《自動控制原理》期末考試分析軟件在教學(xué)中的應(yīng)用研究

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)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是評價(jià)課程教學(xué)質(zhì)量的重要手段。目前國內(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)生期末考試成績提交課程的期末考試總結(jié)報(bào)告。一般來講，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，而這些基本信息無法真實(shí)、全面地反映在課程教學(xué)過程中存在的問題。

為了實(shí)現(xiàn)以考促教，基于Matlab研發(fā)了《自動控制原理》期末考試分析軟件，不僅可提供上述基本信息，而且可自動計(jì)算知識點(diǎn)的得分率和課程目標(biāo)達(dá)成度，并可通過對比學(xué)生平時(shí)成績與考試成績的差值、預(yù)測成績與考試成績的差值，判斷考試是否存在異常情況，最終自動生成期末考試總結(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《自動控制原理》專業(yè)術(shù)語與基礎(chǔ)理論知識；

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

課程目標(biāo)3：掌握自動控制系統(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

《自動控制原理》期末考試分析軟件主界面，見圖1。

2.1 查看期末考試試卷參數(shù)

查看《自動控制原理》期末考試試卷參數(shù)界面，見圖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

查看《自動控制原理》期末考試成績界面，見圖3，可顯示應(yīng)考人數(shù)與實(shí)考人數(shù)等信息。

圖3 查看期末考試成績界面

2.3 查看期末考試交卷時(shí)間

查看《自動控制原理》期末考試交卷時(shí)間界面，見圖4，可顯示班級學(xué)生學(xué)號、姓名、開始考試時(shí)間、交卷時(shí)間、耗時(shí)以及開考后第一名學(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 查看期末考試成績分析

查看《自動控制原理》期末考試成績分析界面，見圖5，可自動顯示考試成績符合正態(tài)分布的理想人數(shù)與實(shí)際人數(shù)的柱狀圖對比等信息。

圖5 查看期末考試成績分析界面

2.5 查看期末考試異常情況

查看《自動控制原理》期末考試異常情況界面，見圖6，不僅可分別顯示學(xué)生平時(shí)成績與考試成績、預(yù)測成績與考試成績的對比，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)成績與考試成績或者預(yù)測成績與考試成績的差值超過所設(shè)置的閾值時(shí)，軟件將自動顯示對應(yīng)學(xué)生的學(xué)號與姓名，見圖6(a)與圖6(b)，否則將顯示“考試無異?！?，見圖6(c)與圖6(d)。

圖6 查看期末考試異常情況界面

在對比平時(shí)成績與考試成績時(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)成績中所占比重較大，則可適當(dāng)提高閾值；在對比預(yù)測成績與考試成績時(shí)，閾值一般設(shè)置為5～15。

預(yù)測成績是根據(jù)學(xué)生的模擬考試成績與專題測驗(yàn)成績，預(yù)測其期末考試成績，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)期末考試成績預(yù)測。改進(jìn)粒子群算法收斂曲線，見圖7。部分程序代碼，見圖8。

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

圖7 改進(jìn)粒子群算法收斂曲線

圖8 部分程序代碼

2.6 查看課程目標(biāo)達(dá)成度

查看《自動控制原理》課程目標(biāo)達(dá)成度界面，見圖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，見圖9(a)，而且可顯示指定學(xué)生的課程目標(biāo)達(dá)成度，見圖9(b)。其中班級與指定學(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；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《自動控制原理》期末考試總結(jié)報(bào)告界面，見圖10。在軟件自動生成的《自動控制原理》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)考慮對比平時(shí)成績與考試成績的結(jié)果和對比預(yù)測成績與考試成績的結(jié)果，只有當(dāng)存在某學(xué)生的平時(shí)成績與考試成績差值、預(yù)測成績與考試成績差值均超過所設(shè)置的閾值時(shí)，才認(rèn)為“考試存在異常情況”，否則認(rèn)為“考試無異?！?。圖6(a)與圖6(b)中，對比平時(shí)成績與考試成績、閾值設(shè)置為10和對比預(yù)測成績與考試成績、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”。通過查看學(xué)生交卷時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)：開考后僅48 min段同學(xué)便交卷，沒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)際值均超過了期望值，但通過軟件自動計(jì)算的各知識點(diǎn)得分率可知，學(xué)生在控制系統(tǒng)相對穩(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《自動控制原理》課程模型，包括將“控制系統(tǒng)相對穩(wěn)定性”增設(shè)為課程教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)等。

3 結(jié)語

由于無法實(shí)現(xiàn)自動計(jì)算期末考試中各知識點(diǎn)的得分率等數(shù)據(jù)信息，目前在國內(nèi)高校，撰寫期末考試總結(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)告無法真實(shí)、全面反映在課程教學(xué)過程中存在的各種問題?；贛atlab的《自動控制原理》期末考試分析軟件可自動生成期末考試總結(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。