中小學(xué)生知識(shí)架構(gòu)分析與評(píng)估的智能軟件設(shè)計(jì)

李憶明　尚瑞陽(yáng)　王曼曼

摘要：教育軟件的出現(xiàn)使中小學(xué)生知識(shí)的評(píng)估和教育資源的共享更加高效、便捷、個(gè)性化。該文根據(jù)學(xué)習(xí)過(guò)程控制模型分析與設(shè)計(jì)了知識(shí)架構(gòu)分析與評(píng)估的智能工具軟件，指出了它不同于教育機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、模糊算法等方法分析及評(píng)估學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握狀態(tài)，從而達(dá)到輔助教學(xué)的目的。

關(guān)鍵詞：工具軟件；知識(shí)架構(gòu)分析與評(píng)估；智能化；個(gè)性化；控制系統(tǒng)模型；統(tǒng)計(jì)學(xué)；模糊算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）03-0083-02

本軟件建立學(xué)習(xí)過(guò)程控制系統(tǒng)模型，并據(jù)此設(shè)計(jì)評(píng)估軟件，設(shè)計(jì)思路新穎?，F(xiàn)有教育軟件，主要關(guān)注的是學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)資源，在學(xué)校學(xué)生管理方面，多是應(yīng)用大數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)整體分析。在分析知識(shí)架構(gòu)方面，沒(méi)有做成工具軟件，也沒(méi)有應(yīng)用于每個(gè)學(xué)生。本軟件將實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的個(gè)性化智能評(píng)估。

1 現(xiàn)有教育軟件分析

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，政府、家庭更加重視教育，現(xiàn)有教育系統(tǒng)的一些問(wèn)題也日益顯露[1]：

1）傳統(tǒng)“大班教育”模式下，教師只能大致了解到班級(jí)整體學(xué)習(xí)情況和個(gè)別優(yōu)秀學(xué)生的掌握狀況，并不能照顧到每一名同學(xué)，從而導(dǎo)致了一些同學(xué)的學(xué)習(xí)積極性降低。

2）家長(zhǎng)更愿意讓孩子接受“小班教育”或“一對(duì)一教育”，該教育形式多按課時(shí)收費(fèi)，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于學(xué)校的“大班教育”，很多家庭難以承擔(dān)高額的輔導(dǎo)費(fèi)用[1]。

3）中學(xué)學(xué)生管理系統(tǒng)多采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，只能分析出一些最基本數(shù)據(jù)及整體水平，并不能根據(jù)考試成績(jī)分析出每一位學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)掌握狀況[2]。

針對(duì)以上問(wèn)題，為了充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，高效、便捷的分析出學(xué)生的知識(shí)盲點(diǎn)，減少家庭高額的輔導(dǎo)費(fèi)用，設(shè)計(jì)了中小學(xué)生知識(shí)架構(gòu)分析與評(píng)估智能工具軟件。該軟件有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）該軟件能高效、便捷地分析出每位學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)掌握情況。相比學(xué)校學(xué)生管理系統(tǒng)，更加個(gè)性化，可滿足家庭、學(xué)校的需求。

2）可與網(wǎng)絡(luò)上教育軟件嫁接。在教育軟件上網(wǎng)上答題，提交后可自動(dòng)分析學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握情況。

3）有效減少家庭高額的輔導(dǎo)費(fèi)用。

4）該工具軟件成本很低、普及性強(qiáng)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 學(xué)習(xí)過(guò)程控制系統(tǒng)模型的建立

中小學(xué)生知識(shí)架構(gòu)分析與評(píng)估的智能工具軟件主要針對(duì)中小學(xué)生知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析，下面將結(jié)合簡(jiǎn)化的教育模式結(jié)構(gòu)圖來(lái)詳解本工具軟件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.1.1 傳統(tǒng)師生教育系統(tǒng)

當(dāng)今教育方式主要為：

方式1：教師講授知識(shí)——學(xué)生做題——測(cè)試成績(jī)。此方式?jīng)]有反饋，全靠學(xué)生的自覺(jué)性和能力，學(xué)習(xí)效率低。如圖1所示。

方式2：教師講授知識(shí)——學(xué)生做題——測(cè)試成績(jī)——家長(zhǎng)分析——反饋給家教。家教主要對(duì)學(xué)生的錯(cuò)題進(jìn)行分析，但是錯(cuò)題并不能完全反映出學(xué)生知識(shí)盲點(diǎn)，也有一部分知識(shí)掌握不扎實(shí)，且家教與學(xué)生需要較長(zhǎng)磨合期。如圖2所示。

方式3：教師講授知識(shí)——學(xué)生做題——測(cè)試成績(jī)——教師分析——反饋給教師。教師主要對(duì)整體成績(jī)分析，缺乏個(gè)性化，無(wú)法照顧到每位同學(xué)。如圖3所示。

2.2.2 中小學(xué)生知識(shí)架構(gòu)分析與評(píng)估的智能軟件

為解決上述問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了中小學(xué)生知識(shí)架構(gòu)分析與評(píng)估的智能軟件。

該軟件通過(guò)對(duì)教育模式結(jié)構(gòu)圖功能、反饋的添加，讓每一位學(xué)生都能享受個(gè)性化的知識(shí)評(píng)估，高效、便捷的分析出知識(shí)盲點(diǎn)，同時(shí)降低家庭教育費(fèi)用，減少家教和學(xué)生的磨合時(shí)間。在基本的教育系統(tǒng)中，以評(píng)價(jià)軟件為核心，極大的優(yōu)化反饋效率。如圖4所示。

教師出題，學(xué)生做題后反饋給教師，教師批閱并將結(jié)果輸入該軟件，軟件將自動(dòng)整理信息，得出詳細(xì)的學(xué)生知識(shí)點(diǎn)評(píng)估統(tǒng)計(jì)圖，將結(jié)果反饋給所以學(xué)生，使所有學(xué)生能高效、了解自己知識(shí)盲點(diǎn)，更能方便家教因材施教。

上述環(huán)節(jié)不只一次反饋，經(jīng)過(guò)多次過(guò)程之后將不斷縮小學(xué)生的不足之處，更快地促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)原理

2.2.1 科學(xué)權(quán)衡

給予作業(yè)、測(cè)試、考試成績(jī)不同的權(quán)重，軟件可以由家長(zhǎng)、教師、家教根據(jù)實(shí)際情況修改權(quán)重，增加軟件對(duì)不同教學(xué)情況的適應(yīng)性[3]。

2.2.2 模糊算法

采用模糊算法對(duì)上一個(gè)步驟處理后的數(shù)據(jù)繼續(xù)分析。引入模糊隸屬公式，設(shè)置六個(gè)模糊語(yǔ)言變量：極優(yōu)、優(yōu)、良、中、差、極差[4]。模糊算法公式圖：

如圖所示，對(duì)于任意一個(gè)成績(jī)，都與模糊隸屬公式擁有兩個(gè)交點(diǎn)值：u（x0），v（x0），選取較大的值作為結(jié)果，給出模糊語(yǔ)言變量的評(píng)價(jià)。

2.2.3 周期性時(shí)間統(tǒng)計(jì)

學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的掌握情況是隨時(shí)間的改變而改變的，這就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，根據(jù)時(shí)間次序給予數(shù)據(jù)不同權(quán)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(quán)重。

2.3 功能設(shè)計(jì)

2.3.1知識(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)

1）教學(xué)大綱

系統(tǒng)內(nèi)部含有一個(gè)完整的知識(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，按學(xué)科、章節(jié)細(xì)分知識(shí)點(diǎn)類(lèi)型、知識(shí)點(diǎn)。

2）知識(shí)點(diǎn)錄入系統(tǒng)

知識(shí)點(diǎn)錄入分為兩種實(shí)現(xiàn)形式，分別為人工錄入和軟件嫁接。人工錄入由教師、家長(zhǎng)等人將試卷每一道題的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)大綱目錄錄入系統(tǒng)?？梢院芊奖愕卣页鲱}目對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，然后錄入，錄入結(jié)果填入程序內(nèi)部表格；軟件嫁接即該軟件可與市面上自帶題庫(kù)的教育軟件嫁接，省去人工錄入，學(xué)生網(wǎng)上答題，提交后軟件自動(dòng)分析，能極大降低工作量。

2.3.2 成績(jī)錄入

錄入的成績(jī)包括作業(yè)、測(cè)試、考試成績(jī)，給予三種成績(jī)不同的權(quán)重。成績(jī)錄入界面與知識(shí)庫(kù)相對(duì)應(yīng)，以試卷格式錄入。同樣此處也可嫁接軟件直接評(píng)分。

2.3.3評(píng)估與統(tǒng)計(jì)

2.3.3.1 評(píng)估

1）統(tǒng)計(jì)評(píng)估

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以知識(shí)點(diǎn)為主要關(guān)鍵字，統(tǒng)計(jì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)掌握百分比，分值型分值低于80%視為錯(cuò)誤。

2）模糊算法評(píng)估

根據(jù)知識(shí)點(diǎn)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(duì)上一個(gè)步驟處理后的數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行分析。引入模糊隸屬公式，設(shè)置六個(gè)模糊語(yǔ)言變量：極優(yōu)、優(yōu)、良、中、差、極差。

計(jì)算方法：以每個(gè)學(xué)生為單位，對(duì)應(yīng)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，都通過(guò)模糊算法給予學(xué)生評(píng)級(jí)。

對(duì)應(yīng)一個(gè)x值（0

每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都給予模糊計(jì)算，對(duì)于分值題則可直接用分值百分率計(jì)算。極優(yōu)，優(yōu)，良，中，差，極差給予權(quán)重1/0.8/0.6/0.4/0，2/0。

模糊算法結(jié)合精確統(tǒng)計(jì)，分別給予30%、70%權(quán)重，得出最終分值。

2.3.3.2 實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和周期性統(tǒng)計(jì)

1）實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)

實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)可以繪制知識(shí)點(diǎn)掌握情況評(píng)價(jià)圖，并及時(shí)反饋給學(xué)生、家長(zhǎng)、教師。

2）周期性統(tǒng)計(jì)

學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的掌握情況是隨時(shí)間的改變而改變，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，根據(jù)時(shí)間次序給予數(shù)據(jù)不同權(quán)重。

2.3.4 輸出系統(tǒng)

輸出即為軟件反饋給教師學(xué)生的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過(guò)上述步驟處理后之后，得到許多個(gè)表。輸出系統(tǒng)將以圖表的形式反饋給教師與學(xué)生。輸出內(nèi)容為：

1）一次測(cè)評(píng)后，給予每位學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握情況統(tǒng)計(jì)情況表和柱狀圖，都以百分制的形式給出，知識(shí)盲點(diǎn)一目了然。

2）多次測(cè)評(píng)后，給予單一知識(shí)點(diǎn)多次測(cè)評(píng)曲線圖，按時(shí)間順序排列，隨時(shí)能查看對(duì)于某一知識(shí)點(diǎn)掌握情況。

3）多次測(cè)評(píng)后，給予所有知識(shí)點(diǎn)掌握情況一覽圖，給出綜合評(píng)價(jià)[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

該軟件可以達(dá)到充分發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性，高效、便捷分析出知識(shí)盲點(diǎn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教育質(zhì)量，減少家庭教育費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 姚鎖寧. 基于MATLAB/VC的教學(xué)評(píng)估系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[D]. 西安： 西安理工大學(xué)， 2008.