calculus-homework-assignment - 高等数学智能作业布置Skill

概述

基于学生能力画像的智能作业布置系统，专门针对高等数学课程设计。支持自适应作业生成、分层难度设计、多模态题目组装和定时发布。

核心功能

1. 自适应作业生成

根据学生历史表现和知识点掌握度，智能生成个性化作业：

• 能力画像分析：评估学生概念理解、计算能力、逻辑推理三大维度
• 难度自适应：动态调整基础/提高/拓展题目比例
• 知识点覆盖：确保教学进度的全面覆盖

2. 多模态题目支持

• LaTeX公式：完美支持高等数学公式编辑
• GeoGebra交互：嵌入几何可视化题目
• 图像题目：支持图表、函数图像
• 语音讲解：为复杂题目提供语音提示

3. 智能工作流

学生能力分析 → 知识点匹配 → 题目筛选 → 难度调整 → 作业组装 → 发布

工具定义

generate_adaptive_homework

基于学生能力画像生成自适应作业

参数：

• topic (string): 知识点主题，如"定积分应用"、"多元函数微分"
• difficulty_distribution (array): 难度分布，如[40, 40, 20]表示基础40%、提高40%、拓展20%
• student_level (string): 学生水平，可选"初级"、"中等"、"高级"或具体分数段
• estimated_time (number): 预计完成时间（分钟）
• question_count (number): 题目数量，默认10题

返回：

{
  "homework_id": "hw_20260416_001",
  "topic": "定积分应用",
  "questions": [
    {
      "id": "q1",
      "type": "calculation",
      "difficulty": "基础",
      "content": "计算∫₀¹ x² dx",
      "latex": "\\int_0^1 x^2 dx",
      "estimated_time": 5
    }
  ],
  "total_time": 60,
  "difficulty_summary": {
    "basic": 4,
    "intermediate": 4, 
    "advanced": 2
  }
}

schedule_release

定时发布作业并设置提醒

参数：

• release_time (string): 发布时间，ISO格式"2026-04-16T18:00:00"
• deadline (string): 截止时间，ISO格式"2026-04-17T23:59:00"
• reminder_hours (number): 提前提醒小时数，默认2小时
• class_id (string): 班级ID
• batch_release (boolean): 是否分批发布

返回：

{
  "schedule_id": "sch_001",
  "release_time": "2026-04-16T18:00:00",
  "deadline": "2026-04-17T23:59:00",
  "reminder_set": true,
  "reminder_time": "2026-04-17T21:59:00"
}

analyze_student_profile

分析学生能力画像

参数：

• student_id (string): 学生ID
• history_range (string): 历史数据范围，如"last_month"、"all"
• include_topics (array): 包含的知识点列表

返回：

{
  "student_id": "stu001",
  "overall_level": "中等",
  "dimension_scores": {
    "concept_understanding": 75,
    "computation_ability": 82,
    "logical_reasoning": 68
  },
  "weak_topics": ["微分中值定理", "泰勒公式"],
  "strong_topics": ["导数计算", "不定积分"],
  "recommended_difficulty": [30, 50, 20]
}

使用示例

示例1：生成个性化作业

# 为中等水平学生生成定积分应用作业
openclaw skill calculus-homework-assignment generate_adaptive_homework \
  --topic "定积分应用" \
  --difficulty-distribution "[40,40,20]" \
  --student-level "中等" \
  --estimated-time 60 \
  --question-count 8

示例2：定时发布作业

# 安排作业发布
openclaw skill calculus-homework-assignment schedule_release \
  --release-time "2026-04-16T18:00:00" \
  --deadline "2026-04-17T23:59:00" \
  --reminder-hours 2 \
  --class-id "math2024-01" \
  --batch-release true

示例3：分析学生能力

# 分析学生能力画像
openclaw skill calculus-homework-assignment analyze_student_profile \
  --student-id "stu001" \
  --history-range "last_month" \
  --include-topics "['导数','积分','微分方程']"

配置说明

难度等级定义

difficulty_levels:
  basic:     # 基础题（40%）
    description: "直接应用公式和基本方法"
    example: "计算简单导数或积分"
    
  intermediate:  # 提高题（40%）
    description: "需要多步推导或综合应用"
    example: "应用题、证明题前几步"
    
  advanced:      # 拓展题（20%）
    description: "创新性、开放性题目"
    example: "综合证明、实际建模问题"

知识点库配置

knowledge_topics:
  - id: "derivative"
    name: "导数与微分"
    sub_topics: ["基本求导", "高阶导数", "隐函数求导", "参数方程求导"]
    
  - id: "integral"  
    name: "积分"
    sub_topics: ["不定积分", "定积分", "反常积分", "重积分"]
    
  - id: "series"
    name: "级数"
    sub_topics: ["数项级数", "幂级数", "傅里叶级数"]

与现有Skill集成

调用question-type-generator

# 从题目生成器获取题目
from question_type_generator import generate_math_problem

problem = generate_math_problem(
    topic="定积分",
    difficulty="中等",
    type="calculation"
)

集成calculus-concept-visualizer

# 为题目添加可视化
from calculus_concept_visualizer import create_visualization

visualization = create_visualization(
    concept="定积分的几何意义",
    type="area_under_curve"
)

实现细节

核心算法

class AdaptiveHomeworkGenerator:
    def __init__(self):
        self.question_bank = QuestionBank()
        self.student_analyzer = StudentAnalyzer()
        
    def generate_homework(self, topic, student_profile):
        # 1. 分析学生能力
        ability_scores = self.student_analyzer.analyze(student_profile)
        
        # 2. 确定难度分布
        difficulty_dist = self.calculate_difficulty_distribution(ability_scores)
        
        # 3. 筛选题目
        questions = self.question_bank.filter_questions(
            topic=topic,
            difficulty_dist=difficulty_dist,
            count=10
        )
        
        # 4. 组装作业
        homework = self.assemble_homework(questions, topic)
        
        return homework

多模态支持

class MultimediaQuestion:
    def __init__(self, base_question):
        self.base = base_question
        
    def add_latex(self, latex_content):
        """添加LaTeX公式"""
        self.latex = latex_content
        
    def add_geogebra(self, geogebra_url):
        """添加GeoGebra交互"""
        self.geogebra = geogebra_url
        
    def add_voice_hint(self, hint_text):
        """添加语音提示"""
        self.voice_hint = text_to_speech(hint_text)

测试用例

单元测试

def test_adaptive_homework_generation():
    generator = AdaptiveHomeworkGenerator()
    
    # 测试中等水平学生
    homework = generator.generate_homework(
        topic="定积分应用",
        student_level="中等"
    )
    
    assert len(homework.questions) == 10
    assert homework.difficulty_summary["basic"] == 4
    assert homework.total_time <= 60

集成测试

# 测试完整作业流程
python test_full_workflow.py \
  --student "stu001" \
  --topic "多元函数微分" \
  --output "test_report.json"

部署说明

环境要求

• Python 3.8+
• PostgreSQL 12+
• Redis 6+
• LaTeX编译环境

安装步骤

# 1. 克隆代码
git clone https://github.com/yourrepo/calculus-homework-assignment.git

# 2. 安装依赖
pip install -r requirements.txt

# 3. 配置数据库
python setup_database.py

# 4. 启动服务
python main.py --port 8000

性能优化

缓存策略

• 题目库缓存：Redis缓存常用题目
• 学生画像缓存：内存缓存活跃学生数据
• 作业模板缓存：预生成常用作业模板

并发处理

• 异步题目生成：使用asyncio提高并发
• 批量作业发布：支持同时发布多个班级作业
• 分布式处理：支持多节点部署

版本历史

• v1.0.0 (2026-04-16): 初始版本
• 自适应作业生成
• 多模态题目支持
• 定时发布功能
• 学生能力分析

作者

代国兴 - 高等数学智慧课程系统

许可证

MIT License