)可，但尚需進(jìn)一步完善，我們會(huì)在日后的教學(xué)活動(dòng)中持續(xù)改進(jìn)。