组卷软件在“自动控制原理”教学中应用

肖理庆

(徐州工程学院信电工程学院，江苏徐州221111)

0 引言

作为电气工程及其自动化专业一门重要专业课，“自动控制原理”课程具有系统性强、内容抽象和学生不易掌握等特点[1，2]。

我们通过对授课教师与学生的调查研究，总结了目前我院电气工程及其自动化专业“自动控制原理”课程教学中存在的一些问题:

(1)部分学生认为授课教师只能按PPT课件讲解课本例题，单调乏味，容易产生抵触情绪;

(2)不同班级学生的基础不同，对部分班级学生，授课教师只需通过讲解一个例题便可实现预期教学效果，而对另外部分班级学生，授课教师可能需要讲解两个甚至更多例题，方能达到效果。例题的选择和教师讲解技巧都面临挑战。

(3)部分学生存在侥幸心理，认为教师考试前会划范围，定重点，或者企图通过猜测考题取巧。

针对以上问题，我们根据“自动控制原理”教学大纲要求，总结了“自动控制原理”课程所有知识点，建立了包含不同难度系数的计算题、画图题和设计题的“自动控制原理”习题库，并将其他题型以小题形式融合在上述三种题型中。在此基础上，笔者基于改进遗传算法优化原理设计了“自动控制原理”组卷软件[3，4]，在保证知识点合理分布的基础上，实现两种不同智能组卷，并将其应用于“自动控制原理”课程教学中。教学实践结果验证了该组态软件的有效性。

1 智能组卷软件简介

本软件基于Matlab软件，利用GUI制作了简洁高效的界面，并最终生成可脱离Matlab运行的可执行文件。软件主界面由四部分构成:①“查看与修改‘自动控制原理’试题库试题属性”与“知识点相关系数”部分;②参数输入部分(包括人为干预与非人为干预两种组卷方式的选择、考查的知识点数、算法最大迭代次数、种群数目、试题平均难度系数、试题总耗时、试题总分、难度系数权值、时间权值和分值权值等);③组卷结果显示部分;④查看优化曲线部分。如图1所示。

图1 “自动控制原理”智能组卷软件主界面

点击“查看与修改‘自动控制原理’试题库试题属性”按钮，便可进入查看与修改“自动控制原理”试题库试题属性界面，如图2所示。

图2 查看与修改试题库试题属性界面

点击“查看与修改‘自动控制原理’知识点相关系数”按钮，便可进入查看与修改“自动控制原理”知识点相关系数界面，如图3所示。输入算法参数后，点击确定按钮，便可利用改进遗传算法实现智能组卷，如图1(b)所示。点击“查看优化曲线1”与“查看优化曲线2”按钮，便可进入查看优化曲线界面，如图4所示，其中“优化曲线1”对应优化知识点的合理分布，“优化曲线2”对应在保证知识点合理分布基础上的智能组卷。通过观察曲线，可判断算法是否未成熟收敛，若是，可增加算法最大迭代次数与种群数目。根据组卷结果，进入查看试题与试题答案界面，如图5所示。

图3 查看与修改知识点相关系数界面

图4 查看优化曲线界面

图5 查看试题与试题答案界面

2 智能组卷软件具体应用

授课教师讲授习题时，根据所要讲授的知识点，选择人为干预组卷方式。由于知识点数目较少，为了提高组卷效率，改进遗传算法最大迭代次数与种群数目可设为10，如此仅需数秒便可从试题库中选出合适的题目。授课教师初次讲授例题时，应选择难度系数较低的题目，然后根据学生掌握情况，适当增加难度系数或保持难度系数不变，重新选取题目。由于题目是根据设置的参数随机从试题库选取的，授课教师必须具备相当的教学水平，这对授课教师也起到了督促作用，可促进授课教师的发展。

我院“自动控制原理”课程教学大纲中规定，习题课学时总数为10学时。在习题课教学过程中，授课教师可根据每章的教学重点与难点，选择人为干预方式智能组卷，并反复向学生强调，学期考试同样采取智能组卷的形式，以消除部分学生的侥幸心理。

图6 典型二阶系统单位阶跃响应曲线

另外，本软件可与我们自制的另一个“自动控制原理”辅助教学软件结合使用，从而进一步提高课堂教学质量。以典型二阶系统动态特性知识点为例，在完成对应的习题练习后，可利用“自动控制原理”辅助教学软件中典型二阶系统动态特性分析界面获取图6所示曲线，并结合习题加深对二阶系统典型时域响应的特点的认识。

本软件采用的智能组卷算法为基于粒子群算法的改进遗传算法，即将粒子群算法引入采取精英策略的遗传算法变异操作中，以克服基本遗传算法未成熟收敛问题。本软件业已通过典型函数测试，表明算法寻优能力强、稳定性好，而决定组卷质量的主要因素除智能算法外，还包括“知识点相关系数”以及“试题库试题属性”。在“知识点相关系数”方面，主要通过咨询电气工程及其自动化专业的专家，结合授课教师教学过程中个人理解，合理设置知识点相关系数;在“试题库试题属性”方面，主要通过对授课教师与学生的调查，特别是结合学生练习和学期考试情况，设置试题库试题属性，并及时更新。

3 结语

2014-2015年第一学期，笔者将本文介绍的基于改进遗传算法优化的“自动控制原理”智能组卷软件，应用于2012级自动化班教学过程中。在教学过程中，课堂气氛活跃，学生学习的主动性与积极性得到很大程度提高，学期成绩符合正态分布，通过率达95.65%，效果理想。总结起来，本软件具有以下优点:①有利于提高学生学习兴趣与教学质量;②有利于实现考试规范化，杜绝了授课教师考试前划范围、定重点的做法，消除了部分学生的侥幸心理;③有利于提高授课教师的教学水平，从而提高了授课教师在学生中的威信;④可与自制的“自动控制原理”辅助教学软件结合使用，进一步提高课堂教学质量。

[1]黎萍，王连圭.自动控制原理教学改革初探[J].南宁，大学教育.2014:124-125.

[2]姚凤麒.《自动控制原理》教学模式探索与实践[J].成都，实验科学与技术.2014，12(3):159-160.

[3]路宽，李冬梅，余婧等.基于元胞遗传算法的智能组卷的研究[J].北京，计算机工程与应用.2013，49(16):57-60.

[4]李欣然，樊永生.改进量子行为粒子群算法智能组卷策略研究[J].重庆，计算机科学.2013，40(4):236-239.