組卷軟件在“自動控制原理”教學中應用

肖理慶

(徐州工程學院信電工程學院，江蘇徐州221111)

0 引言

作為電氣工程及其自動化專業一門重要專業課，“自動控制原理”課程具有系統性強、內容抽象和學生不易掌握等特點[1，2]。

我們通過對授課教師與學生的調查研究，總結了目前我院電氣工程及其自動化專業“自動控制原理”課程教學中存在的一些問題:

(1)部分學生認為授課教師只能按PPT課件講解課本例題，單調乏味，容易產生抵觸情緒;

(2)不同班級學生的基礎不同，對部分班級學生，授課教師只需通過講解一個例題便可實現預期教學效果，而對另外部分班級學生，授課教師可能需要講解兩個甚至更多例題，方能達到效果。例題的選擇和教師講解技巧都面臨挑戰。

(3)部分學生存在僥幸心理，認為教師考試前會劃范圍，定重點，或者企圖通過猜測考題取巧。

針對以上問題，我們根據“自動控制原理”教學大綱要求，總結了“自動控制原理”課程所有知識點，建立了包含不同難度系數的計算題、畫圖題和設計題的“自動控制原理”習題庫，并將其他題型以小題形式融合在上述三種題型中。在此基礎上，筆者基于改進遺傳算法優化原理設計了“自動控制原理”組卷軟件[3，4]，在保證知識點合理分布的基礎上，實現兩種不同智能組卷，并將其應用于“自動控制原理”課程教學中。教學實踐結果驗證了該組態軟件的有效性。

1 智能組卷軟件簡介

本軟件基于Matlab軟件，利用GUI制作了簡潔高效的界面，并最終生成可脫離Matlab運行的可執行文件。軟件主界面由四部分構成:①“查看與修改‘自動控制原理’試題庫試題屬性”與“知識點相關系數”部分;②參數輸入部分(包括人為干預與非人為干預兩種組卷方式的選擇、考查的知識點數、算法最大迭代次數、種群數目、試題平均難度系數、試題總耗時、試題總分、難度系數權值、時間權值和分值權值等);③組卷結果顯示部分;④查看優化曲線部分。如圖1所示。

圖1 “自動控制原理”智能組卷軟件主界面

點擊“查看與修改‘自動控制原理’試題庫試題屬性”按鈕，便可進入查看與修改“自動控制原理”試題庫試題屬性界面，如圖2所示。

圖2 查看與修改試題庫試題屬性界面

點擊“查看與修改‘自動控制原理’知識點相關系數”按鈕，便可進入查看與修改“自動控制原理”知識點相關系數界面，如圖3所示。輸入算法參數后，點擊確定按鈕，便可利用改進遺傳算法實現智能組卷，如圖1(b)所示。點擊“查看優化曲線1”與“查看優化曲線2”按鈕，便可進入查看優化曲線界面，如圖4所示，其中“優化曲線1”對應優化知識點的合理分布，“優化曲線2”對應在保證知識點合理分布基礎上的智能組卷。通過觀察曲線，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與種群數目。根據組卷結果，進入查看試題與試題答案界面，如圖5所示。

圖3 查看與修改知識點相關系數界面

圖4 查看優化曲線界面

圖5 查看試題與試題答案界面

2 智能組卷軟件具體應用

授課教師講授習題時，根據所要講授的知識點，選擇人為干預組卷方式。由于知識點數目較少，為了提高組卷效率，改進遺傳算法最大迭代次數與種群數目可設為10，如此僅需數秒便可從試題庫中選出合適的題目。授課教師初次講授例題時，應選擇難度系數較低的題目，然后根據學生掌握情況，適當增加難度系數或保持難度系數不變，重新選取題目。由于題目是根據設置的參數隨機從試題庫選取的，授課教師必須具備相當的教學水平，這對授課教師也起到了督促作用，可促進授課教師的發展。

我院“自動控制原理”課程教學大綱中規定，習題課學時總數為10學時。在習題課教學過程中，授課教師可根據每章的教學重點與難點，選擇人為干預方式智能組卷，并反復向學生強調，學期考試同樣采取智能組卷的形式，以消除部分學生的僥幸心理。

圖6 典型二階系統單位階躍響應曲線

另外，本軟件可與我們自制的另一個“自動控制原理”輔助教學軟件結合使用，從而進一步提高課堂教學質量。以典型二階系統動態特性知識點為例，在完成對應的習題練習后，可利用“自動控制原理”輔助教學軟件中典型二階系統動態特性分析界面獲取圖6所示曲線，并結合習題加深對二階系統典型時域響應的特點的認識。

本軟件采用的智能組卷算法為基于粒子群算法的改進遺傳算法，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題。本軟件業已通過典型函數測試，表明算法尋優能力強、穩定性好，而決定組卷質量的主要因素除智能算法外，還包括“知識點相關系數”以及“試題庫試題屬性”。在“知識點相關系數”方面，主要通過咨詢電氣工程及其自動化專業的專家，結合授課教師教學過程中個人理解，合理設置知識點相關系數;在“試題庫試題屬性”方面，主要通過對授課教師與學生的調查，特別是結合學生練習和學期考試情況，設置試題庫試題屬性，并及時更新。

3 結語

2014-2015年第一學期，筆者將本文介紹的基于改進遺傳算法優化的“自動控制原理”智能組卷軟件，應用于2012級自動化班教學過程中。在教學過程中，課堂氣氛活躍，學生學習的主動性與積極性得到很大程度提高，學期成績符合正態分布，通過率達95.65%，效果理想?？偨Y起來，本軟件具有以下優點:①有利于提高學生學習興趣與教學質量;②有利于實現考試規范化，杜絕了授課教師考試前劃范圍、定重點的做法，消除了部分學生的僥幸心理;③有利于提高授課教師的教學水平，從而提高了授課教師在學生中的威信;④可與自制的“自動控制原理”輔助教學軟件結合使用，進一步提高課堂教學質量。

[1]黎萍，王連圭.自動控制原理教學改革初探[J].南寧，大學教育.2014:124-125.

[2]姚鳳麒.《自動控制原理》教學模式探索與實踐[J].成都，實驗科學與技術.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，計算機工程與應用.2013，49(16):57-60.

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