基于Matlab GUI的課程作業(yè)管理和反作弊的教學(xué)輔助工具開發(fā)

呂麗君

（長治學(xué)院 電子信息與物理系，山西 長治 046011）

1 背景介紹

為提升高校工程課程的授課質(zhì)量，許多研究者基于Matlab及其用戶圖形界面技術(shù)（GUI）技術(shù)開發(fā)了各種類型的教學(xué)輔助工具或軟件。文獻(xiàn)[1]基于Matlab開發(fā)了一款名為SoFA的教學(xué)輔助軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)淺地基進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。有學(xué)者基于Matlab-GUI實(shí)現(xiàn)了對(duì)一些工程課程的教學(xué)內(nèi)容仿真或可視化，比如電力系統(tǒng)[2]、物理光學(xué)[3]、直流電機(jī)[4]以及自動(dòng)控制系統(tǒng)[5][6]等。還有學(xué)者采用java、matlab等程序語言，開發(fā)出課程自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)[8][9]，極大地減少了教師在學(xué)生作業(yè)評(píng)分方面的工作量。這些研究成果，在一定程度上提升了當(dāng)前高校工程教育的效率。

學(xué)生作業(yè)完成情況是授課教師分析學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容掌握程度的重要參考之一。當(dāng)前，越來越多的大學(xué)課程作業(yè)是學(xué)生通過電子郵件等方式提交，教師則需要對(duì)郵件進(jìn)行下載并評(píng)閱。有時(shí)，兩個(gè)學(xué)生的作業(yè)疑似雷同，但由于評(píng)閱時(shí)間間隔較長，教師還需重新打開之前評(píng)閱過的作業(yè)進(jìn)行確認(rèn)，浪費(fèi)大量時(shí)間。為進(jìn)一步方便教師對(duì)學(xué)生作業(yè)情況掌握和分析，筆者基于Matlab-GUI技術(shù)開發(fā)了一款教學(xué)輔助工具，主要實(shí)現(xiàn)作業(yè)文件的雷同檢測(cè)以及教師評(píng)閱成績的自動(dòng)保存、顯示等功能。

2 系統(tǒng)功能描述

該教學(xué)輔助工具采用Matlab R2018a及其用戶圖形界面技術(shù)（GUI）結(jié)合office 365軟件進(jìn)行開發(fā)，并在windows 7和windows 10環(huán)境下運(yùn)行通過。主要功能有：（1）能夠?qū)x定的作業(yè)文件（格式為.docx）同其他文件進(jìn)行雷同檢測(cè)，并將雷同作業(yè)列表進(jìn)行顯示。為防止學(xué)生在作業(yè)中加入空格或?qū)⒉糠謨?nèi)容填入表格等方式來逃避該工具的檢測(cè)，系統(tǒng)開發(fā)過程中也進(jìn)行了考慮；（2）自動(dòng)記錄教師對(duì)學(xué)生作業(yè)的評(píng)閱分?jǐn)?shù)。該工具可以自動(dòng)打開所要評(píng)閱的作業(yè)文件，并將教師給定的分?jǐn)?shù)自動(dòng)保存到相應(yīng)的Excel文件中，以供日后查看；（3）學(xué)生分?jǐn)?shù)管理及顯示。該功能能夠讓教師直觀地看到學(xué)生作業(yè)分?jǐn)?shù)的分布和變化趨勢(shì)，以了解學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的掌握情況。

2.1 教學(xué)輔助工具的主要界面

該教學(xué)輔助工具的主要界面如圖1和圖2所示。

圖1 工具啟動(dòng)過程界面：(a)歡迎界面，（b）初始化成功提示窗口，（c）初始化信息框

工具運(yùn)行后，彈出歡迎界面如圖1（a）所示。該工具首次運(yùn)行，將彈出初始化信息框如圖1（c）所示，待教師輸入課程名稱和班級(jí)名稱信息后，自動(dòng)生成和輸入內(nèi)容關(guān)聯(lián)的文件及文件夾，之后彈出初始化成功提示窗口如圖1（b）所示。再次打開該工具將不會(huì)彈出該輸入對(duì)話框，直接進(jìn)入主界面。

圖2 工具運(yùn)行部分界面:（a）主界面，（b）評(píng)閱成績輸入框，（c）雷同檢測(cè)結(jié)果窗口

在工具主界面（圖2（a））中，可以在下拉菜單中選擇課程、班級(jí)、學(xué)生姓名等，并且可以在可編輯文本框中輸入要查看的是第幾次作業(yè)。Uitable中展示學(xué)生的作業(yè)得分情況。點(diǎn)擊“Open File”按鈕將打開對(duì)應(yīng)學(xué)生的作業(yè)文件，并彈出評(píng)閱成績輸入框如圖2（b）所示，輸入分?jǐn)?shù)后點(diǎn)擊確定自動(dòng)保存分?jǐn)?shù)至特定的文件中。點(diǎn)擊“Anti_Plagiarism”按鈕，將所選文件同本班所有學(xué)生的本次作業(yè)文件進(jìn)行對(duì)比。雷同列表將顯示在雷同檢測(cè)結(jié)果窗口的listbox中。

2.2 雷同檢測(cè)功能原理

為避免學(xué)生采用增加空格或?qū)?nèi)容填到表格中等方式逃避該工具的檢測(cè)，程序提取作業(yè)文件內(nèi)容時(shí)摒棄空格和表格，只保留文本內(nèi)容，如表1所示。提取后三者內(nèi)容一致，判定為雷同。

表1 雷同檢測(cè)三種特例示意

從作業(yè)文件提取的內(nèi)容分別保存至相應(yīng)的矩陣中，利用Matlab矩陣運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)所有文件內(nèi)容進(jìn)行快速比對(duì)。但若兩份作業(yè)局部相同，將無法判定為雷同。

3 工作原理

教學(xué)輔助工具工作流程示意圖如圖3所示。打開軟件后，先運(yùn)行歡迎界面并檢測(cè)當(dāng)前工作路徑中是否存在course_info.xlsx文件，如果存在該文件則判定為非首次使用，直接打開主界面；如果不存在該文件則為首次運(yùn)行，彈出課程信息輸入對(duì)話框等待教師輸入課程和班級(jí)信息。教師輸入課程相關(guān)信息后，軟件自動(dòng)在當(dāng)前工作路徑中生成和輸入信息相對(duì)應(yīng)的文件和文件夾。其中，自動(dòng)生成的文件包括course_info.xlsx和系列班級(jí)成績單.xlsx，文件夾包括課程名文件夾和課程名文件夾下的班級(jí)名子文件夾，然后打開主界面。

作業(yè)文件可以通過USB或Email等方式存放至班級(jí)名文件夾下，命名格式為m_n.docx，其中m表示學(xué)號(hào)，n表示該生第幾次作業(yè)。

主界面包含評(píng)閱成績自動(dòng)保存、雷同檢測(cè)、作業(yè)分?jǐn)?shù)展示等三大功能。

從盈利能力來看，山東產(chǎn)權(quán)交易中心披露的信息顯示，2018上半年，山東高速籃球俱樂部實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入3.69億元，凈利潤1.4億元，1-8月份實(shí)現(xiàn)營收3.69億元，凈利潤1.33億元。

3.1 軟件工作環(huán)境配置過程

軟件初始狀態(tài)包含的文件列表及其主要功能如表2所示。

圖3 教學(xué)輔助軟件工作流程示意圖

表2 軟件初始包含的文件及功能

文件名 文件類型 文件功能7 i n i t i a l_i n f o 函數(shù).m文件 生成課程信息輸入對(duì)話框8 c l a s s_s p l i t 函數(shù).m文件 將課程信息輸入對(duì)話框中的信息獲取并按規(guī)則進(jìn)行切割。將課程及班級(jí)信息整理成特定格式并保存到c o u r s e_i n f o.x l s x文件中，并生成和輸入信息相關(guān)的文件夾及文件。1 0 r e a d_w o r d 函數(shù).m文件 讀取將w o r d文件內(nèi)容1 1 r e f r e s h_g r a d e 函數(shù).m文件 將u i t a b l e內(nèi)容更新9 i n f o_s a v e 函數(shù).m文件

假定教師在課程信息輸入對(duì)話框中輸入的信息如圖1（c）中所示，則生成的文件夾及文件如表3所示。需要注意的是生成的文件夾或文件名以及數(shù)量同輸入的信息有關(guān)。

表3 初次運(yùn)行配置后新增的文件或文件夾及其功能

3.2 評(píng)閱成績過程

教師在主界面中選擇課程、班級(jí)、姓名以及在文本框中輸入第幾次作業(yè)，軟件在對(duì)應(yīng)班級(jí)名文件夾下查找文檔。如果該文檔不存在，則給出提示“文檔不存在”。如果文檔存在，則調(diào)用office word軟件打開，并彈出成績輸入對(duì)話框。教師在對(duì)話框中輸入成績后，該成績將自動(dòng)保存至班級(jí)成績單中，并在主界面uitable中更新顯示。

3.3 作業(yè)雷同檢測(cè)過程

教師在主界面中選擇課程、班級(jí)、姓名以及在文本框中輸入第幾次作業(yè)。點(diǎn)擊“Anti_Plagiarism”按鈕，軟件將對(duì)選定文件同該班級(jí)其他同學(xué)本次作業(yè)所有文件進(jìn)行比對(duì)。雷同的文件名列表將保存在自動(dòng)生成的same_list.xlsx文件中，并彈出Anti_Plagiarism_Results界面進(jìn)行顯示。

3.4 成績分布展示

鼠標(biāo)選中主界面中的uitable任一單元格，將顯示學(xué)生作業(yè)分?jǐn)?shù)分布圖形窗口，分為兩部分：學(xué)生歷次作業(yè)成績趨勢(shì)曲線；本次作業(yè)全班成績分布柱狀圖。

4 總體評(píng)估

4.1 自動(dòng)保存評(píng)閱成績

圖4 作業(yè)評(píng)閱過程示意圖：（a）作業(yè)評(píng)閱前主界面，（b）打開作業(yè)文件，（c）作業(yè)評(píng)閱后主界面

4.2 作業(yè)雷同過程展示

作業(yè)雷同檢測(cè)過程如圖5所示，主界面下拉菜單依次選擇：課程【Automatic Control Theory】、班級(jí)【E_1701】、姓名【std_2】（學(xué)號(hào)為 2），在【第幾次作業(yè)】可編輯文本框中輸入1，表示將評(píng)閱學(xué)號(hào)為2的學(xué)生的第1次作業(yè)，對(duì)應(yīng)文件名為2_1.docx。（a）軟件正在讀取全班學(xué)生的第二次作業(yè)內(nèi)容。（b）與2_1.docx文件雷同列表被顯示在listbox中。

圖5 作弊查詢過程示意圖

4.3 課程作業(yè)成績展示

學(xué)生成績分布示意圖如圖6所示，（a）鼠標(biāo)選擇主界面中某一個(gè)單元格。（b）顯示選中表格所對(duì)應(yīng)的學(xué)生作業(yè)成績曲線。其中，上圖為該學(xué)生歷次成績分布趨勢(shì)曲線，虛線為其對(duì)應(yīng)的平均值；下圖為全班所有學(xué)生本次成績分布柱狀圖，虛線為其對(duì)應(yīng)的平均值。

圖6 學(xué)生成績分布示意圖

5 結(jié)論及可改進(jìn)的方面

采用Matlab-GUI技術(shù)，開發(fā)了一個(gè)教學(xué)輔助工具。能夠?qū)崿F(xiàn)課程作業(yè)雷同檢測(cè)、評(píng)閱分?jǐn)?shù)自動(dòng)保存和作業(yè)分?jǐn)?shù)展示等功能。操作簡單，界面友好，可以提高教師評(píng)價(jià)學(xué)生作業(yè)的效率。以后可以采用python語言編寫文件下載程序，實(shí)現(xiàn)從郵箱批量下載學(xué)生作業(yè)文件，按要求對(duì)文件自動(dòng)進(jìn)行命名并保存至對(duì)應(yīng)的文件夾中，進(jìn)一步減少教師評(píng)閱課程作業(yè)的工作量。