基于仿真技术的模拟电子技术课程考试系统

韦忠善, 王力虎, 明　鑫

(1. 广西职业技术学院 计算机与电子信息工程系, 广西 南宁　530226；2. 广西师范大学 物理科学与技术学院, 广西 桂林　541004)



基于仿真技术的模拟电子技术课程考试系统

韦忠善1, 王力虎2, 明鑫1

(1. 广西职业技术学院 计算机与电子信息工程系, 广西 南宁530226；2. 广西师范大学 物理科学与技术学院, 广西 桂林541004)

基于仿真技术开发了开放式模拟电子技术课程计算机考试系统,给出电压比较器试题开发实例。该考试系统包括试题开发、试卷编辑、考试、题库和试卷库等模块,通过对电路建模和仿真,获取电路全部电压和电流数据,形成标准答案并自动评分。在模拟电路直流工作点仿真中,采用元器件的直流伴随模型,用非线性元件线性化并反复迭代运算的方法求解复杂的电路方程组。该考试系统兼有考试和练习功能。

电路仿真； 模拟电子技术； 计算机考试系统

1　“模拟电子技术”考试系统的基本特征

教考分离可以更客观地评价教学质量,并推动教学质量的提高[1-3]。计算机考试方式可以比较彻底地实行教考分离,已在各类考试中推广应用[4-7]。实现计算机考试,必须有相应的计算机考试系统支持,但当前的计算机考试系统存在明显不足:一是考试题目为静态类型题目,题目内容和答案固定；二是题库题目量不够多。因此,当前的计算机考试系统往往不能开放给学生练习,因为一旦开放,学生很容易遍历所有题目,并记忆所有题目答案。一个不能开放练习的考试系统,就失去了“以考促学”功能,成为一个单纯的评判教师教学质量和学生学习成绩的工具[8-9]。正是这些不足,一定程度上影响了计算机考试方式的推广应用。

“模拟电子技术”是电子信息、通信和电气类专业重要的技术基础课程[10-11]。该课程主要培养学生分析模拟电路的能力,其试题涉及大量电路图,对电路图的编辑、重现需要技术支持,使得开发计算机考试系统的难度加大。

为了使“模拟电子技术”课程实现教考分离,广西职业技术学院成立了一个由电子技术教学团队和软件开发教学团队组成的项目组,开发了一个开放式“模拟电子技术”考试系统。该系统有3个鲜明的特征:(1)内含电路图编辑模块,支持电路图的编辑和重现；(2)采用动态题目,题目的电路图参数如元件值、元件摆放方向、输入电压、电源电压等参数可随机变化；(3)系统内含电路仿真模块,运行仿真模块,可计算电路节点电位和支路电流,从而获得不同参数条件下的试题标准答案,并实现考试自动评分。对于一题多变的动态类型题目,学生只有通过理解而非记忆的方式才能正确答题,因此,所开发的考试系统完全可以,且应该开放给学生练习。实践表明,对此“模拟电子技术”考试系统,学生练习的积极性有了极大的提高,并且提高了学生的学习成绩。

2　系统设计

“模拟电子技术”计算机考试系统主要包括题目开发模块、试卷编辑模块、考试模块、题库和试卷库(见图1)。题目开发模块实现题目的电路图编辑和文本编辑,通过此模块,可以新建题目,也可以修改题库已存题目；试卷编辑模块可以组建新试卷,也可以修改试卷库已存试卷；考试模块用来从试卷库选择试卷、调出试题、重现试题、仿真电路和自动评分,是考试系统的核心模块。

图1　考试系统组成框图

考试模块的功能是从试卷库选择试卷,分析试卷包含的题目信息,然后从题库中读出每一题目的原始信息,从原始信息提取电路拓朴数据、随机参数代码和题目文本。随机参数代码和随机数种子送至随机数发生器,确定相关随机参数；电路图重绘单元利用电路拓朴数据和相关随机参数,重新绘制电路；电路仿真单元对电路仿真,获取电路的各节点电位和各支路电流；标准答案提取单元从仿真数据中提取出标准答案。从原始信息中提取出题目文本后重新显示,并由考试(或练习)用户输入答案；用户答案提取单元提取出用户答案,送至答案比较单元；答案比较单元比对仿真产生的标准答案和用户答案,完成评分工作(见图2)。

图2　考试模块的组成框图

学生练习时,每一题目的随机数种子由系统时钟产生,实现题目的动态变化；进行考试时,由教师指定随机参数种子,从而保证每个学生的考试题目完全一样,以保证考试公平性。

3　电路仿真

对于动态题目,其电路图的部分参数可以随机变化,题目的标准答案也同步变化。为了获取标准答案,以实现自动评分功能,开发了电路仿真单元。电路仿真单元对电路直流工作点仿真,获取电路的各节点电位和各支路电流,最后形成标准答案。

模拟电路直流工作点的仿真主要是建立电路方程组和解电路方程组。由于模拟电路含有二极管、三极管等非线性元器件,电路方程为非线性方程,导致建方程和解方程都比较复杂。解决这一问题的思路是用元器件的直流伴随模型,将非线性元件进行线性化,再建线性电路方程组和解电路方程组,通过反复迭代运算,最后获得电路方程组的数值解[12-14]。具体电路仿真流程如图3所示。

4　应用实例

4.1试题开发

以电压比较器考试题为例,题目开发界面如图4所示。图4中,左边为电路图编辑区,右边为题目文本编辑区。在电路图编辑区,通过增添、移动和编辑元件,增添连接线,绘制出所需电路图；在题目文本编辑区,输入的文本包括“题目”和“可变参数”两部分。“题目”部分考试时对用户可视,并由用户在对应括号里输入答案；“可变参数”部分对用户不可视,其内容为参数变化代码行,每行描述一个参数的随机变化范围或方式。

图4　题目开发界面

本例的“题目”为:设U1为理想运放,D1的导通电压为2 V,在当前的输入电压下,可知:

(1) A点电压为( VA )V；

(2) B点电压为( VB )V；

(3) D1电流为( ID1 )mA。

括号内的“VA”、“VB”和“ID1”为标准答案变量。标准答案单元从仿真数据中提取出与标准答案变量对应的数据,作为标准答案,用以自动评分。在“题目”重现时,须将括号内的答案变量提取出,再由用户输入答案。

本例,“可变参数”有4行代码:

R1=Sel(1-4)

R3=Sel(1,2,5)

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

D1!

它们分别描述电路图的R1、R3、Vi1和D1的变化规律。如“R1=Sel(1-4)”限定R1值为1～4的随机整数,“R3=Sel(1,2,5)”限定R3值从1、2、5中随机选择,“D1!”要求D1随机摆放方向,要么保持原方向,要么反方向。

4.2练习

在练习模式,用户可以选择题目进行练习。读取系统时钟作为随机数种子,实现题目的部分参数动态变化。以上述电压比较器试题为例,当用户打开试题时显示的电路如图5所示,显然,电路与题目开发时存储的电路存在差异,如电阻R1由1 kΩ变为3 kΩ,电阻R3由1 kΩ变为5 kΩ,输入电压Vi1由0.5 V变为0.6 V,发光二极管D1摆放方向相反。

图5　练习界面实例

用户可在右边题目的对应括号内输入答案,然后点“答案提交”提交答案。系统接收到用户提交答案的指令后,从题目的括号内提取出用户答案,与系统内部经电路仿真产生的标准答案比对,最后提示用户答案是否正确,若不正确,给出标准答案。用户可以点“改变参数”,让系统产生另一组随机参数,继续练习同一题目。

用户也可以通过点击“正确答案”,让系统直接显示标准答案。以图5为例,点击“正确答案”后,右边题目的括号内显示出电路仿真后产生的标准答案；在左边电路图,发光二极D1呈现发光状,并用箭头显示各支路的电流方向。若移动鼠标接近任一元件引脚或连接线,会显示对应节点电压值和支路电流值。

4.3考试

与一般考试系统相同的是,本考试系统试卷的题目固定；与一般考试系统不同的是,每一题目具有“一题多变”的特征,从而使得每份试卷也具有“一卷多变”的特征。

考试时,由教师指定随机数种子,目的是使试卷具体化,并使学生的考题完全一样,以保证考试公平性。

例如试题:要求计算A点电位和二极管D1电流,若指定随机数种子分别为18和134,产生电路分别如图6、图7所示。

图6　随机数种子=18的对应电路

图7　随机数种子=134的对应电路

用户考试完成后,系统能自动给出考试成绩,并能给出每一题目的标准答案和得分。

5　结语

作为一线教师,笔者认为教考分离、考试和练习内容统一和公开,方能达到以考促教、以考促学、提高教学成效的目的。所开发的“模拟电子技术”计算机考试系统经多所学校试用,得到很好的评价。项目组团队正在努力完善系统设计、充实题库,争取练习系统早日得以推广应用。

References)

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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

广西教育厅科学研究基金项目(YB2014486)

韦忠善(1972—),男,广西横县,硕士,副教授,电子技术教研室主任,主要从事电子技术、计算机仿真技术教学与研究.

TP311

A

1002-4956(2016)3- 0127- 03