增強隨機效果的物理實驗操作考試抽簽系統

王道光, 李亞利, 王 群

(江蘇師范大學 物理與電子工程學院, 江蘇 徐州 221116)

增強隨機效果的物理實驗操作考試抽簽系統

王道光, 李亞利, 王 群

(江蘇師范大學 物理與電子工程學院, 江蘇 徐州 221116)

對大學物理實驗操作考試的抽簽系統進行改進,提出了以學生為參與主體且簡單易操作的物理實驗操作考試的抽簽方法。改進的考試抽簽系統從Excel表格中讀取操作考試項目及學生的信息,基于Matlab的GUI提問對話框和消息對話框與學生實現互動,增強了抽簽結果的隨機性。給出了隨機抽簽系統的基本框架和主要實現程序代碼。該方法也適用于其他理科實驗操作考試抽簽過程。

物理實驗;操作考試; Matlab應用

1 實驗操作考試抽簽方式比較

實驗操作考試是大學物理實驗多元化教學的一個重要環節,對檢測和評價學生的學習效果具有特殊作用[1-4]。通過操作考試,能夠讓教師客觀地了解學生的真實水平及學習中的不足[5-8],有利于教師進一步改進教學方法,提高實驗教學質量[9],促進對學生能力的培養[10-12]。

江蘇師范大學的物理實驗課程包括大學物理實驗、普通物理實驗和光學專業實驗,其中大學物理實驗課程面向全校理工科本科生開課,24～32學時不等(根據專業),平均每學期講授實驗10～14個,上課學生約1 500人,教學任務繁重。

為檢驗實驗教學效果,系統性地組織一次物理實驗操作考試是非常有必要的。實驗操作考試的項目抽簽過程是隨機過程,學生對實驗項目的抽簽存在心理上的選擇性,易接受簡單的實驗操作考試項目。例如大學物理實驗中牛頓環及劈尖干涉、單縫衍射和分光計實驗這3個光學實驗操作考試,學生樂于接受牛頓環及劈尖干涉實驗。要平衡學生心理的感受,一方面應改進抽簽流程,使得抽簽隨機性更強,另一方面需統一實驗之間的評價標準,做到評分一致[8]。

實驗操作考試的抽簽方法主要有手工抽簽、計算機抽簽和硬件抽簽3種方式。

手工抽簽需要事先準備考試項目及儀器,并建立抽簽池,學生隨機抽取一個實驗項目,由教師按照抽簽結果將各項目學生名單送達各實驗項目的考場。

計算機抽簽是由計算機產生抽簽結果,例如文獻[6]提出的在Excel中應用VBA抽簽方法。

硬件抽簽是以單片機等硬件直接完成抽簽。例如文獻[7]提出的以STC89C52單片機為核心的順序抽簽方法。

手工抽簽的方法能讓學生參與到抽簽過程中,但至少需要兩位教師來操作,并且需要花費較多時間；計算機抽簽簡單省時,但它忽視了學生作為考試的主體參抽簽的權利,引起學生對結果的疑慮；硬件抽簽主要以學生為主體,但硬件設計較復雜且項目名單依賴手動記錄。合理的操作考試抽簽,應當由學生親自動手,能夠簡單、快捷、自動地生成各實驗項目的學生名單。最好能優化抽簽流程,增強隨機效果。

本文以江蘇師范大學2016年秋季大學物理實驗I(二)操作考試為例,以學生為抽簽主體,嘗試在Matlab環境下改進物理實驗操作考試抽簽系統,增強抽簽的隨機效果。

2 隨機抽簽系統的框架

2.1 設置考試系統的參數

首先,需要從預先準備好的Excel表格sheet1和sheet2中讀取操作考試項目及學生的信息,如圖1和圖2所示,其代碼如下：

[a,b,rawdata] = xlsread(′D:Stulist.xlsx′,′sheet1′); [a1,b1,rawdata1] = xlsread(′D:Stulist.xlsx′,′sheet2′)。

圖1 操作考試項目列表

圖2 參加考試學生名單

讀取數據后,統計實驗操作考試項目名稱、數量及學生人數。例如2016—2017年秋季學期,考試項目有聲速測定、黏度系數的測定、單縫衍射實驗、霍爾效應、電子示波器實驗、薄透鏡焦距實驗、邁克爾孫干涉儀實驗、牛頓環及劈尖干涉實驗、分光計測折射率實驗和磁滯回線的測定等10個實驗。

[n,m] = size(a); [n1,m1] = size(a1); for ia=1:n expnum(ia)=a(ia,3); end sumexp=sum(expnum)。

然后,統計儀器數目,判斷是否滿足考試需求,不滿足則退出程序。

if sumexp < n1 msgbox(′學生人數超過儀器總數,退出！′,′提示信息′,′help′,′modal′);

break;

end

2.2 制作抽簽過程界面

抽簽過程中,要通過Matlab的GUI提問對話框和消息對話框與學生互動。實現抽簽過程界面的程序如下：

namei=rawdata1{i+1,3}; straa=strcat(namei,′,你確定抽簽嗎？′); button2=questdlg(straa,′退出程序′,′Yes′,′No′,′Yes′)。

接著學生開始抽簽,在彈出的消息對話框中顯示該學生抽簽結果,代碼如下。

if strcmp(button2,′Yes′) tep=stuexp(i); name1=rawdata{tep+2,2}; str1=[namei,′,你選中的實驗是:′,name1]; h=msgbox(str1); %消息的位置 set(h,′Resize′,′on′); set(h,′Position′,[100 400 300 200]); %字體的大小 ah = get( h,′CurrentAxes′ ); ch = get( ah,′Children′ ); set( ch,′FontSize′,20 ); pause(3); close(h); else continue; end

2.3 統計抽簽結果

抽簽結果出來后,可以通過元胞變量直接將該學生姓名累加到對應實驗項目數組中。

if tep == 1 it1=it1+1; shy1{it1}=cellstr(namei); elseif tep == 2 … else shy10{it10}= cellstr(namei); end

這樣,在完成抽簽后,可以在新建立的文件中保存各實驗項目抽簽得到的學生名單。

2.4 抽簽過程的隨機化

以往的抽簽,大多通過一次隨機化賦值就完成了抽簽。為了增強隨機效果,筆者在抽簽環節使用了動態隨機抽簽,即每個學生抽簽后,相應實驗項目儀器數量減一臺,并重新隨機改變剩余實驗項目在抽簽池的排序,供下一個學生抽簽,其代碼如下：

csum=cumsum(expnum); for j1=1:nn if j1==1 ma=1; else ma=csum(j1-1)+1; end mb=csum(j1); da(ma:mb,1)=j1; end %% 生成考試學生的隨機數 temp=rand(sumexp,1); da(:,2)=temp; daa=sortrows(da,2); stuexp=daa(:,1);

比較文獻[6]提出的方法,本抽簽系統的抽樣過程可進一步增強隨機性。均勻抽樣的計算機應用[13]實踐表明,在樣本數目很大時抽樣較為均勻,但靠后抽簽的學生會漸失隨機性。

3 抽簽系統操作流程

通過流程圖(見圖3)可以展示該抽簽系統的操作過程。在Matlab主界面設置工作目錄為執行代碼(即.m文件)所在文件夾后,執行代碼并開始抽簽。系統根據讀取的數據來判斷現有的儀器能否滿足考試要求。如果滿足要求,則顯示提問對話框,提示學生輸入姓名并確定是否參加抽簽和考試。如果不確定考試,則由下一位學生抽簽。如果抽簽學生確定考試,則執行抽簽程序并顯示抽簽結果,并將學生姓名記錄到對應的考試項目中。如果系統判斷抽簽沒有完成,則重建抽簽池,刪除已經完成的標簽,由下一位學生繼續抽簽；如果抽簽完成,則輸出考試項目及對應的學生名單。圖4所示為某次實驗操作考試的抽簽結果。

圖3 操作考試抽簽程序的流程圖

圖4 某次實驗操作考試的抽簽結果

4 結語

增強了隨機效果的物理實驗操作考試抽簽系統單機版在大學物理實驗操作考試中多次被應用,且運行良好、簡單、高效,增強了抽簽結果的隨機性,一定程度上解決了純粹計算機抽簽的可信度問題,體現了考試抽簽的公開和公平。在實踐中,這種方法尚存在程序的執行沒有脫離Matlab的環境、抽簽過程中需要學生按照事先準備的名單排隊等問題。為此,基于Andriod系統的網絡版已在考慮和設計之中。

References)

[1] 張春平,初建崇,胡慧.大學物理實驗多元化考核方式的探索[J].實驗技術與管理,2015,32(4):223-225.

[2] 李林,施蕓城,鐘宏杰.物理實驗課不同考核方式的改革與實踐:操作考試的積極效應最為明顯[J].大學物理,2010,29(2):43-46.

[3] 秦昌明,李欣則.實驗操作考試環節的管理與監控[J].實驗技術與管理,2010,27(5):151-153.

[4] 周厚兵,趙子珍,陳倩.大學物理實驗教學模式的探索與研究[J].廣西物理,2015,36(3):52-54.

[5] 吳肖,熊建文.基于工作單和觀察評價的大學物理實驗操作考試[J].實驗室研究與探索,2012,31(2):141-143.

[6] 齊云,周云旭,馬欣,等.Excel隨機抽簽系統在物理實驗操作考試中的應用[J].物理實驗,2015,35(1):15-17.

[7] 石蕊,梁曄.畢業論文答辯順序抽簽器的設計與實現[J].信息通信,2016(3):110-111.

[8] 滕利明,吳嘉,楊國成,等.基于面向對象方法的實驗操作考核評分系統[J].實驗室研究與探索,2004,23(2):63-65.

[9] 鄧世昕.加強管理健全制度 提高實驗教學質量[J].大學物理實驗,1997,10(1):67-68.

[10] 張鳳俊.高校考試改革與學生創新能力培養[J].教育理論與實踐,2004,24(4):57-58.

[11] 何永凡,周紅,周曉兵,等.利用大學物理實驗平臺培養學生實踐創新能力[J].實驗技術與管理,2016,33(6):180-183.

[12] 侯新東,李繼紅.優化生物化學實驗教學體系 培養創新人才[J].高師理科學刊,2015,35(3):98-101.

[13] 張潤楚,王兆軍.關于計算機試驗的設計理論和數據分析[J].應用概率統計,1994,10(4):420-436.

Examination drawing system of physics experimental operation by enhancing random effect

Wang Daoguang, Li Yali, Wang Qun

(School of Physics and Electronic Engineering,Jiangsu Normal University,Xuzhou 221116,China)

The examination drawing system of college physics experimental operation is improved and an easy drawing method which takes the students as the main participants is proposed for such examination. The improved examination drawing system reads the examination items and students’ information from the Excel table. The GUI question dialog box based on Matlab and the message box can achieve the interactions with the students,enhancing the randomness of the drawing results. The basic frame and the main program code of the random drawing system are presented. This method can also be applied to the drawing process of other science and engineering experimental operation examinations.

physics experiment; operation examination; Matlab application

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.036

2017-01-17

江蘇省現代教育技術研究課題(2014-R-24178)；江蘇省高校自然科學基金一般項目(16KJB180007) ；江蘇師范大學實驗室與設備管理處研究課題

王道光(1983—),男,江蘇宿豫,碩士,實驗師,主要研究方向為大學物理實驗教學及實驗儀器.

TP319.TP391.13

A

1002-4956(2017)07-0141-03