2013年IFAC第10届研讨会：MATLAB控制中的有效学习

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德MATLAB在控制中的有效性评价J. A.罗西特英国谢菲尔德大学自动控制与系统工程系，Mappin Street，S1，3 JD，UK（电子邮件：j.a.shef.ac.uk）翻译后摘要：熟练的MATLAB是一个共同的期望控制和系统工程，但这可能是耗时和昂贵的评估本文回顾了文献中关于提高评估实践的效率和有效性的一些想法，并提出了一种相对激进的方法，这种方法通常对学术界来说更为有效。关键词：自主学习，讲座视频，技术。1. 介绍人们认识到MATLAB是控制工程师教育的宝贵工具。它被广泛用于工业，因此是一个逻辑工具，可以预期的毕业生的专业。它也成为国际控制界的国际标准，这有助于研究人员之间轻松共享代码。大量的研究人员生成的工具箱 ， 一 些 非 常 流 行 的 ， 如 参 数 工 具 箱 在 作 者 也 许MATLAB变得如此受欢迎的一个主要原因是，与更传统的编程语言相比，编码和环境相对直观和可视化，因此有能力的学生能够学习如何使用该工具在相对较短的时间内解决高级问题。编程解决方案的编码速度以及显示环境的灵活性超过了计算效率的任何小损失，特别是考虑到对于大多数问题，计算速度是次要的考虑因素，因为即使是低效的计算在现代计算机上也能在几分之一秒内返回许多问题的解决方案在认识到上述因素，作者(1) 学生将有望成为熟练的MATLAB工具和核心编程结构在第一年，以便所有后续模块的教学阶段可以承担这种技能，因此，如果需要，使用MATLAB有趣的任务，甚至希望学生自学一个新的工具箱在必要时。(2) 在平行（不是本文的一部分），学生介绍了正式的编程和程序设计使用C，C++和Java语言。感谢艾伦·欧文（正式利物浦）分享他的经验。1.1 有效学习帮助学生学习和使用MATLAB的框架在其他地方已经进行了广泛的讨论，因此这里只给出了一个快速的总结。使用的主要工具是强调独立学习，是说服学生，编程最好是在计算机上独立学习，而不是通过讲座（Rossiter等人，2010）。根据对社区最佳做法的观察（Nortagee和Middelton，2007年）（Porter，2009年），提供了一些自学资源（SIG，2007年），总的来说，学生对这些资源的反馈非常积极。关键是，这些资源是伪交互式的，可以全天候访问，从而使学生能够按照自己的节奏进步学生访问资源的补充，每周实验室会议与示威者，学生可以'下降'提出问题，并解决查询。学生参与的动机是由一个严格的评估制度提供的，有严格的截止日期和规则，因此，不参与和承担个人责任的学生很可能得分很低。1.2 有效评估本文的主要重点是效率评估。正如前一节所指出的，也是社区中公认的，大部分学生只有在看到明确的成绩报酬时才参加工作如果一个教程表被标记，并进行一定比例的模块标记，他们会这样做，否则许多不。MATLAB学习的背景在评估驱动学习方面几乎没有什么不同。此外，人们认识到，计算机编程技能是逐步发展的，因此学生定期工作，不要把一切都留到学期末考试是很重要的因此，在作者© IFAC 291 10.3182/20130828-3-UK-2039.00001第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲292学生发展所需技能的预期速度。1.3 论文投稿定期小型评估的模式可能对学习时间要求很高，因此需要开发有效的机制来处理这一问题（Rossiter，Irving，Lynch，Mohtahdi和Becerra，2011），既要确保学生不会超载，又要确保学生收到有效进步所需的反馈的质量和细节。因此，本文的主要贡献是对已被采用来评估学生学习MATLAB的不同技术进行回顾，并提供证据。第2节将总结一个典型的提交/评估程序，并考虑该计划的有效性第3节将回顾MATLAB代码自动标记的综合方法本文最后得出了一些结论。2. 编码评估的标准方法2.1 作业评分制度一个典型的作业将要求学生产生计算机代码来解决给定的问题。学生提交的内容将包括他们的代码，可能是硬拷贝，也可能是软拷贝，以及使用代码的结果的一些评估员在标记代码时必须考虑一些问题下面列出一些典型的标准代码运行时是否没有崩溃，即接受正确的输入参数并生成格式正确的输出参数。代码是否为一系列不同的输入选择生成正确的数值输出（和/或数字或其他输出）代码结构是否良好？代码是否有效，是否使用适当的编程结构来满足预期目标？代码是否有足够的注释？代码是否对误用具有鲁棒性，例如输入的错误输入？代码是否易于使用，并提供信息性的这些代码是学生自己的作品还是有剽窃或共谋的证据？快速回顾上面的列表表明，标记代码可能是一个非常耗时的过程，因此一般来说，在学术人员做主要标记代码的情况下，通过大量的小任务事实上，向每个学生提供详细的书面反馈通常是难以管理的，甚至下载和运行每段学生代码也会非常耗时。2.2 同伴标记与课堂在某种程度上，可以通过将O型线标记替换为在线标记。也就是说，学生应该准备他们的代码，并在计算机上准备好评估。在一个开放的会议期间，一个标记将在所有学生周围循环，在他们在场的情况下在他们的计算机上运行代码，并口头讨论任何优点和缺点，同时完成一个勾选框形式或类似的，以确定最终成绩。这种方法有几个优点：(1) 标记对学生来说是透明的，当标记器运行少量不同场景的代码时，他们代码的弱点是清楚的。(2) 反馈是明确的，可以用相对较少的时间交付每个学生。(3) 反馈是有效的，但可以比书面反馈更广泛，因为学生有责任记录口头反馈，而标记只需要保留一个简单的tickbox摘要。(4) 对代码结构和效率的评论可以通过指向特定行和面对面讨论来非常精确。类似的注释适用于任何代码输出。作者部门使用的一个小装饰是鼓励或有时甚至要求同行评估[例如，（生物科学，2004年）]最终评估前众所周知，反馈学生通常意味着前馈（Benjamin，2012），即帮助他们优化最终提交的评论。因此，学生被要求使用标记形式评估彼此的工作，并相互讨论他们所做的优点和缺点。这给了他们一个独立的批判性的审查，同时也使一些同行学习，因为他们可以分享他们发现的好主意。这也鼓励他们更批判性地反思自己的工作。在同行评估活动期间，示范人员在场，以帮助解决和澄清任何必要的困惑。2.3 总结对于许多编码评估来说，传统的作业评分方法可能过于耗时，特别是在需要大量小作业的情况下。在课堂上面对面标记的替代方案是一个更快的替代方案，效果相当不错。然而，这仍然需要大量的时间输入（通常为3-每个学生每次作业5分钟），因此仍然很难管理大班。此外，它强调学生正确记录提供的反馈。然而，应该注意的是，在标记点没有考虑剽窃或勾结，而且这种技术可能难以用于大班规模，例如超过100人，因为对标记的要求很高。3. MATLAB代码3.1 自动标记在 数 学 教 育 界 （ HELM ， 2012 ） ， （ Mathstore ，2012），（Patel和Rossiter，2012），········第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲293在使用计算机辅助评估（CAA）工具方面，这些工具有两个非常(1) 它们是学生主导的，所以学生可以在需要的时候使用它们，并获得有关其进度的即时反馈（尽管反馈可能相对简单）。(2) 一旦测验已经设置和测试，学术的标记负荷是最小的。从本质上讲，他们的作用被削弱为监督作用CAA的成功得益于许多数学问题的相对简单的性质，这些问题的答案是一个简单的数值。一个没有得到正确值的学生在某个地方犯了一个错误，这本身就是有用的反馈;一个不能辨别这个错误是什么的学生，可以寻求更多的指导。相反，看到正确的答案往往足以让学生认识到他们的错误或误解，从而使学生能够更好地控制自己的学习。对于想要使用定期小型评估来鼓励学习的学者来说，一个明显的问题是问某种形式的自动标记是否可能并且对评估他们感兴趣的技能有用？注1. 提醒读者，CAA的初始设置时间并非微不足道，因此只有当问题数据库在随后几年中具有大量重复使用的潜力时，才可能产生效益3.2 促进MATLAB代码的自动标记围绕代码的问题可能有非简单的答案，当然也不是单一的数值。因此，乍一看，CAA工具的简单滚动是不合适的。不仅需要检查这个问题的一个解决方案是编写计算机代码（Irving，2012），该代码复制了可以由有条不紊和耐心的人类标记器进行的测试：（i）MATLAB消除错误-捕获并返回;（ii）运行时错误-捕获并返回;（iii）正确答案的标记/注释;（iv）几乎正确答案的标记/注释;（v）检查标记;（vi）等。例如，学术代码可以自动：(1) 运行学生代码，其中有许多可选的输入选项和对生成的输出的不同要求。(2) 运行包含常见语法错误的学生代码。(3) 对于每次运行，整理信息，这些信息捕获学生代码满足作业目标的程度。自动化代码的明显优势是，它可以提供给所有学生，无论班级规模如何，因此具有显着的规模经济，这对于100或更多的班级规模是非常宝贵的由于内置的try-catch循环的存在，编写MATLAB“测试代码”非常简单try-catch循环的目的是测试代码的有效性： 如果代码失败，MATLAB会运行catch语句，而不是完全崩溃。因此，一个典型的语法可能是：语法正确的代码百分比尝试%使用已知输入运行学生代码[output1，output2]=my file（input1，input2，input3）%评估学生代码输出并提供标记/反馈givemarkandcomments（输出1，输出2）%学生代码由于某种原因崩溃或失败抓住%对失败的代码给出反馈givemark和commentfailedendTry-catch循环可以嵌套和/或串联排列，以执行学生代码的全面检查。单独的子程序可以测试学生输出变量是否包含正确的类型、维度和值，并随后相应地给予分数和反馈所有来自各种测试的反馈都可以整理成一个文件，返回给学生或显示在命令窗口中，这样学生就可以立即看到他们的反馈并进行标记。备注2. 可以从作者那里获得一些测试代码的示例，这些代码既包括他在She Welleld中创建的代码，也包括A.欧文3.3 MATLAB代码自动标注的实现虽然为一个已知名称的文件开发一个定制的标记代码很简单，但对于200个不同名称和来源的文件来说，这样做可能不那么简单。因此，学术界需要决定两个关键问题：标记代码通常可在大学网络上获得，并用于面对面标记。在这种情况下，学生有责任在assessort在场的情况下正确地反馈将直接返回给学生，学术人员可能不会收到反馈的副本只有学术人员才能接触到标记代码。学生们将他们的档案提交给学术界，然后由学术界安排对每一份档案进行评分。为了自动化这一点，例如通过某种形式的循环，学生将被要求使用非常精确的命名约定，将他们的文件与他们的用户身份联系起来。下载到然而，这确实意味着学者有一个完整的分数列表然而，在这种情况下，还存在将结果自动分发给每个学生的问题，这可能不是直接的，除非通过将整个班级的反馈（匿名的）发布给整个班级。此外，在这种情况下，责任落在学术上，以修复（并保持）··第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲294注意）问题之前标记，如奇怪的命名文件，愚蠢的，但明显的错别字。这可能需要几个小时的大群。备注3. 学术人员可以选择使用代码自动化更多的任务，例如创建个人.html反馈文件由ID和一个通用的导师反馈文件组织，如果这是有用的。备注4. 学术人员可以通过以可执行的形式向学生发布p代码来保持标记代码的私有性。这允许学生在开发解决方案时使用标记代码生成个人反馈，而无需复制任何答案。为了避免学生创建简单地复制正确值的代码，可以使用不同的数字输入进行最终评估。3.4 对使用自动标记代码的标准的建议这些反应是基于几个独立的实施（谢菲尔德，利物浦和拉夫堡）的标记代码，从而不同的背景下，机构，学校和学生。(1) 不要低估创建标记代码所需的时间。这是否值得将与班级规模和重用的潜力1联系起来。(2) 反馈往往是比较基本的：㈠错误的数字输出; ㈡不正确的尺寸; ㈢不正确的调用语句; ㈣没有正确处理不正确的输入。这样的陈述并不一定能直接引导学生找到错误所在。(3) 学生没有得到学分是95%正确的一个良好的结构和良好的评论。也许只有一两个小错别字，一个不是100%正确的文件很容易得分很低，甚至零分。因此，存在两极标记的危险。(4) 自动标记不评估例如样式、格式、标题和注释，因此在这些问题重要的情况下需要替代评估或程序。(5) 假设实践评估代码的可用性，评估制度是透明和明确的，所以学生有良好的质量当然，可能有更简单的方法为学生提供一些案例研究和解决方案来测试他们的代码。(6) 能够快速准确地标记输出大量数字数据的代码。(7) 作业任务是根据函数MATLAB文件（FMF）提出的，因此学生必须从指定的输入中提供指定的输出。因此，学生需要在MATLAB的基本能力，自动反馈变得 有 用 之 前 ， 例 如 MATLAB 脚 本 和 函 数 文 件（FMF）的清晰理解和输入/输出变量的定义。1重用的一个危险是学生直接从高年级(8) MATLAB无法猜测可能发生了什么，如果它遇到的第一个错误不存在。3.5 学生评论学生们期望得到比这一点正确/错误更复杂的反馈。他们希望在学习代码的早期阶段有更多的指导他们希望在那些只写一些小错误的复杂代码的学生和那些几乎不会写代码的学生之间有更多的区别。对个人成绩的完全客观的评估可能会给学生带来压力，特别是对成绩较差的学生;学生们抱怨被要求同时掌握大多数学生只要坚持下去，最终就会明白这个道理。把那些最初经历不好的学生关进监狱是很危险的。3.6 关于学生尽管自动化评估是可行的，并且具有许多优点，但很明显，反馈的水平相对粗糙，而且，学生很容易在准备相关功能文件时串通。此外，准备自动评分脚本的准备时间可能很长，因为这些脚本需要对误用和预测许多常见的学生错误具有鲁棒性。最后，也许是最相关的，人们对评分制度的粗糙感到非常不安，因为它没有奖励总体良好的工作。在作者学生们需要知道，有时在现实世界中，只有正确才足够好;几乎正确也可能是错误的，只配得零。只要学生在期望方面得到适当的管理，并给予足够的前馈支持，那么这就不必被认为是不合理的。因此，作者发现，在实践实验室中，积极主动的示范者是非常宝贵的，因为他们为学生准备作业提供了个性化的支持学生能够在评估之前获得对他们准备工作的评论，因此有机会和期望，第一时间获得正确的4. 应对合谋这一部分是简短的完整性和感谢艾伦欧文谁生产的源代码。对于典型的MATLAB作业，如果学生分组一起工作来发展他们的理解和解决方案，这并不奇怪然而，这样做的危险是，个人成为被动的合作伙伴，对最终解决方案几乎没有或根本没有智力投入或理解大学有责任评估学生个人，因此强调学生必须拥有最终提交的工作。在实践中，独自开发最后一段代码的学生，即使他们已经讨论了想法，·······第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲295与朋友一起，会发现他们的代码与其他人提交的代码有明显的当这些差异最小时，学生们很可能一起开发了整个解决方案，因此犯有共谋罪如果这是一个真正值得关注的问题，标记器可以通过共谋检查代码通过所有学生提交的文件;（i）删除注释和间距。(ii)每个FMF转换为一个长字符串。(iii)按大小排序。(iv)在一个文件带上计算对相关系数（v）对所有n个文件（字符串）上的大小为m的带执行(vi)识别高于某个阈值的相关性。(vii)使用配对来识别相似工作的组（viii）制作报告，其中包含与脚本的相关性和分组细节。(ix)对这些结果进行学术判断。Alan Irving提供了一个这样做的文件模板，并在社区中分享;也可以从作者那里获得。5. CAA在MATLAB评估中的准备自动阅卷脚本的准备时间可能很长，因为这些脚本需要对误用具有鲁棒性，并可预见许多常见的鉴于需要每年更新这些，以防止学生从早期的队列继承脚本，有一个持续的要求，这准备时间。此外，在课程的早期阶段，当学生仍然掌握基本概念时，他们往往缺乏有效使用自动标记工具的技能，这也增加了学生的潜在负担最后，自动评分不评估结构和评论，这两个方面对以后的作业变得越来越重要，因此无论如何都需要手工评估每个文件的各个方面。最后，也许是最重要的，创建一个强大的自动化标记脚本所需的时间可能远远超过为40-50名学生进行面对面标记所需鉴 于这 些 观察 结果 ， 作者 考 虑了 评 估学 生正 确 使用MATLAB能力的替代有效工具。此外，作者建议明确区分两种技能：(1) 能够使用MATLAB解决工程问题，其中只有最终输出进行评估。(2) 编写具有良好结构、良好语法和良好注释的代码的能力。这是有用的，因为它意味着一些作业只关注数字答案，因此可以非常有效地评估，而其他作业则更关注整体设计和输出。学生的期望可以通过明确整体评估计划是全面和透明的来管理。本节的其余部分侧重于评估学生使用MATLAB解决工程问题的能力;这里不讨论语法，注释和结构的评估。5.1 CAA工具在许多虚拟学习环境（VLE）中，都有测验工具。通常这些工具允许问题重新-询问数字答案，并且在许多情况下还根据影响数字答案的变量来表达问题-因此，接收相同问题的学生可能对该变量或变量具有不同的值，这因此意味着需要不同的答案，从而降低了串通的可能性。使用MATLAB的一个典型原因是为了消除与某些问题解决相关的数值负担，因此感兴趣的核心问题是：学生能否正确使用MATLAB来找到给定类型工程问题的解决方案？如果这些问题可以用一个数字的答案来表示，那么这些技能可以使用CAA工具来检查然而，一个关键的观察结果是，对于一个学者来说，在CAA系统上编写一个问题比创建等效的自动标记代码要有效很多倍，因此，在某些情况下，这是评估MATLAB能力的首选机制。第二个好处是，生成一些额外但类似的问题的工作量很小，这意味着坐在一起的学生可能会在同一问题类型中得到不同的数字5.2 在MATLAB中结合CAA和学生能力评估解决本节将演示如何使用一个只考虑单个数值答案的简单CAA工具来评估学生在MATLAB中的能力，学生实际上可能会使用该工具来查找矩阵，完成作为时间或空间函数的解决方案，数字或任何维度的解决方案。关键的观察是要注意，如果一个学生已经找到了正确的完整解决方案，那么他们必然也有正确的解决方案在特定的时间和空间点。相反，如果不首先知道如何计算完整的解，他们就无法在特定的时间和空间点上轻松找到正确的解下面给出一些简单的例子。(1) 非简单传递函数幅相裕度的计算。(2) 逆拉普拉斯（阶跃响应或其他）-在特定时间点找到一个(3) 绘制答案：学生必须从一个具有许多相似但不同的线条图的图形中识别正确的这也可以应用于时间和/或空间问题。(4) 闭环上升时间和建立时间（在合理的精度范围内）。(5) 选择补偿器以实现指定的增益裕度（或相位裕度）。(6) 正确使用simulink文件，包括一些变量的输入测验学生的数字输出。(7) 正确使用变量输入的任何函数文件。(8) 求泰勒级数或傅立叶级数的系数（学生必须事先准备自己的代码）或多项式的最小二乘拟合。(9) 确定闭环极点。(10) 部分分式中的余数计算。希望即使从这个简单的列表中也能清楚地看到学生使用MATLAB作为解决问题工具的第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲296可以通过一个简单的测验非常有效和快速地评估。5.3 培养学生和管理期望使用CAA工具的一个潜在弱点是学生要么是对的，要么是错的，因此帮助学生准备评估是很重要的，因为他们完全知道工作没有学分，或者良好的文件结构或其他积极方面。作者相信期望的透明度，因为这可以让学生在考试前自信地准备，并充分利用因此，学生会得到明确的信息，说明将评估哪些技能，尽管不是确切的问题，显然也不是当天将提供的精确的传递函数或举例来说：(1) 求一个围绕指定点的不可见函数的泰勒级数系数(2) 利用MATLAB建立未知过程和补偿器的闭环传递函数，并绘制相应的闭环阶跃响应。(3) 熟悉控制系统分析工具，并使用这些工具提取核心信息;示例可能包括roots、bode、nyquist、rlocus等。(4) 能够运行看不见的simulink文件并提取核心状态信息。通过给学生提供大量的示例问题和相关的数字答案，他们能够自信地编写代码，并在需要时在评估日之前寻求帮助。总之，建议学生准备代码片段甚至函数文件，以回答典型和预期的问题，并充分理解代码，以便在考试当天进行回答问题所需的任何编辑。根据作者的经验，尽管有些学生在这样的测试中表现很差，但这通常表明MATLAB能力确实缺乏进步，大多数学生认为评估是公平的当然，就有效性评估而言，最重要的观察是静态的。生成示例问题和答案以及测试本身所需的时间明显快于生成自动评分代码所需的时间，而对学生学习的评估基本上是等同的。6. 结论工程系越来越普遍地将MATLAB嵌入课程中。然而，使用单个代码分析的标准方法对学生能力进行评估通常是非常低效和不实际的--学生需要采取在发展和测试自己的能力的领导。然而，仍然需要进行一些正式评估。本文认为，对如何实现函数文件自动评估的理解是存在的，并且已经过测试，当然是由作者和其他地方的一些机构进行的。虽然这可以实现虽然这些工具对大班学生有益，并明显提高了学生的反馈或前馈信息水平，但较弱的学生有效利用这些工具的能力仍然存在问题，因为他们假定了基本的能力和理解水平。然而，更重要的是，统计局建立和维护强大的自动化阅卷工具所需的时间并非微不足道，因此，除非是非常大的班级，否则不大可能部署这些工具作者建议，一个更有效和同样有效的工具可以是使用CAA和提供已知测试问题的解决方案的硬拷贝/软拷贝这些也允许学生开发代码来复制他们形成阶段的已知解决方案，而CAA允许非常有效地创建和标记学生最后，应该指出的是，所有这些都不能替代对编码结构、评论和良好做法的评估，因为不太可能有一个简单的替代人工标记的方法。引用2004年，生物科学教学中的自我和同侪评估，生物科学促进学习系列，HEA生物科学控制教育特别兴趣小组，http://controleducation.group.shef.ac.uk/【 集2007年Irving，A. 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