基于仿真技術(shù)的模擬電子技術(shù)課程考試系統(tǒng)

韋忠善, 王力虎, 明　鑫

(1. 廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息工程系, 廣西 南寧　530226；2. 廣西師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 廣西 桂林　541004)

?

基于仿真技術(shù)的模擬電子技術(shù)課程考試系統(tǒng)

韋忠善1, 王力虎2, 明鑫1

(1. 廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息工程系, 廣西 南寧530226；2. 廣西師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 廣西 桂林541004)

基于仿真技術(shù)開發(fā)了開放式模擬電子技術(shù)課程計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng),給出電壓比較器試題開發(fā)實(shí)例。該考試系統(tǒng)包括試題開發(fā)、試卷編輯、考試、題庫和試卷庫等模塊,通過對(duì)電路建模和仿真,獲取電路全部電壓和電流數(shù)據(jù),形成標(biāo)準(zhǔn)答案并自動(dòng)評(píng)分。在模擬電路直流工作點(diǎn)仿真中,采用元器件的直流伴隨模型,用非線性元件線性化并反復(fù)迭代運(yùn)算的方法求解復(fù)雜的電路方程組。該考試系統(tǒng)兼有考試和練習(xí)功能。

電路仿真； 模擬電子技術(shù)； 計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)

1　“模擬電子技術(shù)”考試系統(tǒng)的基本特征

教考分離可以更客觀地評(píng)價(jià)教學(xué)質(zhì)量,并推動(dòng)教學(xué)質(zhì)量的提高[1-3]。計(jì)算機(jī)考試方式可以比較徹底地實(shí)行教考分離,已在各類考試中推廣應(yīng)用[4-7]。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)考試,必須有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)支持,但當(dāng)前的計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)存在明顯不足:一是考試題目為靜態(tài)類型題目,題目?jī)?nèi)容和答案固定；二是題庫題目量不夠多。因此,當(dāng)前的計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)往往不能開放給學(xué)生練習(xí),因?yàn)橐坏╅_放,學(xué)生很容易遍歷所有題目,并記憶所有題目答案。一個(gè)不能開放練習(xí)的考試系統(tǒng),就失去了“以考促學(xué)”功能,成為一個(gè)單純的評(píng)判教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的工具[8-9]。正是這些不足,一定程度上影響了計(jì)算機(jī)考試方式的推廣應(yīng)用。

“模擬電子技術(shù)”是電子信息、通信和電氣類專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程[10-11]。該課程主要培養(yǎng)學(xué)生分析模擬電路的能力,其試題涉及大量電路圖,對(duì)電路圖的編輯、重現(xiàn)需要技術(shù)支持,使得開發(fā)計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)的難度加大。

為了使“模擬電子技術(shù)”課程實(shí)現(xiàn)教考分離,廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院成立了一個(gè)由電子技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)和軟件開發(fā)教學(xué)團(tuán)隊(duì)組成的項(xiàng)目組,開發(fā)了一個(gè)開放式“模擬電子技術(shù)”考試系統(tǒng)。該系統(tǒng)有3個(gè)鮮明的特征:(1)內(nèi)含電路圖編輯模塊,支持電路圖的編輯和重現(xiàn)；(2)采用動(dòng)態(tài)題目,題目的電路圖參數(shù)如元件值、元件擺放方向、輸入電壓、電源電壓等參數(shù)可隨機(jī)變化；(3)系統(tǒng)內(nèi)含電路仿真模塊,運(yùn)行仿真模塊,可計(jì)算電路節(jié)點(diǎn)電位和支路電流,從而獲得不同參數(shù)條件下的試題標(biāo)準(zhǔn)答案,并實(shí)現(xiàn)考試自動(dòng)評(píng)分。對(duì)于一題多變的動(dòng)態(tài)類型題目,學(xué)生只有通過理解而非記憶的方式才能正確答題,因此,所開發(fā)的考試系統(tǒng)完全可以,且應(yīng)該開放給學(xué)生練習(xí)。實(shí)踐表明,對(duì)此“模擬電子技術(shù)”考試系統(tǒng),學(xué)生練習(xí)的積極性有了極大的提高,并且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“模擬電子技術(shù)”計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)主要包括題目開發(fā)模塊、試卷編輯模塊、考試模塊、題庫和試卷庫(見圖1)。題目開發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)題目的電路圖編輯和文本編輯,通過此模塊,可以新建題目,也可以修改題庫已存題目；試卷編輯模塊可以組建新試卷,也可以修改試卷庫已存試卷；考試模塊用來從試卷庫選擇試卷、調(diào)出試題、重現(xiàn)試題、仿真電路和自動(dòng)評(píng)分,是考試系統(tǒng)的核心模塊。

圖1　考試系統(tǒng)組成框圖

考試模塊的功能是從試卷庫選擇試卷,分析試卷包含的題目信息,然后從題庫中讀出每一題目的原始信息,從原始信息提取電路拓樸數(shù)據(jù)、隨機(jī)參數(shù)代碼和題目文本。隨機(jī)參數(shù)代碼和隨機(jī)數(shù)種子送至隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,確定相關(guān)隨機(jī)參數(shù)；電路圖重繪單元利用電路拓樸數(shù)據(jù)和相關(guān)隨機(jī)參數(shù),重新繪制電路；電路仿真單元對(duì)電路仿真,獲取電路的各節(jié)點(diǎn)電位和各支路電流；標(biāo)準(zhǔn)答案提取單元從仿真數(shù)據(jù)中提取出標(biāo)準(zhǔn)答案。從原始信息中提取出題目文本后重新顯示,并由考試(或練習(xí))用戶輸入答案；用戶答案提取單元提取出用戶答案,送至答案比較單元；答案比較單元比對(duì)仿真產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)答案和用戶答案,完成評(píng)分工作(見圖2)。

圖2　考試模塊的組成框圖

學(xué)生練習(xí)時(shí),每一題目的隨機(jī)數(shù)種子由系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)題目的動(dòng)態(tài)變化；進(jìn)行考試時(shí),由教師指定隨機(jī)參數(shù)種子,從而保證每個(gè)學(xué)生的考試題目完全一樣,以保證考試公平性。

3　電路仿真

對(duì)于動(dòng)態(tài)題目,其電路圖的部分參數(shù)可以隨機(jī)變化,題目的標(biāo)準(zhǔn)答案也同步變化。為了獲取標(biāo)準(zhǔn)答案,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)分功能,開發(fā)了電路仿真單元。電路仿真單元對(duì)電路直流工作點(diǎn)仿真,獲取電路的各節(jié)點(diǎn)電位和各支路電流,最后形成標(biāo)準(zhǔn)答案。

模擬電路直流工作點(diǎn)的仿真主要是建立電路方程組和解電路方程組。由于模擬電路含有二極管、三極管等非線性元器件,電路方程為非線性方程,導(dǎo)致建方程和解方程都比較復(fù)雜。解決這一問題的思路是用元器件的直流伴隨模型,將非線性元件進(jìn)行線性化,再建線性電路方程組和解電路方程組,通過反復(fù)迭代運(yùn)算,最后獲得電路方程組的數(shù)值解[12-14]。具體電路仿真流程如圖3所示。

4　應(yīng)用實(shí)例

4.1試題開發(fā)

以電壓比較器考試題為例,題目開發(fā)界面如圖4所示。圖4中,左邊為電路圖編輯區(qū),右邊為題目文本編輯區(qū)。在電路圖編輯區(qū),通過增添、移動(dòng)和編輯元件,增添連接線,繪制出所需電路圖；在題目文本編輯區(qū),輸入的文本包括“題目”和“可變參數(shù)”兩部分。“題目”部分考試時(shí)對(duì)用戶可視,并由用戶在對(duì)應(yīng)括號(hào)里輸入答案；“可變參數(shù)”部分對(duì)用戶不可視,其內(nèi)容為參數(shù)變化代碼行,每行描述一個(gè)參數(shù)的隨機(jī)變化范圍或方式。

圖4　題目開發(fā)界面

本例的“題目”為:設(shè)U1為理想運(yùn)放,D1的導(dǎo)通電壓為2 V,在當(dāng)前的輸入電壓下,可知:

(1) A點(diǎn)電壓為( VA )V；

(2) B點(diǎn)電壓為( VB )V；

(3) D1電流為( ID1 )mA。

括號(hào)內(nèi)的“VA”、“VB”和“ID1”為標(biāo)準(zhǔn)答案變量。標(biāo)準(zhǔn)答案單元從仿真數(shù)據(jù)中提取出與標(biāo)準(zhǔn)答案變量對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),作為標(biāo)準(zhǔn)答案,用以自動(dòng)評(píng)分。在“題目”重現(xiàn)時(shí),須將括號(hào)內(nèi)的答案變量提取出,再由用戶輸入答案。

本例,“可變參數(shù)”有4行代碼:

R1=Sel(1-4)

R3=Sel(1,2,5)

Vi1=Sel(0-4)+Sel(1-9)/10

D1!

它們分別描述電路圖的R1、R3、Vi1和D1的變化規(guī)律。如“R1=Sel(1-4)”限定R1值為1～4的隨機(jī)整數(shù),“R3=Sel(1,2,5)”限定R3值從1、2、5中隨機(jī)選擇,“D1!”要求D1隨機(jī)擺放方向,要么保持原方向,要么反方向。

4.2練習(xí)

在練習(xí)模式,用戶可以選擇題目進(jìn)行練習(xí)。讀取系統(tǒng)時(shí)鐘作為隨機(jī)數(shù)種子,實(shí)現(xiàn)題目的部分參數(shù)動(dòng)態(tài)變化。以上述電壓比較器試題為例,當(dāng)用戶打開試題時(shí)顯示的電路如圖5所示,顯然,電路與題目開發(fā)時(shí)存儲(chǔ)的電路存在差異,如電阻R1由1 kΩ變?yōu)? kΩ,電阻R3由1 kΩ變?yōu)? kΩ,輸入電壓Vi1由0.5 V變?yōu)?.6 V,發(fā)光二極管D1擺放方向相反。

圖5　練習(xí)界面實(shí)例

用戶可在右邊題目的對(duì)應(yīng)括號(hào)內(nèi)輸入答案,然后點(diǎn)“答案提交”提交答案。系統(tǒng)接收到用戶提交答案的指令后,從題目的括號(hào)內(nèi)提取出用戶答案,與系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)電路仿真產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)答案比對(duì),最后提示用戶答案是否正確,若不正確,給出標(biāo)準(zhǔn)答案。用戶可以點(diǎn)“改變參數(shù)”,讓系統(tǒng)產(chǎn)生另一組隨機(jī)參數(shù),繼續(xù)練習(xí)同一題目。

用戶也可以通過點(diǎn)擊“正確答案”,讓系統(tǒng)直接顯示標(biāo)準(zhǔn)答案。以圖5為例,點(diǎn)擊“正確答案”后,右邊題目的括號(hào)內(nèi)顯示出電路仿真后產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)答案；在左邊電路圖,發(fā)光二極D1呈現(xiàn)發(fā)光狀,并用箭頭顯示各支路的電流方向。若移動(dòng)鼠標(biāo)接近任一元件引腳或連接線,會(huì)顯示對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)電壓值和支路電流值。

4.3考試

與一般考試系統(tǒng)相同的是,本考試系統(tǒng)試卷的題目固定；與一般考試系統(tǒng)不同的是,每一題目具有“一題多變”的特征,從而使得每份試卷也具有“一卷多變”的特征。

考試時(shí),由教師指定隨機(jī)數(shù)種子,目的是使試卷具體化,并使學(xué)生的考題完全一樣,以保證考試公平性。

例如試題:要求計(jì)算A點(diǎn)電位和二極管D1電流,若指定隨機(jī)數(shù)種子分別為18和134,產(chǎn)生電路分別如圖6、圖7所示。

圖6　隨機(jī)數(shù)種子=18的對(duì)應(yīng)電路

圖7　隨機(jī)數(shù)種子=134的對(duì)應(yīng)電路

用戶考試完成后,系統(tǒng)能自動(dòng)給出考試成績(jī),并能給出每一題目的標(biāo)準(zhǔn)答案和得分。

5　結(jié)語

作為一線教師,筆者認(rèn)為教考分離、考試和練習(xí)內(nèi)容統(tǒng)一和公開,方能達(dá)到以考促教、以考促學(xué)、提高教學(xué)成效的目的。所開發(fā)的“模擬電子技術(shù)”計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)經(jīng)多所學(xué)校試用,得到很好的評(píng)價(jià)。項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)正在努力完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)、充實(shí)題庫,爭(zhēng)取練習(xí)系統(tǒng)早日得以推廣應(yīng)用。

References)

[1] 喬晶,胡兵.高校實(shí)施教考分離的思考[J].中國電力教育,2011(34):58-59.

[2] 王革思.“模擬電子技術(shù)”課程開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(8):170-173.

[3] 劉艷,朱昌平,宋鳳琴,等.模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(2):110-112.

[4] 晏湧.多媒體技術(shù)在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(10):163-164.

[5] 胡云,徐波,于云程.高職院校專業(yè)課程教考分離評(píng)價(jià)模式探究[J].職教通訊,2014(36):69-70.

[6] 劉云萍.無紙化考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].太原師范學(xué)院學(xué)報(bào),2012(3):86-89.

[7] 齊萬華,趙政文.基于蟻群算法思想的智能考試系統(tǒng)模型研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2013(3):775-778.

[8] 王劍輝,楊姝,鄭云霄.高師教育技術(shù)學(xué)專業(yè)考試系統(tǒng)的研究[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013(3):413-416.

[9] 郭文龍.基于SSH在線考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長(zhǎng)春師范大學(xué)學(xué)報(bào),2014(6):71-74.

[10] 周鶴婷.網(wǎng)絡(luò)在線考試系統(tǒng)在教學(xué)管理效能提升中的應(yīng)用探索[J].中國校外教育,2014(5):189.

[11] 王波,張巖,王美玲,等.“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程的改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(4):140-143.

[12] 韋忠善,明鑫,朱海燕.參數(shù)隨機(jī)變化的模擬電子技術(shù)練習(xí)系統(tǒng)開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(7):79-83.

[13] 朱海燕,韋忠善.模擬電路的計(jì)算機(jī)仿真軟件開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,22(1):291-293.

[14] 楊華中,羅嶸.電子電路的計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

An analog electronic technology test system based on simulation technology

Wei Zhongshan1, Wang Lihu2, Ming Xin1

(1. Department of Computer and Electronic Information Engineering, Guangxi Vocational and Technical College, Nanning 530226, China; 2.College of Physical Science and Technology, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China)

For the traditional test system is not open, this article develops an open analog electronic technology test system. The new test system uses dynamic type questions, by modeling and simulation for circuit, get all voltage and current data , and to get standard answers, finally realize the automatic scoring function. Practice shows that the open analog electronic technology test system can meet the examination and practice function at the same time, and has higher application value.

circuit simulation; analog electronic technology; test system

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.032

2015- 09- 07

廣西教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(YB2014486)

韋忠善(1972—),男,廣西橫縣,碩士,副教授,電子技術(shù)教研室主任,主要從事電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)教學(xué)與研究.

TP311

A

1002-4956(2016)3- 0127- 03