中小學生知識架構分析與評估的智能軟件設計

李憶明　尚瑞陽　王曼曼

摘要：教育軟件的出現使中小學生知識的評估和教育資源的共享更加高效、便捷、個性化。該文根據學習過程控制模型分析與設計了知識架構分析與評估的智能工具軟件，指出了它不同于教育機構的數據庫系統，運用統計學、模糊算法等方法分析及評估學生知識點掌握狀態，從而達到輔助教學的目的。

關鍵詞：工具軟件；知識架構分析與評估；智能化；個性化；控制系統模型；統計學；模糊算法

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0083-02

本軟件建立學習過程控制系統模型，并據此設計評估軟件，設計思路新穎?，F有教育軟件，主要關注的是學習方法和學習資源，在學校學生管理方面，多是應用大數據庫對整體分析。在分析知識架構方面，沒有做成工具軟件，也沒有應用于每個學生。本軟件將實現對學生的個性化智能評估。

1 現有教育軟件分析

隨著經濟與科技的發展，政府、家庭更加重視教育，現有教育系統的一些問題也日益顯露[1]：

1）傳統“大班教育”模式下，教師只能大致了解到班級整體學習情況和個別優秀學生的掌握狀況，并不能照顧到每一名同學，從而導致了一些同學的學習積極性降低。

2）家長更愿意讓孩子接受“小班教育”或“一對一教育”，該教育形式多按課時收費，成本遠遠高于學校的“大班教育”，很多家庭難以承擔高額的輔導費用[1]。

3）中學學生管理系統多采用數理統計分析，只能分析出一些最基本數據及整體水平，并不能根據考試成績分析出每一位學生的知識點掌握狀況[2]。

針對以上問題，為了充分發揮學生學習的主動性，高效、便捷的分析出學生的知識盲點，減少家庭高額的輔導費用，設計了中小學生知識架構分析與評估智能工具軟件。該軟件有如下優點：

1）該軟件能高效、便捷地分析出每位學生的知識點掌握情況。相比學校學生管理系統，更加個性化，可滿足家庭、學校的需求。

2）可與網絡上教育軟件嫁接。在教育軟件上網上答題，提交后可自動分析學生知識點掌握情況。

3）有效減少家庭高額的輔導費用。

4）該工具軟件成本很低、普及性強。

2 軟件設計

2.1 學習過程控制系統模型的建立

中小學生知識架構分析與評估的智能工具軟件主要針對中小學生知識點進行分析，下面將結合簡化的教育模式結構圖來詳解本工具軟件的實現過程。

2.1.1 傳統師生教育系統

當今教育方式主要為：

方式1：教師講授知識——學生做題——測試成績。此方式沒有反饋，全靠學生的自覺性和能力，學習效率低。如圖1所示。

方式2：教師講授知識——學生做題——測試成績——家長分析——反饋給家教。家教主要對學生的錯題進行分析，但是錯題并不能完全反映出學生知識盲點，也有一部分知識掌握不扎實，且家教與學生需要較長磨合期。如圖2所示。

方式3：教師講授知識——學生做題——測試成績——教師分析——反饋給教師。教師主要對整體成績分析，缺乏個性化，無法照顧到每位同學。如圖3所示。

2.2.2 中小學生知識架構分析與評估的智能軟件

為解決上述問題，我們設計了中小學生知識架構分析與評估的智能軟件。

該軟件通過對教育模式結構圖功能、反饋的添加，讓每一位學生都能享受個性化的知識評估，高效、便捷的分析出知識盲點，同時降低家庭教育費用，減少家教和學生的磨合時間。在基本的教育系統中，以評價軟件為核心，極大的優化反饋效率。如圖4所示。

教師出題，學生做題后反饋給教師，教師批閱并將結果輸入該軟件，軟件將自動整理信息，得出詳細的學生知識點評估統計圖，將結果反饋給所以學生，使所有學生能高效、了解自己知識盲點，更能方便家教因材施教。

上述環節不只一次反饋，經過多次過程之后將不斷縮小學生的不足之處，更快地促進學生學習。

2.2 軟件設計原理

2.2.1 科學權衡

給予作業、測試、考試成績不同的權重，軟件可以由家長、教師、家教根據實際情況修改權重，增加軟件對不同教學情況的適應性[3]。

2.2.2 模糊算法

采用模糊算法對上一個步驟處理后的數據繼續分析。引入模糊隸屬公式，設置六個模糊語言變量：極優、優、良、中、差、極差[4]。模糊算法公式圖：

如圖所示，對于任意一個成績，都與模糊隸屬公式擁有兩個交點值：u（x0），v（x0），選取較大的值作為結果，給出模糊語言變量的評價。

2.2.3 周期性時間統計

學生對于知識點的掌握情況是隨時間的改變而改變的，這就需要對數據進一步處理，根據時間次序給予數據不同權重[5]。

分值G=a0x（i）+a1x（i+1）+……+amx（n） （m=n-i）

滿足：a0+a1+……am=1

其中a0，a1，……，am為權重。

2.3 功能設計

2.3.1知識點數據庫

1）教學大綱

系統內部含有一個完整的知識點數據庫，按學科、章節細分知識點類型、知識點。

2）知識點錄入系統

知識點錄入分為兩種實現形式，分別為人工錄入和軟件嫁接。人工錄入由教師、家長等人將試卷每一道題的知識點通過大綱目錄錄入系統?？梢院芊奖愕卣页鲱}目對應的知識點，然后錄入，錄入結果填入程序內部表格；軟件嫁接即該軟件可與市面上自帶題庫的教育軟件嫁接，省去人工錄入，學生網上答題，提交后軟件自動分析，能極大降低工作量。

2.3.2 成績錄入

錄入的成績包括作業、測試、考試成績，給予三種成績不同的權重。成績錄入界面與知識庫相對應，以試卷格式錄入。同樣此處也可嫁接軟件直接評分。

2.3.3評估與統計

2.3.3.1 評估

1）統計評估

統計數據，以知識點為主要關鍵字，統計每個知識點掌握百分比，分值型分值低于80%視為錯誤。

2）模糊算法評估

根據知識點的正確率分析，在此使用了基本的模糊算法加以解決。模糊算法將對上一個步驟處理后的數據繼續進行分析。引入模糊隸屬公式，設置六個模糊語言變量：極優、優、良、中、差、極差。

計算方法：以每個學生為單位，對應每個知識點，都通過模糊算法給予學生評級。

對應一個x值（0

每個知識點都給予模糊計算，對于分值題則可直接用分值百分率計算。極優，優，良，中，差，極差給予權重1/0.8/0.6/0.4/0，2/0。

模糊算法結合精確統計，分別給予30%、70%權重，得出最終分值。

2.3.3.2 實時統計和周期性統計

1）實時統計

實時統計可以繪制知識點掌握情況評價圖，并及時反饋給學生、家長、教師。

2）周期性統計

學生對于知識點的掌握情況是隨時間的改變而改變，對數據進一步處理，根據時間次序給予數據不同權重。

2.3.4 輸出系統

輸出即為軟件反饋給教師學生的數據，在經過上述步驟處理后之后，得到許多個表。輸出系統將以圖表的形式反饋給教師與學生。輸出內容為：

1）一次測評后，給予每位學生知識點掌握情況統計情況表和柱狀圖，都以百分制的形式給出，知識盲點一目了然。

2）多次測評后，給予單一知識點多次測評曲線圖，按時間順序排列，隨時能查看對于某一知識點掌握情況。

3）多次測評后，給予所有知識點掌握情況一覽圖，給出綜合評價[6]。

3 結束語

該軟件可以達到充分發揮學生主動性，高效、便捷分析出知識盲點，提高學生的學習效率和教育質量，減少家庭教育費用。

參考文獻：

[1] 陳國龍. 家庭教師問題的淺析[J]. 林區教學， 2001（2）.

[2] 張壽松， 劉為邦. 小班化教育與大班教育的比較研究[J]. 麗水師范?？茖W校學報， 2003（1）.

[3] 羅毅. 基于知識點-難度比例的組卷算法研究[J]. 武漢理工大學學報， 2009（10）.

[4] 彭愈強. 基于模糊綜合評價的電大教學評估系統設計[D].成都： 電子科技大學， 2009.

[5] 米遲， 鄭驚歐， 劉勁. 學生評估系統的設計與實現[J]. 中國科教創新導刊， 2011（10）.

[6] 姚鎖寧. 基于MATLAB/VC的教學評估系統研究與開發[D]. 西安： 西安理工大學， 2008.