《自动控制原理》期末考试分析软件在教学中的应用研究

肖理庆

（淮南师范学院机械与电气工程学院，安徽淮南 232038）

期末考试是课程教学过程中的关键环节，是评价课程教学质量的重要手段。目前国内大部分高校要求授课教师在期末考试试卷批阅结束后，根据学生期末考试成绩提交课程的期末考试总结报告。一般来讲，期末考试总结报告仅包含优秀率、及格率等基本信息，而这些基本信息无法真实、全面地反映在课程教学过程中存在的问题。

为了实现以考促教，基于Matlab研发了《自动控制原理》期末考试分析软件，不仅可提供上述基本信息，而且可自动计算知识点的得分率和课程目标达成度，并可通过对比学生平时成绩与考试成绩的差值、预测成绩与考试成绩的差值，判断考试是否存在异常情况，最终自动生成期末考试总结报告[1−4]。

1 课程模型与目标

《自动控制原理》课程模型主要包括课程教学重点与难点、学时分配、教学方法等。课程目标如下：

课程目标1：掌握《自动控制原理》专业术语与基础理论知识；

课程目标2：掌握建立自动控制系统数学模型的方法；

课程目标3：掌握自动控制系统性能的定性分析与定量计算；

课程目标4：掌握改善自动控制系统性能的方法[5−8]。

2 期末考试分析软件在课程教学中应用

《自动控制原理》期末考试分析软件主界面，见图1。

2.1 查看期末考试试卷参数

查看《自动控制原理》期末考试试卷参数界面，见图2。试卷参数包括难度系数以及课程目标1～4分别对应的考试题目、数量和分值等。

图2 查看期末考试试卷参数界面

2.2 查看期末考试成绩

查看《自动控制原理》期末考试成绩界面，见图3，可显示应考人数与实考人数等信息。

图3 查看期末考试成绩界面

2.3 查看期末考试交卷时间

查看《自动控制原理》期末考试交卷时间界面，见图4，可显示班级学生学号、姓名、开始考试时间、交卷时间、耗时以及开考后第一名学生交卷时间、一半学生交卷时间、最后一名学生交卷时间。

图4 查看期末考试交卷时间界面

2.4 查看期末考试成绩分析

查看《自动控制原理》期末考试成绩分析界面，见图5，可自动显示考试成绩符合正态分布的理想人数与实际人数的柱状图对比等信息。

图5 查看期末考试成绩分析界面

2.5 查看期末考试异常情况

查看《自动控制原理》期末考试异常情况界面，见图6，不仅可分别显示学生平时成绩与考试成绩、预测成绩与考试成绩的对比，而且根据授课教师所输入的阈值，当存在某学生的平时成绩与考试成绩或者预测成绩与考试成绩的差值超过所设置的阈值时，软件将自动显示对应学生的学号与姓名，见图6(a)与图6(b)，否则将显示“考试无异常”，见图6(c)与图6(d)。

图6 查看期末考试异常情况界面

在对比平时成绩与考试成绩时，阈值一般设置为10～20。如果课后作业与考勤（特别是考勤）在平时成绩中所占比重较大，则可适当提高阈值；在对比预测成绩与考试成绩时，阈值一般设置为5～15。

预测成绩是根据学生的模拟考试成绩与专题测验成绩，预测其期末考试成绩，具有学业预警的功能。以式(1)和式(2)为误差函数，从7种不同改进粒子群算法中随机选取一种算法优化BP神经网络权阈值，从而实现基于改进粒子群算法优化的BP神经网络期末考试成绩预测。改进粒子群算法收敛曲线，见图7。部分程序代码，见图8。

式中：k为数据个数；Z为理论值；为预测值。

图7 改进粒子群算法收敛曲线

图8 部分程序代码

2.6 查看课程目标达成度

查看《自动控制原理》课程目标达成度界面，见图9，不仅可显示课程目标1～4达成度的期望值与实际值，见图9(a)，而且可显示指定学生的课程目标达成度，见图9(b)。其中班级与指定学生的课程目标达成度的实际值分别按式(3)与式(4)计算。

式中：f 为课程目标序号；n 为参加考试学生总数；m 为课程目标f 所包含的考试题目总数；α( i，j )为第i 个学生第j 个考试题目所得分数；β(j )为第j 个考试题目分值。

2.7 查看期末考试总结报告

查看《自动控制原理》期末考试总结报告界面，见图10。在软件自动生成的《自动控制原理》期末考试总结报告中，具体包括应考人数、实考人数、试卷参数、考试是否存在异常情况、各知识点得分率以及课程课程目标1～4达成度等信息。

图10 查看期末考试总结报告界面

在判断考试成绩是否符合正态分布时，采用的方法是：计算不同分数区间的理想人数与实际人数差值的绝对值总和与实考人数的百分比P，当P小于等于5%时，认为符合正态分布；当P大于5%且小于等于10%时，认为基本符合正态分布；当P大于10%时，认为不符合正态分布。

在判断试卷对本班学生难易程度时，综合考虑学生平均分与耗时；在判断考试是否存在异常情况时，同时考虑对比平时成绩与考试成绩的结果和对比预测成绩与考试成绩的结果，只有当存在某学生的平时成绩与考试成绩差值、预测成绩与考试成绩差值均超过所设置的阈值时，才认为“考试存在异常情况”，否则认为“考试无异常”。图6(a)与图6(b)中，对比平时成绩与考试成绩、阈值设置为10和对比预测成绩与考试成绩、阈值设置为15时，均显示段同学考试异常，从而在期末考试总结报告中认定为“考试存在异常情况”。通过查看学生交卷时间，可以发现：开考后仅48 min段同学便交卷，没有完成试卷全部题目，授课教师可以进一步与监考教师和学生本人沟通或查看监控视频，了解学生提前交卷的原因是属于存在违规违纪行为还是其他特殊原因。

由图9(a)可知，课程目标1～4达成度的实际值均超过了期望值，但通过软件自动计算的各知识点得分率可知，学生在控制系统相对稳定性的得分率较低，仅为64%。根据此信息，授课教师应该及时更新《自动控制原理》课程模型，包括将“控制系统相对稳定性”增设为课程教学重点与难点等。

3 结语

由于无法实现自动计算期末考试中各知识点的得分率等数据信息，目前在国内高校，撰写期末考试总结报告成为授课教师在完成试卷批阅后的一项繁重任务，而且大部分期末考试总结报告无法真实、全面反映在课程教学过程中存在的各种问题。基于Matlab的《自动控制原理》期末考试分析软件可自动生成期末考试总结报告，不仅具有学业预警功能，而且有利于授课教师科学、合理的更新课程模型，具有可推广性。