基于BP 算法的課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)方法研究
——以操作系統(tǒng)原理課程為例

史軍勇，王紅梅，李文靜

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院智能工程學(xué)院，河南鄭州 450046）

0 引言

課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量［1］。面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的課程質(zhì)量評估基于產(chǎn)出導(dǎo)向量化課程目標(biāo)達(dá)成情況，常用的方法有分?jǐn)?shù)計(jì)算法、學(xué)生問卷調(diào)查法、學(xué)生答辯專家調(diào)查法等。但這些方法缺乏監(jiān)督，量化結(jié)果主觀性較強(qiáng)。隨著大數(shù)據(jù)計(jì)算的應(yīng)用，一種新的跨學(xué)科研究——計(jì)算社會經(jīng)濟(jì)學(xué)（Computational Socioeconomics）興起，廣泛應(yīng)用于全球經(jīng)濟(jì)不平等和復(fù)雜度量化、區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和城市感知、個(gè)體社會經(jīng)濟(jì)地位與人口統(tǒng)計(jì)學(xué)估計(jì)等［2］。教育測量通過量化手段將教育相關(guān)事物以數(shù)的形式展現(xiàn)出來，為教育價(jià)值的判斷提供事實(shí)依據(jù)。但傳統(tǒng)的教育測量方法存在精度不高、缺乏以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)環(huán)境等問題［3］。本文基于成果導(dǎo)向，以學(xué)習(xí)者為中心，提出一種基于BP 算法的課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)方法，以訓(xùn)練數(shù)據(jù)集建立評價(jià)模型，分析了計(jì)算數(shù)據(jù)與課程目標(biāo)的相關(guān)性，并將算法應(yīng)用在課程目標(biāo)達(dá)成結(jié)果計(jì)算中。

1 教育目標(biāo)理論

19 世紀(jì)后期英國著名的教育思想家斯賓塞認(rèn)為，教育應(yīng)盡的職責(zé)是為個(gè)人準(zhǔn)備快樂、幸福和美滿的生活，為保證個(gè)人在資本主義社會未來競爭中獲勝所需要的知識、能力和體質(zhì)。他從這一觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)人類生活活動分類，提出以自然科學(xué)知識為基礎(chǔ)的門類詳盡的課程體系［4］。斯賓塞的教育目標(biāo)和課程體系體現(xiàn)了實(shí)證科學(xué)，但是他的教育目標(biāo)片面地強(qiáng)調(diào)個(gè)體本性及行為需要。1949 年，泰勒提出基于教育目標(biāo)的課程設(shè)計(jì)理論：教育目標(biāo)是什么，課程如何達(dá)到預(yù)期教育目標(biāo)，如何組織課程及如何對課程進(jìn)行有效評價(jià)，奠定了現(xiàn)代課程理論基礎(chǔ)。現(xiàn)代課程本質(zhì)上是科學(xué)主義，由概念、基本原理和基本方法構(gòu)成，崇尚理性思考。庫恩更加明確科學(xué)范式控制著社區(qū)所使用的“方法、問題和標(biāo)準(zhǔn)”及其更廣闊的“信念、價(jià)值、技巧的聚合”。20 世紀(jì)50 年代，布魯姆及其合作者提出了教育目標(biāo)發(fā)展分類理論，將教育目標(biāo)分為認(rèn)知領(lǐng)域、情感領(lǐng)域和動作技能領(lǐng)域；多爾則提出4R 標(biāo)準(zhǔn)以替代作為現(xiàn)代課程標(biāo)志的泰勒原理，即豐富性、回歸性、關(guān)聯(lián)性、嚴(yán)密性［5］。布魯姆和多爾代表的是建構(gòu)主義思想課程觀，即通過參與者行為和相互作用而形成課程，不是預(yù)先設(shè)定［6］。2018 年，習(xí)近平在全國教育大會上強(qiáng)調(diào)“要把立德樹人融入思想道德教育、文化知識教育、社會實(shí)踐教育各環(huán)節(jié)，貫穿基礎(chǔ)教育、職業(yè)教育、高等教育各領(lǐng)域，學(xué)科體系、教學(xué)體系、教材體系、管理體系要圍繞這個(gè)目標(biāo)來設(shè)計(jì)，教師要圍繞這個(gè)目標(biāo)來教，學(xué)生要圍繞這個(gè)目標(biāo)來學(xué)”，明確指出了當(dāng)下我國課程教育的目標(biāo)［7］。

2 操作系統(tǒng)原理課程目標(biāo)設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)原理課程來源于學(xué)術(shù)中心系統(tǒng)軟件的研究，課程內(nèi)容與系統(tǒng)軟件發(fā)展緊密相關(guān)。系統(tǒng)軟件發(fā)展分為3個(gè)階段，如圖1 所示。①以操作系統(tǒng)（Operating System）為標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)了TSS（Time Sharing System）分時(shí)系統(tǒng)［7-8］、頁式虛擬內(nèi)存、虛擬磁盤等技術(shù)，如IBM System 360 系統(tǒng)主要解決計(jì)算機(jī)只能單任務(wù)處理而不能多任務(wù)處理的問題，但是仍面臨著基礎(chǔ)架構(gòu)運(yùn)維困難，如故障切換和災(zāi)難恢復(fù)等問題；②以虛擬機(jī)（Virtual Machine）為標(biāo)志，文獻(xiàn)［9］提出了可虛擬第三代架構(gòu)的規(guī)范化條件，并把滿足這些條件的控制程序稱為虛擬機(jī)監(jiān)控器（Virtual Machine Monitor，VMM）。虛擬機(jī)監(jiān)控器基于等價(jià)性原理構(gòu)造硬件虛擬化，如VM?ware、Xen、Virtual PC、KVM（Kernel-based Virtual Machine）等，使得為原始硬件設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)不作任何修改就可在虛擬機(jī)中運(yùn)行，這為操作系統(tǒng)在不同硬件平臺的遷移提供了便利；③以容器（Docker）為標(biāo)志，通過創(chuàng)建多個(gè)虛擬的操作系統(tǒng)實(shí)例（內(nèi)核和庫）隔離不同的進(jìn)程，為運(yùn)維提供“可編程性”。經(jīng)典操作系統(tǒng)原理課程以講授系統(tǒng)軟件第一階段內(nèi)容為主，新興的操作系統(tǒng)原理課程圍繞虛擬化、并發(fā)和持久性3 個(gè)主題講授［10］?？傊僮飨到y(tǒng)原理課程內(nèi)涵是傳授系統(tǒng)軟件天生的基礎(chǔ)性功能，如資源管理、任務(wù)規(guī)劃、性能可靠、風(fēng)險(xiǎn)處置等。

Fig.1 Development of system software圖1 系統(tǒng)軟件發(fā)展

操作系統(tǒng)原理課程的適用環(huán)境多種多樣，有創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型等高校。對全國10 所高校（其中1 所部屬，9 所省屬）具有計(jì)算機(jī)類專業(yè)碩士以上學(xué)位授權(quán)學(xué)院的操作系統(tǒng)課程支撐畢業(yè)要求進(jìn)行調(diào)研，有8 所高校選擇支撐畢業(yè)要求1，4 所高校選擇支撐畢業(yè)要求2，5 所高校選擇支撐畢業(yè)要求3 和4，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示?？梢姡谄毡橹萎厴I(yè)要求1 的前提下，不同高校對畢業(yè)要求2、3、4 的選擇有差異，充分反應(yīng)了課程適用環(huán)境對課程目標(biāo)的影響。除此以外，文獻(xiàn)［11］提出課程目標(biāo)要與人才崗位需求保持一致，要緊盯人才崗位需求和人才培養(yǎng)目標(biāo)。

Table 1 Statistical results of graduation requirements supported by operating system courses表1 操作系統(tǒng)課程支撐畢業(yè)要求統(tǒng)計(jì)結(jié)果

結(jié)合操作系統(tǒng)原理課程內(nèi)涵和課程適用環(huán)境，設(shè)計(jì)課程目標(biāo)如表2 所示。

3 課程目標(biāo)達(dá)成評價(jià)流程

根據(jù)教育目標(biāo)分類理論，對每一個(gè)課程目標(biāo)設(shè)置多項(xiàng)測試活動，如圖2 所示，L 代表課程目標(biāo)，E 代表測試活動，測試活動結(jié)果能夠反映課程目標(biāo)達(dá)成情況。經(jīng)典的課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)采用測試活動加權(quán)平均法，但面臨一個(gè)突出問題是確定權(quán)值。而基于BP 算法的課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)無需確定權(quán)值，由模型通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)權(quán)值，具體過程描述如下：

Table 2 Corresponding relationship among curriculum objectives，training objectives and graduation requirements表2 課程目標(biāo)與培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系

Fig.2 Correspondence between test activities and curriculum objectives圖2 測試活動與課程目標(biāo)對應(yīng)關(guān)系

（1）設(shè)定課程目標(biāo)測試活動，并量化第i個(gè)學(xué)生測試活動結(jié)果。

（2）由專家對學(xué)生的課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)，并給出第i個(gè)學(xué)生量化結(jié)果。

（3）設(shè)定測試活動權(quán)重初始值，計(jì)算課程目標(biāo)達(dá)成結(jié)果。

（4）計(jì)算所有學(xué)生L0與L'的誤差。

（5）采用反向傳播算法，修正為。

其中，η為學(xué)習(xí)速率。

（6）迭代執(zhí)行步驟（3）、（4）、（5），直到誤差在控制范圍之內(nèi)。

4 操作系統(tǒng)原理課程目標(biāo)評價(jià)實(shí)踐

操作系統(tǒng)原理課程測試活動設(shè)計(jì)方案如表3 所示。θ為測試活動支撐課程目標(biāo)權(quán)重，M為測試活動總分，S為測試活動成績。

Table 3 Test activity design scheme of operating system principle course表3 操作系統(tǒng)原理課程測試活動設(shè)計(jì)方案

為降低測試活動之間的耦合性，采用測試活動標(biāo)準(zhǔn)化成績E，標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

操作系統(tǒng)原理課程目標(biāo)評價(jià)數(shù)據(jù)集有兩個(gè)：①人工合成數(shù)據(jù)集，測試活動標(biāo)準(zhǔn)化成績E服從正態(tài)分布N（72，112），疊加服從正態(tài)分布N（0，0.32）的噪聲δ；②課程真實(shí)測試活動標(biāo)準(zhǔn)化成績。兩個(gè)數(shù)據(jù)集包含60 個(gè)學(xué)生成績統(tǒng)計(jì)，每個(gè)學(xué)生均包含9項(xiàng)測試活動及3項(xiàng)課程目標(biāo)專家評價(jià)成績。

4.1 測試活動與專家評價(jià)相關(guān)性分析

測試活動是對學(xué)生學(xué)習(xí)課程后能力表現(xiàn)的量化過程，獲得的數(shù)據(jù)能夠反映學(xué)生課程目標(biāo)的達(dá)成情況。首先，從測試活動內(nèi)容與形式上考量，測試活動與課程目標(biāo)直接相關(guān)；其次，測試活動與專家課程目標(biāo)評價(jià)相互獨(dú)立，兩者對學(xué)生課程目標(biāo)達(dá)成結(jié)果一致性表現(xiàn)能夠相互引證。基于課程真實(shí)測試活動標(biāo)準(zhǔn)化成績與課程目標(biāo)專家評價(jià)如圖3所示。

Fig.3 Correlation between test activities and expert evaluation圖3 測試活動與專家評價(jià)關(guān)聯(lián)情況

4.2 評價(jià)結(jié)果

基于BP 算法的課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)采用留一法交叉驗(yàn)證有效性，每次從60 個(gè)樣本中選擇59 個(gè)樣本迭代訓(xùn)練10 000 次，留取1 個(gè)樣本進(jìn)行檢驗(yàn)。重復(fù)進(jìn)行60 次檢驗(yàn)后，樣本的專家評價(jià)與課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)預(yù)測值偏差絕對值均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4 所示，預(yù)測值相對于專家評價(jià)成績最大偏差均值為7.11 分。

Table 4 Mean value of absolute deviation表4 偏差絕對值均值

基于真實(shí)數(shù)據(jù)集的專家評價(jià)與算法預(yù)測值折線如圖4所示，課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)預(yù)測值能較好地與專家評價(jià)吻合。

Fig.4 Line chart of expert evaluation and algorithm prediction value of real data set圖4 真實(shí)數(shù)據(jù)集專家評價(jià)與算法預(yù)測值折線

5 結(jié)語

課程質(zhì)量提升是我國高等教育振興階段性任務(wù)的核心，課程質(zhì)量評價(jià)是課程質(zhì)量建設(shè)的重要一環(huán)。以操作系統(tǒng)原理課程為例，建立了融合課程目標(biāo)、考核方式、考核內(nèi)容、評價(jià)方法四要素為一體的課程質(zhì)量評價(jià)閉環(huán)。基于人工合成數(shù)據(jù)集和真實(shí)課程目標(biāo)評價(jià)數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用BP算法建立的課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)模型，適用于課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)及課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)異常檢測，是大數(shù)據(jù)計(jì)算在教育管理中的應(yīng)用創(chuàng)新。