基于SVD的学生多维度探究能力评价方法、系统及存储介质

基于svd的学生多维度探究能力评价方法、系统及存储介质
技术领域
1.本发明涉及学生探究能力评价领域，尤其是涉及一种基于svd的学生多维度探究能力评价方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.当前国际上主要有四种科学探究能力的评价形式，分别为观察法、纸笔测验、工作单和计算机模拟，目前存在以下缺点：
3.1)依赖人工评价，耗费人力
4.评价过程大多依靠人工评价，劳动重复性高，且评价时需要组织教师参与，随着人力投入随着参评人数增加同比增长。
5.2)评价一致性较低
6.目前教师打分和学生评价均依靠教师经验，由于人为评价容易受到思维观念、情绪状态等影响，因此评价结果的一致性较低，在大规模和严谨型的评价中，需要组织多位老师和监督机构，从而缓解评价一致性较低的缺点，进而增加人工投入。
7.3)评价维度较为单一
8.当前大多数针对能力的评价为结果评价，主要评价用户的目标达成情况，但较少针对用户探究过程进行评价。此外，根据目标达成情况的评价通常只能测量用户的综合能力，但较难分解用户的多维度能力，在教学中的借鉴意义较小。


技术实现要素：

9.本发明的目的就是为了提供一种基于svd的学生多维度探究能力评价方法，自动化地对学生探究能力进行多维度评价，降低人力成本，扩展评价维度，提高评价一致性。
10.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
11.一种基于svd的学生多维度探究能力评价方法，包括以下步骤：
12.基于实验数据确定学生实验测评矩阵，其中，所述实验数据基于课堂或线上实验采集得到，所述实验测评矩阵包括过程矩阵和结果矩阵；
13.对学生实验测评矩阵进行数据预处理得到经过预处理的过程矩阵和经过预处理的结果矩阵；
14.对经过预处理的结果矩阵进行svd分解，得到结果u矩阵，结果∑矩阵和结果v
t
矩阵，其中，结果∑矩阵为对角矩阵；
15.判断结果∑矩阵对角线上第一项和第二项的平方和是否大于结果∑矩阵对角线上所有项平方和的90％，若否，停止svd分解，若是，则
16.判断结果v
t
矩阵的第一行是否大于等于0，若是，将结果u矩阵的第一列数值作为知识掌握能力评分的基准分，若否，将结果u矩阵的第一列数值取反后作为知识掌握能力评分的基准分；
17.对知识掌握能力评分的基准分进行标准化处理，得到知识掌握能力评分；
18.基于经过预处理的过程矩阵确定过程分矩阵；
19.对过程分矩阵进行svd分解，得到过程u矩阵，过程∑矩阵和过程v
t
矩阵，其中，过程∑矩阵为对角矩阵；
20.判断过程∑矩阵对角线上第一项和第二项的平方和是否大于过程∑矩阵对角线上所有项平方和的90％，若否，停止svd分解，若是，则
21.判断过程v
t
矩阵的第一行是否大于等于0，若是，将过程u矩阵的第一列数值作为问题解决能力评分的基准分，若否，将过程u矩阵的第一列数值取反后作为问题解决能力评分的基准分；
22.对问题解决能力评分的基准分进行标准化处理，得到问题解决能力评分；
23.基于经过预处理的过程矩阵确定尝试次数矩阵；
24.将经过预处理的结果矩阵中的元素和尝试次数矩阵中对应的元素相除，得到归纳能力矩阵；
25.对归纳能力矩阵进行标准化处理得到标准归纳能力矩阵；
26.对标准归纳能力矩阵的每一行向量求平均值，得到归纳能力评分。
27.所述过程矩阵和结果矩阵均为n行m列的矩阵，其中，n为参加实验测评的学生数，m为实验个数。
28.所述过程矩阵的元素为每个学生参加的每个实验的实验过程数据，其中，所述实验过程数据为一维数组，数组的长度表示尝试次数。
29.所述结果矩阵的元素为每个学生参加的每个实验的实验结果评分，其中，所述实验结果评分由人工打分或机器打分得到。
30.所述数据预处理为剔除空值所在行数据。
31.所述基于经过预处理的过程矩阵确定过程分矩阵包括以下步骤：
32.基于实验评价标准确定每个实验的目标数值；
33.针对经过预处理的过程矩阵中的每个数组，计算数组中的元素偏离对应实验目标数值的偏离百分比；
34.基于偏离百分比和预配置的过程分确定规则确定数组中每一个元素对应的过程分；
35.判断尝试次数是否大于预配置的允许次数，若是，则将超过预配置的允许次数的元素对应的过程分覆盖为0；
36.基于累计过程分确定规则确定每个数组的累计过程分，其中，所述累计过程分确定规则为：针对一个数组，将所述数组包含的所有元素对应的过程分相加得到当前数组的累计过程分；
37.基于每个数组的累计过程分确定过程分矩阵。
38.所述基于经过预处理的过程矩阵确定过程分矩阵包括以下步骤：
39.判断经过预处理的过程矩阵中每个数组的尝试次数是否大于预配置的允许次数，若是，则将数组中超过预配置的允许次数的元素对应的过程分赋值为0；
40.基于实验评价标准确定每个实验的目标数值；
41.针对每个数组中过程分未被赋值为0的元素，计算所述元素偏离对应实验目标数值的偏离百分比；
42.基于偏离百分比和预配置的过程分确定规则确定每个数组中过程分未被赋值为0的元素对应的过程分；
43.基于累计过程分确定规则确定每个数组的累计过程分，其中，所述累计过程分确定规则为：针对一个数组，将所述数组包含的所有元素对应的过程分相加得到当前数组的累计过程分；
44.基于每个数组的累计过程分确定过程分矩阵。
45.所述标准化处理基于z-score标准化方法。
46.一种基于svd的学生多维度探究能力评价系统，包括：
47.数据获取模块，用于获取实验数据，其中，所述实验数据包括用户数据表，学生实验数据总表，分项实验数据表；
48.学生多维度探究能力评价模块，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的方法；
49.可视化展示模块，用于以雷达图的形式可视化展示学生多维度探究能力评分求解结果。
50.一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上述所述的方法。
51.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
52.(1)本发明基于学生实验的过程数据和结果数据，得到学生知识掌握能力、问题解决能力和归纳能力以从多维度对学生的探究能力进行评价，更能体现学生的各项综合探究能力，评价维度广且适用范围广，在教学实践中具有借鉴意义。
53.(2)本发明能够自动化的对学生实验数据进行处理，并按照一定的标准对学生能力进行评价，降低了人力成本，自动化程度高，受到人为主观影响的程度低，评价一致性高。
54.(3)本发明对求解到的能力评分的基准分标准化后作为最终的评分数值，不以绝对值的形式评判学生能力的强弱，而是综合考虑学生整体的情况，以相对值作为评价指标，考察学生在某一群体中的能力排布情况，更具有现实意义。
附图说明
55.图1为本发明的方法流程图；
56.图2为数据结构示意图；
57.图3为svd分解示意图；
58.图4为基于本发明方法得到的学生多维度探究能力雷达图。
具体实施方式
59.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
60.一种基于svd的学生多维度探究能力评价方法，如图1所示，包括以下步骤：
61.步骤1)基于实验数据确定学生实验测评矩阵
62.实验数据基于课堂或线上实验采集得到。在本实施例中，实验共有四个，分别是角动量、驻波、斜抛和复摆实验，因此，实验数据包含六张数据表，一张为用户数据表，这张表
中包含了用户id、密码信息、班级等信息，一张为学生实验数据总表，包含学生实验每个学生的id、班级、过程数据及实验结果评分。另外分别针对四个实验单独记录学生id、实验过程数据、每个实验提问的文本和对应的文本打分，得到四张分项实验数据表。数据表结构如图2所示。
63.实验测评矩阵包括过程矩阵和结果矩阵，其中，过程矩阵和结果矩阵均为n行m列的矩阵，其中，n为参加实验测评的学生数，m为实验个数。
64.过程矩阵的元素为每个学生参加的每个实验的实验过程数据，其中，所述实验过程数据为一维数组，数组的长度表示尝试次数。
65.结果矩阵的元素为每个学生参加的每个实验的实验结果评分，其中，所述实验结果评分由人工打分或机器打分得到。
66.步骤2)对学生实验测评矩阵进行数据预处理，剔除控制所在行数据，得到经过预处理的过程矩阵和经过预处理的结果矩阵
67.步骤3)确定知识掌握能力评分
68.步骤3-1)对经过预处理的结果矩阵进行svd分解，得到结果u矩阵，结果∑矩阵和结果v
t
矩阵，其中，结果∑矩阵为对角矩阵，svd分解示意图如图3所示；
69.步骤3-2)判断结果∑矩阵对角线上第一项和第二项的平方和是否大于结果∑矩阵对角线上所有项平方和的90％，若否，停止svd分解，若是，则
70.判断结果v
t
矩阵的第一行是否大于等于0，若是，将结果u矩阵的第一列数值作为知识掌握能力评分的基准分，若否，将结果u矩阵的第一列数值取反后作为知识掌握能力评分的基准分；
71.步骤3-3)基于z-score标准化方法对知识掌握能力评分的基准分进行标准化处理，得到知识掌握能力评分。
72.步骤4)确定问题解决能力评分
73.步骤4-1)基于经过预处理的过程矩阵确定过程分矩阵；
74.在一种实施例中，所述基于经过预处理的过程矩阵确定过程分矩阵包括以下步骤：
75.基于实验评价标准确定每个实验的目标数值；
76.针对经过预处理的过程矩阵中的每个数组，计算数组中的元素偏离对应实验目标数值的偏离百分比；
77.基于偏离百分比和过程分确定规则确定数组中每一个元素对应的过程分，其中，过程分确定规则为：
78.将偏离百分比为0-10％的元素对应的过程分设为5分，偏离百分比为10-20％的元素对应的过程分设为4分，偏离百分比为20-30％的元素对应的过程分设为3分，偏离百分比为30-40％的元素对应的过程分设为2分，偏离百分比为40-50％的元素对应的过程分设为1分，偏离百分比大于50％的元素对应的过程分设为0分；若在实验结束前偏离百分比已达到0-10％范围内，则将该元素之后的实验对应的过程分均设为6分；
79.判断尝试次数(即每个数组的数组长度)是否大于预配置的允许次数，若是，则将该数组中超过预配置的允许次数的元素对应的过程分覆盖为0；
80.基于累计过程分确定规则确定每个数组的累计过程分，其中，所述累计过程分确
定规则为：针对一个数组，将所述数组包含的所有元素对应的过程分相加得到当前数组的累计过程分；
81.基于每个数组的累计过程分确定过程分矩阵。
82.在另一种实施例中，所述基于经过预处理的过程矩阵确定过程分矩阵包括以下步骤：
83.判断经过预处理的过程矩阵中每个数组的尝试次数(即每个数组的数组长度)是否大于预配置的允许次数，若是，则将该数组中超过预配置的允许次数的元素对应的过程分赋值为0；
84.基于实验评价标准确定每个实验的目标数值；
85.针对每个数组中过程分未被赋值为0的元素，计算所述元素偏离对应实验目标数值的偏离百分比；
86.基于偏离百分比和过程分确定规则确定每个数组中过程分未被赋值为0的元素对应的过程分，其中，过程分确定规则为：
87.将偏离百分比为0-10％的元素对应的过程分设为5分，偏离百分比为10-20％的元素对应的过程分设为4分，偏离百分比为20-30％的元素对应的过程分设为3分，偏离百分比为30-40％的元素对应的过程分设为2分，偏离百分比为40-50％的元素对应的过程分设为1分，偏离百分比大于50％的元素对应的过程分设为0分；若在实验结束前偏离百分比已达到0-10％范围内，则将该元素之后的实验对应的过程分均设为6分；
88.基于累计过程分确定规则确定每个数组的累计过程分，其中，所述累计过程分确定规则为：针对一个数组，将所述数组包含的所有元素对应的过程分相加得到当前数组的累计过程分；
89.基于每个数组的累计过程分确定过程分矩阵。
90.步骤4-2)对过程分矩阵进行svd分解，得到过程u矩阵，过程∑矩阵和过程v
t
矩阵，其中，过程∑矩阵为对角矩阵，svd分解示意图如图3所示；
91.步骤4-3)判断过程∑矩阵对角线上第一项和第二项的平方和是否大于过程∑矩阵对角线上所有项平方和的90％，若否，停止svd分解，若是，则
92.判断过程v
t
矩阵的第一行是否大于等于0，若是，将过程u矩阵的第一列数值作为问题解决能力评分的基准分，若否，将过程u矩阵的第一列数值取反后作为问题解决能力评分的基准分；
93.步骤4-4)基于z-score标准化方法对问题解决能力评分的基准分进行标准化处理，得到问题解决能力评分。
94.步骤5)确定归纳能力评分
95.步骤5-1)基于经过预处理的过程矩阵提取每个数组的数组长度，确定尝试次数矩阵；
96.步骤5-2)将经过预处理的结果矩阵中的元素和尝试次数矩阵中对应的元素相除，得到归纳能力矩阵；
97.步骤5-3)基于z-score标准化方法对归纳能力矩阵进行标准化处理得到标准归纳能力矩阵；
98.步骤5-4)对标准归纳能力矩阵的每一行向量求平均值，得到归纳能力评分。
99.以上步骤序号不对步骤执行顺序进行限定。
100.以上述方法对学生探究能力进行评价，并以雷达图的形式进行展示，得到评价结果如图4所示。从图4中可以直观看出用户2056064@test.com的问题解决能力低于平均水平较多(点位在中心点负方向，说明标准分为负值)，问题解决能力非常弱，说明学生在多次实验中发挥较不稳定，但知识掌握能力和归纳能力均高于平均水平。用户2050844@test.com的整体探究能力高于平均水平，知识掌握能力与归纳能力双高，表明该学生用了更少的实验次数达到较好的实验结果，整体趋于平稳，问题解决能力虽超过平均水平，但稍显弱势。
101.上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
102.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理、或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。