基于云理論的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)成績?cè)u(píng)定方法

陳維佳

關(guān)鍵詞： 實(shí)踐教學(xué) 云模型 評(píng)價(jià)體系 數(shù)據(jù)挖掘

中圖分類號(hào)： TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2024）01-0178-04

實(shí)踐教學(xué)是學(xué)校教學(xué)工作的重要組成部分，是深化課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生獲取、掌握知識(shí)的重要途徑［1］。通過設(shè)定具體目標(biāo)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，使學(xué)生在實(shí)踐過程中將所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)運(yùn)用到對(duì)實(shí)際裝置或技術(shù)的研究中，并實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)理論更深層次的理解［2］。隨著“新工科”教育的不斷推進(jìn)，以“解決復(fù)雜工程問題”為導(dǎo)向回歸實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)和提高學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維，以適應(yīng)新形勢(shì)下的人才培養(yǎng)需求［3］。本文以課程設(shè)計(jì)為例介紹一種基于云模型的成績?cè)u(píng)定方法，彌補(bǔ)了之前評(píng)價(jià)方法的不足，發(fā)現(xiàn)了教學(xué)過程中存在的問題，成績?cè)u(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確客觀，教學(xué)質(zhì)量得到了提升。

1 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)成績?cè)u(píng)定體系

在工科專業(yè)課教學(xué)中，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)一般包括專業(yè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)等。以課程設(shè)計(jì)為例，根據(jù)《西安郵電大學(xué)實(shí)踐教學(xué)成績?cè)u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)》中自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)要求，考核項(xiàng)目分為三部分。第一部分為學(xué)習(xí)態(tài)度和紀(jì)律，占比20%，考核內(nèi)容包括預(yù)習(xí)報(bào)告質(zhì)量、考勤簽到情況，考查學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與前期理論知識(shí)功底。第二部分為實(shí)踐能力考核，包括軟件原理仿真、硬件實(shí)物焊接與調(diào)試。該部分為實(shí)踐環(huán)節(jié)考核核心內(nèi)容，考查學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力，占比50%。第三部分為實(shí)驗(yàn)報(bào)告與答辯，占比30%，考核內(nèi)容包括答辯過程中問題回答情況，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完整性、規(guī)范性與準(zhǔn)確性，學(xué)生整理資料與書面表達(dá)能力。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容與分級(jí)如圖1 所示。該標(biāo)準(zhǔn)貫穿實(shí)踐教學(xué)每個(gè)環(huán)節(jié)，考查內(nèi)容全面具體，體現(xiàn)了教學(xué)過程的系統(tǒng)性和科學(xué)性，符合專業(yè)認(rèn)證背景下的工科人才培養(yǎng)需求。

因?yàn)閷?shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)考查具有復(fù)雜性、創(chuàng)造性、主觀性和模糊性的特點(diǎn)，所以采用等級(jí)評(píng)定制度判定成績。等級(jí)定性評(píng)定方比較簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的計(jì)算，可以更客觀地反映學(xué)生的知識(shí)掌握情況。但是現(xiàn)有方法存在一些問題，即等級(jí)之間只有序列性不適合做四則運(yùn)算，難以進(jìn)行綜合分析［4］。教師只能憑借教學(xué)經(jīng)驗(yàn)根據(jù)二級(jí)考核指標(biāo)結(jié)果給出最終成績等級(jí)，具有一定的主觀性和片面性。

把云模型應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的定性評(píng)價(jià)中，可以合理劃分學(xué)生成績，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確、客觀，并且能夠?qū)W(xué)習(xí)過程細(xì)化，充分反映學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、理論知識(shí)掌握情況、動(dòng)手實(shí)踐能力、書面和語言表達(dá)能力，同時(shí)也能反饋實(shí)踐環(huán)節(jié)授課教師的教學(xué)方法是否合適、每個(gè)模塊教學(xué)質(zhì)量的高低以及選題的難易。新的評(píng)價(jià)方法克服了以往方法中難以綜合分析的弱點(diǎn)，具有較高的準(zhǔn)確性和客觀性。

2 云模型原理

2.1 正態(tài)云模型及其數(shù)字特征

云模型的概念因粒子進(jìn)化演化而來，由中國科學(xué)院李德毅院士首次提出。云模型可以實(shí)現(xiàn)定性概念和定量數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)化，彌補(bǔ)了概率論和模糊數(shù)學(xué)中處理不確定性問題的不足［5］。目前云模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)、綜合評(píng)價(jià)、算法改進(jìn)、知識(shí)表達(dá)等領(lǐng)域，以及解決與數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)聯(lián)的智能控制、影像解析識(shí)別等相關(guān)問題。

2.3 評(píng)價(jià)集云模型

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)采用五級(jí)制計(jì)分，通過學(xué)生的表現(xiàn)給出5 個(gè)等級(jí)評(píng)價(jià)，因此需要建立統(tǒng)一的等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并確定各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字特征。將評(píng)語［不及格，及格，中等，良好，優(yōu)秀］轉(zhuǎn)化為評(píng)定值［1，2，3，4，5］，利用黃金分割法［9］將論域分為5 個(gè)小云，較小云的熵和超熵是所臨較大云的0.618倍。黃金分割法廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域質(zhì)量和安全等級(jí)的評(píng)估中，具有較高的實(shí)用性和精準(zhǔn)度。利用正向云發(fā)生器，每個(gè)等級(jí)云產(chǎn)生1 000 個(gè)云滴，生成五級(jí)評(píng)價(jià)集的云模型如圖2 所示，其各級(jí)數(shù)字特征如表1所示。

建立評(píng)價(jià)集云模型之后，需要利用隸屬度得出成績等級(jí)。隸屬度是模糊評(píng)價(jià)函數(shù)中的基本概念，通過計(jì)算每一個(gè)學(xué)生成績對(duì)應(yīng)等級(jí)的隸屬度，根據(jù)最大隸屬度原則確定評(píng)價(jià)結(jié)果。隸屬度計(jì)算公式如下：

基于云模型的成績等級(jí)評(píng)定方法總結(jié)步驟如下。

（1）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)和成績數(shù)據(jù)，利用式（1）～式（4）求出每個(gè)二級(jí)指標(biāo)子云的數(shù)字特征。

（2）根據(jù)二級(jí)指標(biāo)權(quán)重，利用式（5）～式（7）將多維二級(jí)指標(biāo)云模型融合，得出一級(jí)指標(biāo)父云的數(shù)字特征和高斯云分布。

（3）根據(jù)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重重新融合數(shù)據(jù)，得到最終成績的綜合云模型。

（4）通過成績數(shù)據(jù)樣本確定五級(jí)制評(píng)價(jià)云的數(shù)字特征，建立五級(jí)制評(píng)價(jià)云模型。

（5）利用式（8）和式（9）計(jì)算出成績數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

（6）根據(jù)最大隸屬度原則確定每個(gè)數(shù)據(jù)歸屬的等級(jí)。

3 實(shí)例分析

以西安郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院某班自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)成績?yōu)槔?，全?4 人，每個(gè)同學(xué)的6 個(gè)評(píng)語對(duì)應(yīng)6 個(gè)實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)指標(biāo)。將評(píng)語［不及格，及格，中等，良好，優(yōu)秀］轉(zhuǎn)化為評(píng)定值［1，2，3，4，5］，量化評(píng)語數(shù)據(jù)得到一個(gè)34×6 的決策矩陣。首先將6 個(gè)二級(jí)指標(biāo)云融合為3 個(gè)一級(jí)指標(biāo)綜合云，再將一級(jí)指標(biāo)云融合成最終成績的綜合云。融合過程中各個(gè)云模型數(shù)字特征具體見表2。

通過式（8）計(jì)算每位同學(xué)的成績加權(quán)值，再利用式（9）計(jì)算等級(jí)的隸屬度，在5 個(gè)隸屬度中找出每組最大值。根據(jù)最大隸屬度原則，最大值對(duì)應(yīng)的等級(jí)即為這個(gè)學(xué)生的成績。各等級(jí)云模型可以幫助分析各個(gè)指標(biāo)的教學(xué)情況，便于教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生共性問題。由表2 可知，指標(biāo)一的云期望值最大最聚集，說明學(xué)生預(yù)習(xí)情況和考勤方面表現(xiàn)很好，班級(jí)整體紀(jì)律學(xué)風(fēng)優(yōu)良。指標(biāo)二的云期望較低熵和超熵較大，模型相對(duì)較發(fā)散，表明學(xué)生對(duì)課程主體知識(shí)掌握存在一定分層。個(gè)別同學(xué)理論知識(shí)扎實(shí)，但是不善于運(yùn)用于實(shí)踐。為了解決這個(gè)問題，教師有針對(duì)性地及時(shí)指導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生要有意識(shí)地自己多思考、多練習(xí)。指標(biāo)三在三組數(shù)據(jù)中云層最厚，全班學(xué)生在答辯過程中各方面表現(xiàn)差距較大，個(gè)別實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范性欠缺。成為一位合格的工程師，不僅要有扎實(shí)、精湛的知識(shí)體系，也需要具備精準(zhǔn)的語言表達(dá)能力和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神。

最終成績綜合云參數(shù)為C₀（3.71211.30950.4737），如圖3 所示，圖中星號(hào)為成績數(shù)據(jù)云滴?？偝煽兇蟛糠衷频坞`屬度高于0.7，說明學(xué)生各項(xiàng)成績比較均衡。圖中個(gè)別云滴最大隸屬度小于0.2，則說明該同學(xué)各項(xiàng)成績跨度很大，有強(qiáng)項(xiàng)也有明顯的短板。對(duì)于這種成績嚴(yán)重不均衡的學(xué)生，需要在接下來的課程中設(shè)置針對(duì)性的練習(xí)，重點(diǎn)解決薄弱環(huán)節(jié)，這樣可以顯著提高教學(xué)質(zhì)量和效率?；谠颇Ｐ偷某煽?cè)u(píng)定方法跟傳統(tǒng)加權(quán)求平均方法相比，可以盡可能多地挖掘隱藏在成績數(shù)據(jù)中的有價(jià)值信息，充分體現(xiàn)大數(shù)據(jù)時(shí)代智能算法的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

現(xiàn)有的實(shí)踐環(huán)節(jié)成績?cè)u(píng)價(jià)規(guī)則，是教師依據(jù)先前教學(xué)經(jīng)驗(yàn)制定的定性概念與數(shù)值區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具有一定的主觀性、片面性和局限性。經(jīng)過以上深入的研究，利用基于云模型的評(píng)價(jià)算法，可以得出每位學(xué)生成績對(duì)應(yīng)的定性概念區(qū)間，更準(zhǔn)確和客觀。在此基礎(chǔ)上挖掘更多隱藏的、細(xì)化的信息，較好地彌補(bǔ)了以前評(píng)價(jià)方法的不足，對(duì)后續(xù)的學(xué)習(xí)和教學(xué)工作都有重要意義。