基于模糊層次分析法的高校虛擬仿真實驗教學項目綜合評價研究

張怡 龐婉欣 郜宇晴

摘要：近年來，高校虛擬仿真項目建設如火如荼，為了評估項目建設的成效，需要對項目進行科學的評價。該文提出了基于模糊層次法的高校虛擬仿真實驗教學項目評價研究。首先，依據(jù)虛擬仿真項目的發(fā)展背景和研究現(xiàn)狀，提出了指標設立的基本準則，構造了一套綜合全面的評價指標體系。構建綜合評價模型，通過MATLAB程序算法實現(xiàn)模糊層次分析法來求取各指標的權重。最后基于評價模型對ilab-x平臺的虛擬仿真實驗項目進行實證分析。

關鍵詞：模糊層次分析法;虛擬仿真實驗項目;評價模型

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）25-0275-03

近年來，我國虛擬仿真實驗教學項目的開發(fā)和推廣受到了教育部及各大高校的高度重視。自2017年以來，虛擬仿真實驗項目的應用學科不斷擴大和完善，項目申報數(shù)量逐年攀升，參選高校數(shù)量不斷增長，教育部更是于2019年發(fā)布文件，鼓勵參評“雙萬計劃”的高校加強建設和完善虛擬仿真課程和實驗的進程[1]。在教育部的大力支持下，各高校持續(xù)開發(fā)和推出實驗項目，其弊端也逐漸顯現(xiàn)。如受限于現(xiàn)有技術的制約，仿真實驗無法達到實際實驗的體驗感和參與感，學生機械地跟著計算機程序操作，操作過程中缺乏做實驗所必要的隨機性、任意性及拓展性，其設計、實踐和探索的綜合能力也得不到提高[2]。而目前國內(nèi)外對此缺少一套面向全過程的完備的評價體系，難以針對不同質(zhì)量層次的虛擬實驗項目進行遴選。由此可見，構建一個全面、系統(tǒng)的評價體系是十分必要的。本文基于評價指標體系的構造，建立了綜合評價模型，運用模糊層次分析法和Matlab程序算法求取各指標權重，并通過國家級別的虛擬仿真項目進行實例驗證，獲得有效的評價模型體系。該體系可以作為虛擬仿真實驗項目評價的遴選的重要依據(jù)，同時也可以為高質(zhì)量項目的開發(fā)提供指導。

1高校虛擬仿真實驗教學項目遴選指標體系構建

1.1指標體系建立的原則

虛擬仿真實驗教學既擁有網(wǎng)絡教學的特征和屬性，又包含傳統(tǒng)實驗所需的要素，在對其進行評價時，既要考慮實驗設計的合理性與完備性，同時也要兼顧IT技術與傳統(tǒng)教學實驗的整合，充分考慮技術支持在虛擬現(xiàn)實應用中的作用[3]。因此對國家虛擬仿真實驗教學項目的評價應始終堅持遵守全面性、科學性、可操作性三個原則。

（1）全面性原則

評價項目的各級指標應該能夠反映總體目標的一個點或一個面，全方位多維度的對項目進行剖析分解，尊重不同項目的學科特征和實驗屬性，推動評價指標多元化，做到全面地反映出整個項目的整體質(zhì)量。

（2）科學性原則

評價指標體系中的眾多指標需遵循物理方面的獨立性和邏輯方面的重疊性。既要有科學理論的支撐，又要遵循統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分類要求，相互之間不會產(chǎn)生矛盾和沖突，也不會重復或贅述。科學性原則要求指標體系客觀、真實、公正地評價申報項目。

（3）可操作性原則

評價指標體系應表述清晰，措辭準確，在實驗教學過程中可以操作、便于操作，其評價結果應能夠真實地反映出虛擬仿真實驗教學的成果。因此各個評價指標應該具有可定義、可觀測的特性[4]。

1.2綜合評價模型及指標體系的建立

高質(zhì)量的實驗教學項目應當聯(lián)通相關數(shù)據(jù)接口，以實際應用為驅動，契合教學規(guī)律，體現(xiàn)實驗訓練的核心要素以滿足實驗教學需求;其次，實驗教學內(nèi)容需要具備顯著原創(chuàng)性和創(chuàng)新性，導入真實數(shù)據(jù)資源，提供大規(guī)模的開放共享機制，實現(xiàn)資源和項目共享;最后，虛擬實驗項目應當在高校、區(qū)域、業(yè)內(nèi)具有一定的示范性和認可度，輻射帶動范圍較廣。

基于此，本研究以“目標—一級指標—二級指標”為指標體系框架，運用現(xiàn)代教育評價理論與方法，遵循全面、科學、可操作的原則，提出虛擬仿真實驗進行教學活動項目管理質(zhì)量評定的5個維度：基礎條件、創(chuàng)新與特色、項目建設、團隊建設和條件保障，如下表1所示。

2模糊層次分析法

模糊層次分析法（FAHP）是一種將層次分析法（AHP）和模糊數(shù)學法的基礎理論和核心概念優(yōu)勢整合形成的綜合分析方法。20世紀70年代初，美國運籌學家T.L.Saaty教授將層次分析法（AHP）闡釋為一種定性和定量的系統(tǒng)分析方法，它依據(jù)關聯(lián)和隸屬關系建立了層次模型，在每個層次上比較各個因素，確定對象的相對重要性，然后判斷一致性[5]。模糊層次分析法（FAHP）整合了模糊數(shù)學法和層次分析法的長處，可以彌補層次分析法一致性判斷的不合理性和難以糾正的缺陷。

模糊層次分析法（FAHP）的基本思想是依據(jù)多層次研究分析問題，確定問題本質(zhì)，將總目標分析為若干子目標，對問題自身進行剖析探討，從而形成自底向上的遞階層次結構。

3高校虛擬仿真實驗教學項目評價模型構建

3.1構建模糊互補判斷矩陣

將多因素權重的綜合判斷轉化為各因素的“兩兩比較”，并通過因子間重要性的定量比較，得到模糊互補判斷矩陣[6]。因子之間的定量評價標度方法通常可以采用0.1到0.9的九標度法，如表2所示。

向專家發(fā)放調(diào)查表，通過專家打分量化因子間的重要程度并構造模糊判斷矩陣[F=（fij）n×n]。第l層與第2層之間的矩陣A-B、第2層與第3層之間的矩陣B1-C、B3-C、B4-C、B5-C共5個矩陣。

限于篇幅限制，其余矩陣不再一一展示。

3.2模糊一致判斷矩陣的構建

將模糊互補判斷矩陣轉化為模糊一致判斷矩陣[R=（rij）n×n]。

3.3計算排序向量

在利用模糊一致判斷矩陣計算出各層各因素之間的權重之后，利用方根法

對二級權重指標[ci]向量進行歸一化處理，并利用[wi=k=1nbk×cki]從高向低計算層次各因素對于目標層的相對重要性的排序向量為：