基于BP 算法的课程目标达成情况评价方法研究——以操作系统原理课程为例

史军勇，王红梅，李文静

（郑州航空工业管理学院智能工程学院，河南郑州 450046）

0 引言

课程质量直接决定人才培养质量［1］。面向工程教育专业认证的课程质量评估基于产出导向量化课程目标达成情况，常用的方法有分数计算法、学生问卷调查法、学生答辩专家调查法等。但这些方法缺乏监督，量化结果主观性较强。随着大数据计算的应用，一种新的跨学科研究——计算社会经济学（Computational Socioeconomics）兴起，广泛应用于全球经济不平等和复杂度量化、区域产业结构和城市感知、个体社会经济地位与人口统计学估计等［2］。教育测量通过量化手段将教育相关事物以数的形式展现出来，为教育价值的判断提供事实依据。但传统的教育测量方法存在精度不高、缺乏以学习者为中心的教学环境等问题［3］。本文基于成果导向，以学习者为中心，提出一种基于BP 算法的课程目标达成情况评价方法，以训练数据集建立评价模型，分析了计算数据与课程目标的相关性，并将算法应用在课程目标达成结果计算中。

1 教育目标理论

19 世纪后期英国著名的教育思想家斯宾塞认为，教育应尽的职责是为个人准备快乐、幸福和美满的生活，为保证个人在资本主义社会未来竞争中获胜所需要的知识、能力和体质。他从这一观点出发，根据人类生活活动分类，提出以自然科学知识为基础的门类详尽的课程体系［4］。斯宾塞的教育目标和课程体系体现了实证科学，但是他的教育目标片面地强调个体本性及行为需要。1949 年，泰勒提出基于教育目标的课程设计理论：教育目标是什么，课程如何达到预期教育目标，如何组织课程及如何对课程进行有效评价，奠定了现代课程理论基础。现代课程本质上是科学主义，由概念、基本原理和基本方法构成，崇尚理性思考。库恩更加明确科学范式控制着社区所使用的“方法、问题和标准”及其更广阔的“信念、价值、技巧的聚合”。20 世纪50 年代，布鲁姆及其合作者提出了教育目标发展分类理论，将教育目标分为认知领域、情感领域和动作技能领域；多尔则提出4R 标准以替代作为现代课程标志的泰勒原理，即丰富性、回归性、关联性、严密性［5］。布鲁姆和多尔代表的是建构主义思想课程观，即通过参与者行为和相互作用而形成课程，不是预先设定［6］。2018 年，习近平在全国教育大会上强调“要把立德树人融入思想道德教育、文化知识教育、社会实践教育各环节，贯穿基础教育、职业教育、高等教育各领域，学科体系、教学体系、教材体系、管理体系要围绕这个目标来设计，教师要围绕这个目标来教，学生要围绕这个目标来学”，明确指出了当下我国课程教育的目标［7］。

2 操作系统原理课程目标设计

操作系统原理课程来源于学术中心系统软件的研究，课程内容与系统软件发展紧密相关。系统软件发展分为3个阶段，如图1 所示。①以操作系统（Operating System）为标志，实现了TSS（Time Sharing System）分时系统［7-8］、页式虚拟内存、虚拟磁盘等技术，如IBM System 360 系统主要解决计算机只能单任务处理而不能多任务处理的问题，但是仍面临着基础架构运维困难，如故障切换和灾难恢复等问题；②以虚拟机（Virtual Machine）为标志，文献［9］提出了可虚拟第三代架构的规范化条件，并把满足这些条件的控制程序称为虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）。虚拟机监控器基于等价性原理构造硬件虚拟化，如VM⁃ware、Xen、Virtual PC、KVM（Kernel-based Virtual Machine）等，使得为原始硬件设计的操作系统不作任何修改就可在虚拟机中运行，这为操作系统在不同硬件平台的迁移提供了便利；③以容器（Docker）为标志，通过创建多个虚拟的操作系统实例（内核和库）隔离不同的进程，为运维提供“可编程性”。经典操作系统原理课程以讲授系统软件第一阶段内容为主，新兴的操作系统原理课程围绕虚拟化、并发和持久性3 个主题讲授［10］。总之，操作系统原理课程内涵是传授系统软件天生的基础性功能，如资源管理、任务规划、性能可靠、风险处置等。

Fig.1 Development of system software图1 系统软件发展

操作系统原理课程的适用环境多种多样，有创新型、复合型、应用型等高校。对全国10 所高校（其中1 所部属，9 所省属）具有计算机类专业硕士以上学位授权学院的操作系统课程支撑毕业要求进行调研，有8 所高校选择支撑毕业要求1，4 所高校选择支撑毕业要求2，5 所高校选择支撑毕业要求3 和4，统计结果如表1 所示。可见，在普遍支撑毕业要求1 的前提下，不同高校对毕业要求2、3、4 的选择有差异，充分反应了课程适用环境对课程目标的影响。除此以外，文献［11］提出课程目标要与人才岗位需求保持一致，要紧盯人才岗位需求和人才培养目标。

Table 1 Statistical results of graduation requirements supported by operating system courses表1 操作系统课程支撑毕业要求统计结果

结合操作系统原理课程内涵和课程适用环境，设计课程目标如表2 所示。

3 课程目标达成评价流程

根据教育目标分类理论，对每一个课程目标设置多项测试活动，如图2 所示，L 代表课程目标，E 代表测试活动，测试活动结果能够反映课程目标达成情况。经典的课程目标达成情况评价采用测试活动加权平均法，但面临一个突出问题是确定权值。而基于BP 算法的课程目标达成情况评价无需确定权值，由模型通过训练数据学习权值，具体过程描述如下：

Table 2 Corresponding relationship among curriculum objectives，training objectives and graduation requirements表2 课程目标与培养目标、毕业要求的对应关系

Fig.2 Correspondence between test activities and curriculum objectives图2 测试活动与课程目标对应关系

（1）设定课程目标测试活动，并量化第i个学生测试活动结果。

（2）由专家对学生的课程目标达成情况评价，并给出第i个学生量化结果。

（3）设定测试活动权重初始值，计算课程目标达成结果。

（4）计算所有学生L0与L'的误差。

（5）采用反向传播算法，修正为。

其中，η为学习速率。

（6）迭代执行步骤（3）、（4）、（5），直到误差在控制范围之内。

4 操作系统原理课程目标评价实践

操作系统原理课程测试活动设计方案如表3 所示。θ为测试活动支撑课程目标权重，M为测试活动总分，S为测试活动成绩。

Table 3 Test activity design scheme of operating system principle course表3 操作系统原理课程测试活动设计方案

为降低测试活动之间的耦合性，采用测试活动标准化成绩E，标准化公式如下：

操作系统原理课程目标评价数据集有两个：①人工合成数据集，测试活动标准化成绩E服从正态分布N（72，112），叠加服从正态分布N（0，0.32）的噪声δ；②课程真实测试活动标准化成绩。两个数据集包含60 个学生成绩统计，每个学生均包含9项测试活动及3项课程目标专家评价成绩。

4.1 测试活动与专家评价相关性分析

测试活动是对学生学习课程后能力表现的量化过程，获得的数据能够反映学生课程目标的达成情况。首先，从测试活动内容与形式上考量，测试活动与课程目标直接相关；其次，测试活动与专家课程目标评价相互独立，两者对学生课程目标达成结果一致性表现能够相互引证。基于课程真实测试活动标准化成绩与课程目标专家评价如图3所示。

Fig.3 Correlation between test activities and expert evaluation图3 测试活动与专家评价关联情况

4.2 评价结果

基于BP 算法的课程目标达成情况评价采用留一法交叉验证有效性，每次从60 个样本中选择59 个样本迭代训练10 000 次，留取1 个样本进行检验。重复进行60 次检验后，样本的专家评价与课程目标达成情况评价预测值偏差绝对值均值统计结果如表4 所示，预测值相对于专家评价成绩最大偏差均值为7.11 分。

Table 4 Mean value of absolute deviation表4 偏差绝对值均值

基于真实数据集的专家评价与算法预测值折线如图4所示，课程目标达成情况评价预测值能较好地与专家评价吻合。

Fig.4 Line chart of expert evaluation and algorithm prediction value of real data set图4 真实数据集专家评价与算法预测值折线

5 结语

课程质量提升是我国高等教育振兴阶段性任务的核心，课程质量评价是课程质量建设的重要一环。以操作系统原理课程为例，建立了融合课程目标、考核方式、考核内容、评价方法四要素为一体的课程质量评价闭环。基于人工合成数据集和真实课程目标评价数据集实验结果，用BP算法建立的课程目标达成情况评价模型，适用于课程目标达成情况评价及课程目标达成情况评价异常检测，是大数据计算在教育管理中的应用创新。