（教育技术学专业论文）中小学教育信息处理系统的研究与软件开发.pdf

硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 第一章课题研究的意义 1 1 问卷调查及走访结果分析 在开始中小学教育信息处理系统的研究和软件的设计开发之前，我t f 针对中小学教师运用教育信息处理的方法。指导教学工作的基本状况，对 武汉三中和河南油田一中的中学教师进行了抽样问卷调查和走访调研。涉 及初中和高中共4 个年级，学科分布为语文、数学、英语、信息技术等6 个学科共发出问卷5 0 份，回收了3 8 份。 通过对回收的问卷进行分析，目前教育信息处理在中小学教师中的运 用情况不是很好：有九成以上的教师根本没听说过诸如回归分析、聚类分 析和s p 表等较复杂的教育信息处理方法；有半数以上的教师没听说过诸如 等价选项个数、信度分析、和区分度分析等般教育信息处理方法：绝大 多数的教师只是在每次考试后进行简单的名次排序和求出平均分，并且这 项工作还多是请班上的课代表手工完成，费时费力。 另外，我们在开发本系统之前，将预开发的处理功能蓝图展示给访谈 的教师，了解到他们对教育信息处理方法是持积极态度的：大多数的访谈 教师表示以前不太了解教育信息处理的知识，现在知道了它的强大功能， 感到有许多很契合自己从事的教学工作，非常愿意花时闯学习这方面的内 容，特别是利用计算机彻底改变以前笔头加计算器的劳累工作，更精细的 掌握学生的学习状况。并且他们非常希望多一些这样的“傻瓜型”应用系 统，供自己评价目常的教学。 其三，尽管市场已有试卷分析等专用设备或软件供应。但因其教学信 息处理方法不多，对教学工作指导意义不大和费用的限制，难以普及。目 前多数学校该项工作仍以手工方式进行，当考生数量较大时，试卷数据处 理工作量极大，教师往往只能简单地提供考生成绩，许多考试信息白白浪 费。 1 2 教育信息化的耘要求 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 信息社会是以知识和信息为战略资源的社会。在信息社会里，一个国 家的经济水平和综合国力将更多地体现在创造、加工、处理和应用知识信 息的效率和质量上。而对知识信息的掌握、创造和使用，关键在人才。信 息社会所要求的是用知识信息和信息技术武装的信息化人才。新型教师必 须具备良好的信息能力，其中收集、分析、组织信息的能力尤为重要。 计算机作为通用办公设备，已经或正在许多中小学教研室普及。利用 计算机辅助教育处理数据，可以大大提高处理工作效率、规范处理过程， 对开展教育信息的科学评估和教学研究，具有很强的实用价值。 因此，根据对教学实践的亲身体验和对教育信息科学理论的研究，我 们设计开发了中小学教育信息处理系统，该软件的开发以成熟的教育信息 处理理论为依据，其操作界面极其简便，数据呈现直观清楚，可作为教师 信息处理，尤其是测试信息处理和分析的辅助工具。 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 第二章课题研究的理论基础 2 1 复杂科学原理 21 1 引入复杂科学的意义 复杂科学是2 0 世纪才出现的综合性科学，它主要包括了2 0 世纪4 0 年代 以来形成的控制论、信息论、系统论即所谓的“老三论”和耗散结构论、协同 学、突变论即所谓的“新三论”等白组织理论。虽然至今还没有对复杂科学的 个明确界定，其整个体系也尚未建构完成，但是复杂科学的局部原理已经得 到了广泛的社会认同，因此我们可以用它的相关局部原理来探讨些具体的现 象，解决一些具体的问题。 教育现象是极其复杂的，它带有很大的不确定性。为了得到更为简明可操 作性的，而且充分符合教育实际的方法去解决教育中的复杂问题，我们也需要 用复杂的眼光来考察教育。所以，把复杂科学的理论引入到教育中来是十分有 意义的。运用复杂科学原理，就可以更精细的考查教育系统如何在外界条件的 影响下，在内部子系统间发生作用，从而适时且有效地介入教育者的控制。 2 1 2 复杂科学的特点 1 不确定性。复杂科学的最大特征是认为“事物的性态具有不确定性”， 即强调“科学认识的不确定性”。因此，世界上的许多事物并不是必然地、确 定性地朝着它既成的样子发展。在发展初期，它具有某种不确定性和多种发展 的可能性，由于条件或者纯粹机遇的缘由才最终发展成现在这个样子。同样， 教育的对象是人，其过程具有更大的不确定性。 2 模糊因果。复杂科学强调要注重以整体的眼光看问题，考察一个事物 的发展不仅要考察各个组成部分，更要分析它们之间的因果关系。并且在复杂 科学看来，原因和结果的区分常常不能做到准确界定，某一原因可能导致某一 结果，而这一结果又会是另一现象的原因，最终诸多原因和结果可能就构成一 个复杂的模糊因果网络。例如，在我们的教育领域中，一位同学的学习成绩下 降了可能是自身对所学内容缺乏兴趣，可能是教师讲课枯燥乏味，或者课程内 容过难等。而教师水平不够，讲课不生动，又可能使学生学习兴趣下降，从丽 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 第二章课题研究的理论基础 2 1 复杂科学原理 21 1 引入复杂科学的意义 复杂科学是2 0 世纪才出现的综合性科学，它主要包括了2 0 世纪4 0 年代 以来形成的控制论、信息论、系统论即所谓的“老三论”和耗散结构论、协同 学、突变论即所谓的“新三论”等白组织理论。虽然至今还没有对复杂科学的 个明确界定，其整个体系也尚未建构完成，但是复杂科学的局部原理已经得 到了广泛的社会认同，因此我们可以用它的相关局部原理来探讨些具体的现 象，解决一些具体的问题。 教育现象是极其复杂的，它带有很大的不确定性。为了得到更为简明可操 作性的，而且充分符合教育实际的方法去解决教育中的复杂问题，我们也需要 用复杂的眼光来考察教育。所以，把复杂科学的理论引入到教育中来是十分有 意义的。运用复杂科学原理，就可以更精细的考查教育系统如何在外界条件的 影响下，在内部子系统间发生作用，从而适时且有效地介入教育者的控制。 2 1 2 复杂科学的特点 1 不确定性。复杂科学的最大特征是认为“事物的性态具有不确定性”， 即强调“科学认识的不确定性”。因此，世界上的许多事物并不是必然地、确 定性地朝着它既成的样子发展。在发展初期，它具有某种不确定性和多种发展 的可能性，由于条件或者纯粹机遇的缘由才最终发展成现在这个样子。同样， 教育的对象是人，其过程具有更大的不确定性。 2 模糊因果。复杂科学强调要注重以整体的眼光看问题，考察一个事物 的发展不仅要考察各个组成部分，更要分析它们之间的因果关系。并且在复杂 科学看来，原因和结果的区分常常不能做到准确界定，某一原因可能导致某一 结果，而这一结果又会是另一现象的原因，最终诸多原因和结果可能就构成一 个复杂的模糊因果网络。例如，在我们的教育领域中，一位同学的学习成绩下 降了可能是自身对所学内容缺乏兴趣，可能是教师讲课枯燥乏味，或者课程内 容过难等。而教师水平不够，讲课不生动，又可能使学生学习兴趣下降，从丽 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 学习松懈，导致学习成绩欠佳。同时，课程内容过难也会使学生学习兴趣丧失， 学习成绩落后等等。 3 非线性作用。复杂系统由多组织、多层次构成，且各组织、各层次之 间有着复杂的非线性相互作用，教育者也必须以整体的观念和系统的思维，看 待和思考各种复杂的教育现象并指导自己的教学行动。 2 13 利用复杂科学的原理指导教育研究 1 用系统论的观点研究教育。教育这个复杂的大系统包括教育主体、教 育客体、教育环境、教育媒介四要素，各要素又按不同的划分标准分解为更多 小系统，我们应该主要从两个方面去全面认识教育系统：一方面了解教育系统 各部分的属性和情况，另一方面了解其各部分之间的关系或联系及其如何构成 系统，两者缺一不可。 2 用控制论的观点看待教育。控制论研究的是动态系统控制和调节的问 题，并以一种整体概念强调它们运动与演变的一般规律。教育是一个复杂的大 系统，也是一个不断运动变化的动态系统，因此，我们完全可以运用控制论的 一般规律来研究教育系统。教育具有自身的特点，即它是错综复杂和动态变化 的，并与人的主观能动作用有着密切的联系，我们应该控制那些影响教育决策、 作用不显著的因素( 即采取“理想化”) 做出决策并选择最优决策。 3 用信息论的观点研究教育。决策需要信息，信息条件直接影响决策效 果，从而影响到系统运转的方向和效率。要保证教育系统的正常运转，保证教 育目标的达到和资源的有效合理配置，必须具备相应的信息环境。要改善一个 教育系统，要处理好一个复杂的教育问题，必须改造其信息环境。 2 2 教育信息科学 教育信息化的广泛开展，教育技术研究的不断深人，逐渐形成了- - f 7 新兴的学科教育信息科学。对它的理解不能简单地认为是信息科学在 教育中的平行应用，或者就是教育对先进信息机器的使用。教育信息科学 应是指导教育信息化的理论和方法。其研究对象是人，是教育，是教育系 统。教育信息科学重视一般性的方法论研究，更重视这些方法在具体教育 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 学习松懈，导致学习成绩欠佳。同时，课程内容过难也会使学生学习兴趣丧失， 学习成绩落后等等。 3 非线性作用。复杂系统由多组织、多层次构成，且各组织、各层次之 间有着复杂的非线性相互作用，教育者也必须以整体的观念和系统的思维，看 待和思考各种复杂的教育现象并指导自己的教学行动。 2 13 利用复杂科学的原理指导教育研究 1 用系统论的观点研究教育。教育这个复杂的大系统包括教育主体、教 育客体、教育环境、教育媒介四要素，各要素又按不同的划分标准分解为更多 小系统，我们应该主要从两个方面去全面认识教育系统：一方面了解教育系统 各部分的属性和情况，另一方面了解其各部分之间的关系或联系及其如何构成 系统，两者缺一不可。 2 用控制论的观点看待教育。控制论研究的是动态系统控制和调节的问 题，并以一种整体概念强调它们运动与演变的一般规律。教育是一个复杂的大 系统，也是一个不断运动变化的动态系统，因此，我们完全可以运用控制论的 一般规律来研究教育系统。教育具有自身的特点，即它是错综复杂和动态变化 的，并与人的主观能动作用有着密切的联系，我们应该控制那些影响教育决策、 作用不显著的因素( 即采取“理想化”) 做出决策并选择最优决策。 3 用信息论的观点研究教育。决策需要信息，信息条件直接影响决策效 果，从而影响到系统运转的方向和效率。要保证教育系统的正常运转，保证教 育目标的达到和资源的有效合理配置，必须具备相应的信息环境。要改善一个 教育系统，要处理好一个复杂的教育问题，必须改造其信息环境。 2 2 教育信息科学 教育信息化的广泛开展，教育技术研究的不断深人，逐渐形成了- - f 7 新兴的学科教育信息科学。对它的理解不能简单地认为是信息科学在 教育中的平行应用，或者就是教育对先进信息机器的使用。教育信息科学 应是指导教育信息化的理论和方法。其研究对象是人，是教育，是教育系 统。教育信息科学重视一般性的方法论研究，更重视这些方法在具体教育 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 实践中的应用。即利用先进的计算机技术、通信技术、和数据库技术等实 现各种教育信息的生成、存贮、分析、处理、传递和利用。 2 3 教育信息处理 教育过程是一种信息过程，对它的分析便是要针对其过程中产生的各 种数据进行处理后，得到有价值的信息反过来评价和指导以后的教育过程。 所以，教育信息处理是教育的重要环节，它对指导教学、准确评估学生学 习能力进而提高教学质量具有重要的意义。 教育信息处理强调定量分析教育问题，使用了许多高等数学和概率统 计知识等各种数理方法。对它们的结果分析可以规划、设计和评价各类教 育信息系统。 教育信息处理系统是教育者和受教育者，用于处理各类教育信息的方 法体系与工具系统。比如，教材设计技术、测验分数分析方法、系统评价 方法、教育软件写作系统、题库建设工具系统、题库生成系统和课程开发 工具系统等。其中各类教育信息处理的技术与方法是处理工具子系统的重 要组成部分。这些方法与工具系统不仅可以用于规划和设计实态教育信息 源和教育信息传输子系统，而且还可以用于扩展教育者与受教育的教育信 息处理能力。因此，教育信息处理能力应该成为现代教师的信息素养培养 的重点内容，教师需要更多的采用现代教育信息处理的理念和技术手段， 促使教育教学效率和效果的提高。本软件即是这样一款适合中小学教师使 用的教育信息处理系统。 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 实践中的应用。即利用先进的计算机技术、通信技术、和数据库技术等实 现各种教育信息的生成、存贮、分析、处理、传递和利用。 2 3 教育信息处理 教育过程是一种信息过程，对它的分析便是要针对其过程中产生的各 种数据进行处理后，得到有价值的信息反过来评价和指导以后的教育过程。 所以，教育信息处理是教育的重要环节，它对指导教学、准确评估学生学 习能力进而提高教学质量具有重要的意义。 教育信息处理强调定量分析教育问题，使用了许多高等数学和概率统 计知识等各种数理方法。对它们的结果分析可以规划、设计和评价各类教 育信息系统。 教育信息处理系统是教育者和受教育者，用于处理各类教育信息的方 法体系与工具系统。比如，教材设计技术、测验分数分析方法、系统评价 方法、教育软件写作系统、题库建设工具系统、题库生成系统和课程开发 工具系统等。其中各类教育信息处理的技术与方法是处理工具子系统的重 要组成部分。这些方法与工具系统不仅可以用于规划和设计实态教育信息 源和教育信息传输子系统，而且还可以用于扩展教育者与受教育的教育信 息处理能力。因此，教育信息处理能力应该成为现代教师的信息素养培养 的重点内容，教师需要更多的采用现代教育信息处理的理念和技术手段， 促使教育教学效率和效果的提高。本软件即是这样一款适合中小学教师使 用的教育信息处理系统。 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 第三章系统的总体规划 3 1 开发软件的选用和设计思想 v b 是目前使用极为广泛的，基于w i n d o w s 平台的可视化编程环境。由于 其出色的数据库管理和强有力的i n t e r n e t 支持，因而成为了开发本系统的首 选工具。本软件使用a c t i v e x 组件a d o ( a c t i v ed a t ao b j e c t ) 与关系数据库 s q l2 0 0 0 对话，a d o 是建立在微软新的数据库a p i 即0 l ed b 之上的，o l ed b 再通过o d b c 引擎与数据库( 要求与0 d b c 和 o l ed b 兼容，如s o ls e r v e r ，f o x p r o 等) 交互。我们可以通过图3 一l 理解，从而将关 系数据库与面向对象的编程方法有机地结 合起来，使得数据库在处理信息和课题开发 都能很好地发挥其作用。 图3 一l 此外，为了丰富系统的实用功能和开发友好活泼的图形界面，本软件在开 发过程中还大量使用了第三方a c t i v e x 控件，这样全方位的拓展了标准控件的 局限性。例如，加入m o v i n g t e x t 控件瀑，实现在主窗体的上方显示动态滚动 文字，如图3 - 2 所示： 图3 - 2 另外在程序的编写中，运用了许多a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) ，即应用程序接t ：1 ，它是w i n d o w s 的重要功能之一。a p i 拥有6 0 0 多 个预先编写的函数和过程，放在动态链接库( d y n a m i cl i n kl i b r a r y , b pd l l ) 中。d l l 是种过程库，应用程序可以在运行时链接并使用它，从而充分提高 6 器萎罱善 j 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 第三章系统的总体规划 3 1 开发软件的选用和设计思想 v b 是目前使用极为广泛的，基于w i n d o w s 平台的可视化编程环境。由于 其出色的数据库管理和强有力的i n t e r n e t 支持，因而成为了开发本系统的首 选工具。本软件使用a c t i v e x 组件a d o ( a c t i v ed a t ao b j e c t ) 与关系数据库 s q l2 0 0 0 对话，a d o 是建立在微软新的数据库a p i 即0 l ed b 之上的，o l ed b 再通过o d b c 引擎与数据库( 要求与0 d b c 和 o l ed b 兼容，如s o ls e r v e r ，f o x p r o 等) 交互。我们可以通过图3 一l 理解，从而将关 系数据库与面向对象的编程方法有机地结 合起来，使得数据库在处理信息和课题开发 都能很好地发挥其作用。 图3 一l 此外，为了丰富系统的实用功能和开发友好活泼的图形界面，本软件在开 发过程中还大量使用了第三方a c t i v e x 控件，这样全方位的拓展了标准控件的 局限性。例如，加入m o v i n g t e x t 控件瀑，实现在主窗体的上方显示动态滚动 文字，如图3 - 2 所示： 图3 - 2 另外在程序的编写中，运用了许多a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) ，即应用程序接t ：1 ，它是w i n d o w s 的重要功能之一。a p i 拥有6 0 0 多 个预先编写的函数和过程，放在动态链接库( d y n a m i cl i n kl i b r a r y , b pd l l ) 中。d l l 是种过程库，应用程序可以在运行时链接并使用它，从而充分提高 6 器萎罱善 j 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 程序的执行速度和实现众多强大功能。 3 2 本系统的特点 1 实用性和高效性。切合中小学教育的实际教学尤其是测试项目处理所 需，方便教师轻松管理大量复杂而烦琐的学生信息，进行更复杂的数据加工， 提取更有效的教育信息。软件操作界面设计坚持简单、方便、高效、美观的原 则。大量使用用户熟悉的w i n d o w s 控件，简化操作。另外，为方便用户使用， 系统设有完整的帮助信息。 2 傻瓜型和易用性。本软件非常注重系统的人性化设计，因为中小学教 师接触计算机的机会并不多，另外他们的教学任务也很繁重，所以他们大多数 对计算机的操作并不太熟悉。而我们设计开发的系统，只需要他们把学生的考 试成绩或其他相关数据录入到数据库中，系统就会把所有处理工作留在后台进 行，并在第一时间把处理结果以各种报表的形式让用户过目，直观清楚，用户 极易上手。 3 前瞻性。我们对数据输出方式的设计做了一些前瞻性考虑，除屏幕显 示外，可以打印输出、生成数据文件，为数据的再利用、实现无纸化办公、校 园网络数据传递提供方便。 3 3 本系统的功能模块综述 系统开发的总体任务是实现各种信息的系统化、规范化和自动化。系统功 能分析是在系统开发的总体任务的基础上完成。本系统需要实现的功能主要 有： 各种教育信息的输入 信息的查询 测验项目分析如信息熵、信度和区分度的求解 教育信息处理如回归分析，聚类分析，s p 表分析等 报表显示 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 程序的执行速度和实现众多强大功能。 3 2 本系统的特点 1 实用性和高效性。切合中小学教育的实际教学尤其是测试项目处理所 需，方便教师轻松管理大量复杂而烦琐的学生信息，进行更复杂的数据加工， 提取更有效的教育信息。软件操作界面设计坚持简单、方便、高效、美观的原 则。大量使用用户熟悉的w i n d o w s 控件，简化操作。另外，为方便用户使用， 系统设有完整的帮助信息。 2 傻瓜型和易用性。本软件非常注重系统的人性化设计，因为中小学教 师接触计算机的机会并不多，另外他们的教学任务也很繁重，所以他们大多数 对计算机的操作并不太熟悉。而我们设计开发的系统，只需要他们把学生的考 试成绩或其他相关数据录入到数据库中，系统就会把所有处理工作留在后台进 行，并在第一时间把处理结果以各种报表的形式让用户过目，直观清楚，用户 极易上手。 3 前瞻性。我们对数据输出方式的设计做了一些前瞻性考虑，除屏幕显 示外，可以打印输出、生成数据文件，为数据的再利用、实现无纸化办公、校 园网络数据传递提供方便。 3 3 本系统的功能模块综述 系统开发的总体任务是实现各种信息的系统化、规范化和自动化。系统功 能分析是在系统开发的总体任务的基础上完成。本系统需要实现的功能主要 有： 各种教育信息的输入 信息的查询 测验项目分析如信息熵、信度和区分度的求解 教育信息处理如回归分析，聚类分析，s p 表分析等 报表显示 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 程序的执行速度和实现众多强大功能。 3 2 本系统的特点 1 实用性和高效性。切合中小学教育的实际教学尤其是测试项目处理所 需，方便教师轻松管理大量复杂而烦琐的学生信息，进行更复杂的数据加工， 提取更有效的教育信息。软件操作界面设计坚持简单、方便、高效、美观的原 则。大量使用用户熟悉的w i n d o w s 控件，简化操作。另外，为方便用户使用， 系统设有完整的帮助信息。 2 傻瓜型和易用性。本软件非常注重系统的人性化设计，因为中小学教 师接触计算机的机会并不多，另外他们的教学任务也很繁重，所以他们大多数 对计算机的操作并不太熟悉。而我们设计开发的系统，只需要他们把学生的考 试成绩或其他相关数据录入到数据库中，系统就会把所有处理工作留在后台进 行，并在第一时间把处理结果以各种报表的形式让用户过目，直观清楚，用户 极易上手。 3 前瞻性。我们对数据输出方式的设计做了一些前瞻性考虑，除屏幕显 示外，可以打印输出、生成数据文件，为数据的再利用、实现无纸化办公、校 园网络数据传递提供方便。 3 3 本系统的功能模块综述 系统开发的总体任务是实现各种信息的系统化、规范化和自动化。系统功 能分析是在系统开发的总体任务的基础上完成。本系统需要实现的功能主要 有： 各种教育信息的输入 信息的查询 测验项目分析如信息熵、信度和区分度的求解 教育信息处理如回归分析，聚类分析，s p 表分析等 报表显示 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 便捷办公用具如计算器，记事本和日历等 每一项处理分析都包括对数据进行采集、加工和输出三个过程，在软件开 发中大量引入教育信息处理、教育测量学和统计学理论及成果，并且充分发挥 计算机的数学计算的强大优势，对许多重要的教育质量评估参数进行计算或优 化处理。 3 4 本系统相关数学模型 由于教育信息处理主要以定量的方法分析教育问题，因此我们在本节列出 软件系统中几个重要的信息处理的数学模型，方便用户理解。 3 4 1 信息熵和等价选项个数 信息理论中，信息熵是个十分重要的核心概念。它对教育系统的分析、 评价具有重要意义，其计算公式为： 卜e f l o g 高i 喜脚f ) 1 0 9 p ( a f ) 它是从平均意义上表征信源的总体信息测度的。 对于多项选择题来说，除了难度、区分度这类综合评价指标之外，还有一 类对题目各选项的有效性做出评价的方法：等价选项个数。即通过分析选择各 个选项的人数及比例，揭示题目选项的编制信息。其数学模型为令jf 1 ，2 ， m ) 为某多项选择题的各个选项，p i 为考生选择选项i 的概率，则该多项选择题 的等价选项个数k 为2 h ，其中h 为信息熵值。这样，如果从五项选择题的回 答分布得到k = 2 8 9 ，那么这意味着虽然设计了五个选项，但回答结果等价于分 布在大约三个选项上。 3 4 2 信度分析 所谓测验的信度是指同一个测验( 或相等的两个、多个测验) 对同一组被 试施测两次或多次，所得结果的一致性程度。估计信度的方法很多，本系统采 用的是再测信度，即用同一个测验，对同一组被试前后两次施测，两次测验分 数之间的相关程度就是再测信度。其计算公式为： 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 便捷办公用具如计算器，记事本和日历等 每一项处理分析都包括对数据进行采集、加工和输出三个过程，在软件开 发中大量引入教育信息处理、教育测量学和统计学理论及成果，并且充分发挥 计算机的数学计算的强大优势，对许多重要的教育质量评估参数进行计算或优 化处理。 3 4 本系统相关数学模型 由于教育信息处理主要以定量的方法分析教育问题，因此我们在本节列出 软件系统中几个重要的信息处理的数学模型，方便用户理解。 3 4 1 信息熵和等价选项个数 信息理论中，信息熵是个十分重要的核心概念。它对教育系统的分析、 评价具有重要意义，其计算公式为： 卜e f l o g 高i 喜脚f ) 1 0 9 p ( a f ) 它是从平均意义上表征信源的总体信息测度的。 对于多项选择题来说，除了难度、区分度这类综合评价指标之外，还有一 类对题目各选项的有效性做出评价的方法：等价选项个数。即通过分析选择各 个选项的人数及比例，揭示题目选项的编制信息。其数学模型为令jf 1 ，2 ， m ) 为某多项选择题的各个选项，p i 为考生选择选项i 的概率，则该多项选择题 的等价选项个数k 为2 h ，其中h 为信息熵值。这样，如果从五项选择题的回 答分布得到k = 2 8 9 ，那么这意味着虽然设计了五个选项，但回答结果等价于分 布在大约三个选项上。 3 4 2 信度分析 所谓测验的信度是指同一个测验( 或相等的两个、多个测验) 对同一组被 试施测两次或多次，所得结果的一致性程度。估计信度的方法很多，本系统采 用的是再测信度，即用同一个测验，对同一组被试前后两次施测，两次测验分 数之间的相关程度就是再测信度。其计算公式为： 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s ，：墨! 墨z ! 竺二丝，篓! s ，s ： 式中的x l 和x 2 为同一被试组的两次测验分数，x - 和x ：为两次测验的 平均分数，s l 和s 2 为两次测验的标准差，n 为被试人数。 3 ，43 回归分析 在数据处理时，往往要分析多个变量间的相互关系。回归分析的任务就 是用数学表达式来描述相关变量之间的关系。本系统只实现多元线性回归。设 x ，x 2 ，。，是p 个可以精确测量或可控制的变量。如果变量y 与x l ，x 2 ， 。，之间的内在联系是线性的，那么进行n 次试验，则可得n 组数据：( y f ，x 1 1 ， x i 2 ，x r ) ，i = l ，2 ，n ，它们之间的关系可表示为： y l = b o + b 1j 1 l + b 2 石1 2 + + 扫px l p + l _ y 2 = b o + b 1 工2 l + b 2 2 2 2 + + 6 p 工2 9 + 2 y = b o + b lz 1 + b 2 x n 2 + + 6 p 上印+ 。 其中虮，b - ，b z ，6 ，是p + 1 个待估参数，6 ；表示第i 次试验中的随机因素对 ) ，；的影响。为简便起见，将此n 个方程表示成矩阵形式y = x b + ，这便是p 元线性回归的数学模型。 为了求出多元线性回归模型中的参数b o ，b 1 ，b 2 ，b p ，可采用最 小二乘法，即在其数学模型所属的函数类中找一个近似的函数，使得这个近似 函数在已知的对应数据上尽可能和真实函数接近。具体方法请参看参考文献【2 】 或其它相关书籍，我们只列出最后的回归系数矩阵计算式：c = ( x 文) 。1 x y 3 44 聚类分析 分类学是人们认识世界的一门基础科学。近2 0 多年，多元分析引入到分 9 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 类学后，就从数值分类学发展成聚类分析。由于聚类分析将繁杂的数据按某种 水平整理成有序的若干类，运用在教育中无疑有助于教师，科学、准确地把握 学生的特点做到因材旌教。本系统主要介绍凝聚型聚类分析方法，它是将相似 的样品逐次地聚集在一起，最终聚集为若干个不同的类别。其数学模型是：假 定每一个样品有m 个指标或变量，那么就可以把它看成是m 维空间中的一个 点。m 维空间中点与点之间的某种距离就可用来描述样品之间的亲疏程度。距 离的种类很多，其中欧氏距离使用较广，它的表达式为： 其中x i k 表示第i 个样品的第k 个指标的观测值，x j k 表示第j 个样品的第k 个指标的观测值，d “为第i 个样品与第j 个样品之间的欧氏距离。若d “越小， 那么第i 与 两个样品之间的性质就越接近。性质接近的样品就可以划为一 类。然后每次将具有最小距离的两类合并成一类，合并后重新计算类与类之 间的距离，这个过程一直持续到所有样品归为一类为止。 3 4 5s p 表分析 s p 表是一种将测试、练习的得分数据排成一览表，并对学生和问题的 特性以视觉化的图表进行结构分析的方法。s p 表可为学习的诊断、教学的 评价提供许多十分重要的信息，其制作过程大致有四步： 1 统计个数。统计每个学生答对的问题数和各个问题的答对学生数，并 分别记录在问题得分表每行的最右侧和每列的最下端。 2 行列重排。学生按累计分数的高低从上到下排列，问题按答对人数( 答 对率) 的多少从左到右排列。对于累计分数相同的学生，再计算他们所答对的 全部问题的答对人数总和，答对人数总和大的排在上面；对答对人数相同的问 题，再计算答对这些问题的全部学生的累计分数的总和，累计分数总和大的排 在左边。 3 绘制s 曲线与p 曲线。对每一个学生，从得分表的左边开始数“0 ”和 “1 ”元素的总个数，在总个数与该学生的分数相等的地方画上分区线。连接 全部学生的分区线，就得到分数分布曲线即s 曲线。然后，对每一个问题，从 万 犍 妒 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 得分表的上方开始数“o ”和1 元素的总个数，在总个数与该问题的答对人 数相等的地方画上分区线。连接所有问题的分区线答对人数分布曲线即p 曲 线。 4 差异系数和注意系数的计算模型。差异系数是用于表示s 曲线与p 曲 线不一致程度的重要参数。它可以用s 曲线和p 曲线间所包围的面积与s p 表 的总面积之比来表示，其值为差异量d 。显然，差异量与学生数、问题数和学 生的正答率密切相关。为了使衡量差异程度的量度标准化，我们对d 进行变换， 引人差异系数d + ，它可以通过查表的方式，也可以按下面的公式进行计算： d + = 旦：! 兰里 。 正答率( 1 一正答率) 为了对学生得分模式、问题得分模式的情况作出定量的测度，又引人注意 系数。在s p 表中，某个变量模式的注意系数由该变量模式与完全变量模式的 差异程度所表示。所谓学生得分的完全反应模式是指位于s 曲线左测的全部为 1 ，位于s 曲线右侧的全部为0 这样一种特殊的学生得分模式。( 同样可以定义 问题得分完全模式) ，我们利用以下的公式求解注意系数，其中c s i 表示第i 个学生的注意系数、c p i 表示第j 个问题的注意系数。 ，学生f 的得分模式中位于s 曲线左侧、，学生f 的得分模式中r 位于s 曲线右侧、 i 应答结果为啪诸问题正答人数之和ji 应答结果知岫诸问舡簦人数之和j c s i 。1 霹酾鬲覆丽爵岛厚百r 阿码面百一 【线左侧每一问题正答人数之和j 【的总分j 。【平均正答数 f 靳个问题得分模式中，位于p 曲线上1 一f 箭个问题得分模式中，位于_ p 曲线下1 i 侧应答结果为q 各个学生总成绩之和ji 侧应答结果为1 的各个学生总成绩之和 。1 ，。 ? 第个问题得分模式中，位于1 闸骶，的f 每个学生的 i p 曲线j 二侧各个学生总分之和j 【答者人数j 。i 平均分数j 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 第四章系统功能模块的技术实现 41 主窗体设计 主窗体是系统的“脸面”，一个好的软件首先要有一个美观的主程序窗体 它可以给使用者一个良好的印象和 轻松的工作环境。如图4 1 是本应 用软件的主程序窗体。其最大特色 有两点：一是在工具栏右边设计了 一行移动文字，二是当使用者正确 登录到主窗体后，屏幕中央会出现 一个小小的欢迎窗口，且片刻后自 动缩小从右上角消失，非常新颖有 趣。 图4 - 1 4 2 系统管理模块的设计与开发 4 ，2 ，1 登录系统 当系统启动后，将首先出现如图4 2 所示的用户登录窗口， 入用户名和密码，如果用户三次 输入的密码均不正确，则系统自 动退出，以防止非法用户进入。 当用户输入用户名和密码 后，单击确定按钮将对数据库中 的用户信息表进行扫描以判断输 入的用户信息正确与否。如果用 户没有输入用户名或密码，将出 现消息框提示。如果输入的用户 名在数据库中的用户表格中没 要求使用者输 图4 - 2 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 第四章系统功能模块的技术实现 41 主窗体设计 主窗体是系统的“脸面”，一个好的软件首先要有一个美观的主程序窗体 它可以给使用者一个良好的印象和 轻松的工作环境。如图4 1 是本应 用软件的主程序窗体。其最大特色 有两点：一是在工具栏右边设计了 一行移动文字，二是当使用者正确 登录到主窗体后，屏幕中央会出现 一个小小的欢迎窗口，且片刻后自 动缩小从右上角消失，非常新颖有 趣。 图4 - 1 4 2 系统管理模块的设计与开发 4 ，2 ，1 登录系统 当系统启动后，将首先出现如图4 2 所示的用户登录窗口， 入用户名和密码，如果用户三次 输入的密码均不正确，则系统自 动退出，以防止非法用户进入。 当用户输入用户名和密码 后，单击确定按钮将对数据库中 的用户信息表进行扫描以判断输 入的用户信息正确与否。如果用 户没有输入用户名或密码，将出 现消息框提示。如果输入的用户 名在数据库中的用户表格中没 要求使用者输 图4 - 2 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 有找到，将提示重新输入用户名，文本框t x t u s e r n a m e 也将重新获得输入焦点。 当用户登录成功，全局变量o k 将被赋值为t r u e 。一旦三次输入的密码均不正 确，全局变量o k 将被赋值为f a l s e 。公用模块中的m a i n 过程将根据o k 的值 决定是退出，或者进入系统，部分代码如下： o p t i o ne x p l i c i t p u b l i co ka sb o o l e a n 记录确定次数 d i mm i c o u n ta si n t e g e r p r i v a t es u bf o r m _ l o a d q o k = f a l s e m i c o u n t = 0 e n ds u b m i c o u n t = m i c o u n t + 1 i f m i c o u n t = 3 t h e n m e h i d e e n d i f 4 2 2 数据输入 数据输入是数据管理系统最基本的工作，对数据输入程序的设计要求为： 一方面要求数据输入方便快捷，另一方面要求数据输入过程具有一定的纠错能 力。本系统有多个窗体实现数据的输入，但其界面风格和技术实现差别不大， 现在就以学生信息的数据输入程序为例。 1 数据输入的功能要求 输入方便、直观。为保证各数据项依次输入且不会漏掉数据项，我们 设计在输入前一项时，后继的数据项不可用，并且背景色皆为蓝色，避免 了手工输入容易出错的问题；光标( 输入焦点) 也会根据学号和姓名是否 有值而自动定位。 有一定的纠错能力。系统对学号为空、学号不是数字、学号的取值范 围、姓名为空等错误都会进行检测，并用对话框的形式给出相应提示，避 免了提交数据后再报错的弊端。 13 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 2 界露设计如图4 - 3 3 其工作流程如图4 4 4 2 3 数据查询 数据库应用程序执行的过 程，实际上可以看成系列s q l 查询语句执行的过程：应用程序 用来指定查询的方式和查询的内 容，a d o 实现应用程序与数据库 的连接，a d 0 的命令行对象 ( c o m m a n d ) 传递并执行查询语 句，用数据集对象( r e c o r d s e t ) 返 回查询结果。虽然查询与用户之 间有多种交互方式，但是它们完 成的任务都是相同的，即用 s e l e c t 语句从s q ls e r v e r2 0 0 0 中检索出数据，然后以一个或多 图4 3 图4 - 4 工作流程图 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 个数据集的形式将其返回给用户。 本系统的学生信息查询部分 提供了多种查询组合，用户在查 询时可以随意组合查询，也可只 输入其中的一项进行专项查询。 点击查询按钮，开始查询。如果 没点选任何查询方式，则弹出对 话框提示给出查询方式。如果没 找到符合条件的内容，则给出提 示。如果找到了符合条件的学生，则列表显示，如图4 。5 。 4 3 系统分析模块的设计与开发 4 3 1 信息熵与等价选顷个数 1 主要界面布局设计 原始数据的输入 如图4 - 6 所示，我们使用s s t a b 控件提供一组选项卡，每个选项卡都 可作为其它控件的容器。在控件中，同一时刻只有一个选项卡是活动的， 这个选项卡向用户显示它本身所包含的控件而隐藏其它选项卡中的控件。 如果工具箱中没有这个控件，可以在v b 主菜单里选择“工程”| “部件”，然 后添加“m i c r o s o f tt a b b e d d i a l o gc o n t r o l ”。 教师首先在试题输入 选项卡的输入区键入试 卷号题号，和该题的多 项选择项数。然后在选项 概率值区输入各个选项 的被选中的概率数，点击 输入按钮即可淀e 意此处 图46 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 个数据集的形式将其返回给用户。 本系统的学生信息查询部分 提供了多种查询组合，用户在查 询时可以随意组合查询，也可只 输入其中的一项进行专项查询。 点击查询按钮，开始查询。如果 没点选任何查询方式，则弹出对 话框提示给出查询方式。如果没 找到符合条件的内容，则给出提 示。如果找到了符合条件的学生，则列表显示，如图4 。5 。 4 3 系统分析模块的设计与开发 4 3 1 信息熵与等价选顷个数 1 主要界面布局设计 原始数据的输入 如图4 - 6 所示，我们使用s s t a b 控件提供一组选项卡，每个选项卡都 可作为其它控件的容器。在控件中，同一时刻只有一个选项卡是活动的， 这个选项卡向用户显示它本身所包含的控件而隐藏其它选项卡中的控件。 如果工具箱中没有这个控件，可以在v b 主菜单里选择“工程”| “部件”，然 后添加“m i c r o s o f tt a b b e d d i a l o gc o n t r o l ”。 教师首先在试题输入 选项卡的输入区键入试 卷号题号，和该题的多 项选择项数。然后在选项 概率值区输入各个选项 的被选中的概率数，点击 输入按钮即可淀e 意此处 图46 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 按照输入选项数中键入的数值在下方依次( 不可跳跃) 输入，多余的输入 文本框自动置数为0 。 求出熵和等价选项数 如图4 7 ，教师在检索 区键入试卷号和题号，通 过v b 程序从数据库中查 询出满足输入条件的记 录。然后分别单击信息熵、 等价选项数按钮得出所要 的数值并单击保存结果按 钮存入数据库中。 图4 7 图表显示 如图4 - 8 ，当教师点击s s t a b 控件的图表显示选项卡后，v b 程序便 会把该试卷中的所有题目的等价选项个数以折线图方式呈现出来，一目了 然非常清晰。 2 ，主要技术实现 y ，从数据库调入待处理的数据 图4 8 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 要进行熵和等价选项个数的运算，首先要按照某试卷的哪道题从数据 库中调入其相对应的数据，代码如下： t x t s q l = “s e l e c ta ，b ，c ，d ，e ，f 选项数f r o m 信息熵w h e r e 试卷号= + t e x t l3t e x t + a n d 题号= + t e x t 3 t e x t + ” s e tm r c = e x e c t l t e s q l ( t x t s q l m s g t e x t ) 计算熵和等价选项个数，部分代码如下： k = m r cf i e l d s ( 6 ) f o r i = 0 t ok 1 p 1 ( i ) = m r c f i e l d s ( i ) p 2 ( i ) = - ( l o g ( p l ( i ) ) l o g ( 2 ) ) p 3 ( i ) = p l ( i ) + p 2 ( i ) n e x t i r f l r c c l o s e h = 0 f o r i = 0 t ok 1 h = p 3 ( i ) + h t e x t lt e x t = f o r m a t ( h ，“# 蝴嵴”) k h = 2 “h t e x t 4 1 b x t = f o r m a t ( k h , “# # # # ”1 使用m s c h a r t 控件作出图表 4 3 2 信度分析 1 主要界面设计 数据显示 如图4 - 9 ，教师在检索区1 键入要分析的是属于哪个班级对哪张试卷 测试的成绩，再在检索区2 中点选两次测试的时间，就可以通过v b 程序 从数据库中查询出满足输入条件的记录集，显示在下方的两个d a t a g r i d 控件中。 硕士学位论丈 m a s t e rst h e s i s 图4 - 9 如图4 1 0 ，教师单击信度分析按钮即可得出分析结果数值并保存结果到 数据库中。 图4 1 0 2 主要技术实现 根据点选的不同时间显示不同的数据，部分代码如下 p r