CN113393723A - 一种用于电路实验操作考试的智能评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子领域，具体涉及一种用于电路实验操作考试的智能评价装置及方法，该装置包括：实验电路装置、硬件测量系统、数据采集模块以及图像识别系统；所述实验电路装置由正负直流电源、电压表、电流表、开关、至少两个电阻以及导线组成；所述正负直流电源、电压表以及电流表与硬件测量系统连接，直接测量电路参数；所述数据采集系统用于实时采集用户实验操作考试图像；所述图像识别系统根据用户实验操作考试图像以及硬件测量系统采集的参数进行评分，得到用户考试分数；本发明将硬件模块与软件模块相结合，采用深度学习的算法以得到对考生实验操作更精准的判断；操作数据通过与硬件平台通讯测量，能够更准确地测评考生的电路实验信息。
Description
技术领域
本发明属于电子领域，具体涉及一种用于电路实验操作考试的智能评价装置及方法。
背景技术
在基础教育中，实验课程的教学质量向来为素质教育者们所担忧。一些对于中学实验教学现状的研究表明，传统的应试教育极大地禁锢了实验课程的考察和应用，已经引起了国家各界人士和相关部门的广泛关注。在教育部发表的有关素质实验报告中对实验教学也有所要求：“面对新时代对全体国民素养和人才培养的新要求，提高学生科学文化素养势在必行。而提升科学文化素养，离不开实验教学。”可见，实验课的改革创新，实验考察的发展改进已成为目前的教育改革热点。
教育部对实验课程改革越来越重视的背景下，研究其组织形式，大多是一个考室安排多名监考教师，一对一或一对多监考学生的实验操作过程，面对考生现场评价，考生对评价结果认同后签字的模式。许多地区对考生的操作过程全程录像，对成绩有异议的考生，可以通过回看视频再次评价。可见，现有的实验考试过程十分繁琐和复杂，在解放人力的同时如何公平公正地考评学生的实验操作，是现下应思考和探究的目标。
传统的实验考试主要采用多人监考，由教师阅卷评价，不仅耗费人力物力，还容易出现打分标准不一、有失公正的问题。人为监考阅卷的主要问题如下：1.现有考试评价一般由一位评分老师对2名同学同时进行评定，人力评分工作量大，且具有一定误差，降低了评定的准确性。2.主观因素对结果的影响较大，现场评分老师的的评分尺度不同，使评分结果无法做到很好的客观性，减小了实验操作考试的效度和信度，有失公平和公正。3.实验操作过程无详细记录，产生争议时不便处理。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种用于电路实验操作考试的智能评价装置，该装置包括：实验电路装置、硬件测量系统、数据采集模块以及图像识别系统；所述实验电路装置用于制定待测电路；所述实验电路装置与所述硬件测量系统进行连接，通过硬件测量系统测量待测电路的相关参数，将相关参数输入到图像识别系统中；采用数据采集模块对待测电路中的各个连接导线和元器件进行采集，构成待测电路图，将待测电路图输入到图像识别系统中；所述图像识别系统根据输入的待测电路相关参数以及待测电路图对待测电路进行评分，根据评分结果得到用户考试分数。
优选的，实验电路装置中的各个元器件可以根据实验操作要求进行选择连接，得到不同的电路。
优选的，实验电路装置由带有WIFI嵌入式微控制器模块的正负直流电源、有源器件以及无源器件组成；所述有源器件包括电子管、晶体管以及集成电路；所述无源器件包括电阻、电容、电感以及开关；采用导线将带有WIFI嵌入式微控制器模块的正负直流电源、有源器件中的任意器件以及无源器件中的任意器件进行组合连接，形成不同的电路。
优选的，所述硬件测量系统包括：数据采集模块、数据处理模块以及数据传输模块；所述数据采集模块用于获取用户设计的电路的相关参数；所述数据处理模块根据对数据采集模块采集的数据进行处理，得到设计电路的功率；所述数据传输模块用于将数据采集模块采集的相关参数以及数据处理模块得到的功率发送到图像识别系统中。
进一步的，采用硬件测量系统获取待测电路的相关参数的过程包括：
步骤1：启动硬件测量系统，硬件测量系统中的数据采集模块对用户设计的电路中的各个元件进行初始测量，并根据时间节点对各个测量值进行标记；
步骤2：将标记的各个测量值通过WIFI嵌入式微控制器传输给图像识别系统中；
步骤3：设置数据采集传输周期T，在间隔1个周期T后重复步骤1～步骤2；
步骤4：当用户设计的电路已经被采集到足够的数据后停止步骤3，完成数据采集传输过程。
进一步的，数据采集传输周期T为30s。
进一步的，数据采集模块由电压表和电流表组成；获取的相关参数为设计电路的电流和电压；根据无源器件的伏安特性以及电压表和电流表测量的数据求出待测元件的电阻阻值。
优选的，图像采集模块由两个图像采集设备组成，第一图像采集设备用于采集用户考试过程，并将该过程输入到图像识别系统中进行存档；第二图像采集设备用于采集用户在进行电路实验的电路连接图，将采集后的电路连接图输入到图像识别系统中进行评分判断。
一种用于电路实验操作考试的智能评价的方法，该方法包括：采用图像采集设备获取用户进行电路实验操作的电路图、操作过程以及用户电路操作要求；将用户操作过程进行取样，取样的数据包括操作时间和用户操作图，根据用户操作时间对用户的操作速度进行评分，得到效率得分；将用户操作图与规范操作图进行对比，根据对比结果进行评分，流程得分；将获取的电路图输入到图像识别系统中，将获取的电路图与正确的电路图进行对比，根据对比结果，得到答案评分；采用硬件测量系统获取用户连接电路图的相关参数，将获取的相关参数输入到图像识别系统中，将测量的相关参数与图像识别系统中的正确参数进行对比，得到参数得分；将效率得分、流程得分、答案评分以及参数得分进行加权求和，得到最终的用户评分。
优选的，采用图像识别系统对用户进行评分的过程包括：1)效率得分：将用户操作时间与系统设置的时间阈值进行对比，判断在规定时间内是否完成所有电路的连接，按时长反比例计分；2)流程得分的过程包括对用户操作图与规范的用户操作图进行对比，根据操作过程的准确性进行评分，操作过程越规范，获取的分数越高；3)答案评分：将电路图与正确的电路图进行对比，判断电路的连接是否符合给定的正确连接点位置范围，按相对目标距离反比例计分；4)参数得分：将采集的参数与图像识别系统中的正确参数进行对比，若相同，则计分，否则不计分。
优选的，效率得分、流程得分、答案评分以及参数得分的加权比例为3：2：2：3。
本发明的优点：
1、运用硬件模块与软件模块相结合，采用深度学习的算法以得到对考生实验操作更精准的判断。操作数据通过与硬件平台通讯测量，能够更准确地测评考生的电路实验信息。
2、操作过程通过数据采集模块记录分析，使得实验操作的判定有确实的依据，可以更好地应对对考试的争议。各项赋分点通过硬件测量系统与图像识别系统分别进行判断，最后显示在实验平台上，使得对于考生的实验操作评价更加公平公正。
3、本设计灵活的考察方式不仅可以用于所有电路实验，还可以改进于各项不同的实验考试。
附图说明
图1为本发明的实验评价系统结构示意图；
图2为本发明的实验评价系统工作示意图；
图3为本发明的用户答题流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于电路实验操作考试的智能评价装置，该装置包括：实验电路装置、硬件测量系统、数据采集模块以及图像识别系统；所述实验电路装置用于制定待测电路；所述实验电路装置与所述硬件测量系统进行连接，通过硬件测量系统测量待测电路的相关参数，将相关参数输入到图像识别系统中；采用数据采集模块对待测电路中的各个连接导线和元器件进行采集，构成待测电路图，将待测电路图输入到图像识别系统中；所述图像识别系统根据输入的待测电路相关参数以及待测电路图对待测电路进行评分，根据评分结果得到用户考试分数。
实验电路装置由带有WIFI嵌入式微控制器模块的正负直流电源、有源器件以及无源器件组成；所述有源器件包括电子管、晶体管以及集成电路；所述无源器件包括电阻、电容、电感以及开关；采用导线将带有WIFI嵌入式微控制器模块的正负直流电源、有源器件中的任意器件以及无源器件中的任意器件进行组合连接，形成不同的电路。
硬件测量系统包括数据采集模块、数据处理模块以及数据传输模块；所述数据采集模块用于获取用户设计的电路的相关参数；所述数据处理模块根据对数据采集模块采集的数据进行处理，得到设计电路的功率；所述数据传输模块用于将数据采集模块采集的相关参数以及数据处理模块得到的功率发送到图像识别系统中。
采用硬件测量系统获取待测电路的相关参数的过程包括：
步骤1：启动硬件测量系统，硬件测量系统中的数据采集模块对用户设计的电路中的各个元件进行初始测量，并根据时间节点对各个测量值进行标记；
步骤2：将标记的各个测量值通过WIFI嵌入式微控制器传输给图像识别系统中；
步骤3：设置数据采集传输周期T，在间隔1个周期T后重复步骤1～步骤2；
优选的，数据采集传输周期T为30s。
步骤4：当用户设计的电路已经被采集到足够的数据后停止步骤3，完成数据采集传输过程。
数据采集模块由电压表和电流表组成；获取的相关参数为设计电路的电流和电压；根据无源器件的伏安特性以及电压表和电流表测量的数据求出待测元件的电阻阻值。
图像采集模块由两个图像采集设备组成，第一图像采集设备用于采集用户设计电路的过程，并将该过程输入到图像识别系统中进行存档；第二图像采集设备用于采集用户在进行电路实验的电路连接图，将采集后的电路连接图输入到图像识别系统中进行评分判断。
一种中学实验操作考试智能评价装置的具体实施方式，如图1、图2和图3中所示，包括实验电路装置、硬件测量系统和图像识别系统；实验电路装置由正负直流电源、电压表、电流表、开关、数个电阻和导线组成；电阻和导线可与电压表、电流表、直流电源组合成任意电路；正负直流电源、电压表、电流表可与硬件测量系统通讯直接测量电路参数；图像识别系统通过数据采集模块实时采集考生操作图像并对考生实验操作进行评分。基于计算机技术的图像识别系统依靠两个摄像头对考生进行图像数据采集。其中一个摄像头主要记录考生实验操作是否规范，存档于系统中用于有成绩争议时的回放；另一个摄像头记录考生的电路实验连接图，并在考生连接好后进行拍照。考生连接好的电路实验图像通过摄像头传回系统中，使用基于神经网络的图像识别技术分析判断，主要考察考生电路是否连接正确，开关状态是否正确，小灯是否亮起等。硬件测量系统和图像识别系统分别对考生的赋分点打分，并输出考生最后的成绩。
实验电路装置中由多种电路元件组成，可以根据需求进行添加和减少；用户在进行实验操作考试过程中，可根据考试题目的要求进行电路元件的选取和相应的组装。
实验考试智能评价装置还包括智能显示界面，用户可以将自己的信息和填写的答案填写在智能显示界面上，智能评价装置自动录入。
图像识别系统基于深度学习算法完成，经过图像识别系统的处理能准确判断考生所连电路实验图像是否能达到要求，并根据题目赋分点进行评分。
数据采集模块由两个摄像头组成；一摄像头记录考生实验操作是否规范，存档于系统中用于有成绩争议时的回放；另一摄像头记录考生电路实验连接图，并在考生连接好后采集图像。
本发明一种中学实验考试智能评价系统的具体操作过程的实施方式，包括以下步骤：
步骤1，实验箱开机后，在液晶显示屏上，输入学号，记录开始时间，并根据菜单，选择“串联电路实验”。实验开始时，摄像头对考生操作进行全程录像。
步骤2，检查器材，观察电压表指针是否指到零刻度，读出电压表连入电路中的量程和分度值并填写在“串联电路实验”页面的相应问题中。
步骤3，正确连接电路，连接好后，点击“串联电路实验”页面中的“连接完成”按钮。摄像头将对实验电路进行拍照，并传回系统中进行评分。
步骤4，将电压表与灯L1并联，测出它两端的电压并记录，填写在“串联电路实验”页面的相应问题中。
步骤5，将电压表与灯L2并联，测出它两端的电压并记录，填写在“串联电路实验”页面的相应问题中。
步骤6，将电压表并联在L1、L2两端，测出串联电路L1、L2的总电压并记录，填写在“串联电路实验”页面的相应问题中。
步骤7，更换一只小灯泡，重复实验步骤4至6。
步骤8，整理器材，放回原处，摆放整齐。按下“串联电路实验”页面中的“完成”按钮。
步骤9，根据赋分点判断学生得分，记录学号及完成时间。
一种用于电路实验操作考试的智能评价的方法，该方法包括：采用图像采集设备获取用户进行电路实验操作的电路图；将获取的电路图输入到图像识别系统中；采用硬件测量系统获取用户连接电路图的相关参数，将获取的相关参数输入到图像识别系统中；图像识别系统根据电路图和电路图的相关参数进行评分，得到用户考试分数。
一种用于电路实验操作考试的智能评价的方法的具体实施方式，包括：学生在进行实验操作时，在液晶显示屏上输入学号，装置记录开始时间，学生根据考试内容选择相应题目；数据采集模块对学生考试操作进行全程录像；考生按要求连接好电路，并在显示屏上作答考试题目，同时数据采集模块对考生操作全过程进行录像；硬件模块检测电压表、电流表参数，对考生答题内容进行打分；数据采集模块采集考生连接电路图，并由图像识别系统进行打分；智能实验平台对考生答题内容进行综合评分，评分后输出考试最终成绩，并保存考生考试操作录像。
图像识别系统包括：带有WIFI嵌入式微控制器的图传模块，台式计算机，带有人工智能图像识别的软件系统。识别软件系统通过第3条硬件模块预先训练获得不同位置、角度情况时的数据模型。
一种用于电路实验操作考试的智能评价的方法，该方法包括：采用图像采集设备获取用户进行电路实验操作的电路图、操作过程以及用户电路操作要求；将用户操作过程进行取样，取样的数据包括操作时间和用户操作图，根据用户操作时间对用户的操作速度进行评分，得到效率得分；将用户操作图与规范操作图进行对比，根据对比结果进行评分，流程得分；将获取的电路图输入到图像识别系统中，将获取的电路图与正确的电路图进行对比，根据对比结果，得到答案评分；采用硬件测量系统获取用户连接电路图的相关参数，将获取的相关参数输入到图像识别系统中，将测量的相关参数与图像识别系统中的正确参数进行对比，得到参数得分；将效率得分、流程得分、答案评分以及参数得分进行加权求和，得到最终的用户评分。
采用图像识别系统对用户进行评分的过程包括：1)效率得分：将用户操作时间与系统设置的时间阈值进行对比，判断在规定时间内是否完成所有电路的连接，按时长反比例计分；2)流程得分的过程包括对用户操作图与规范的用户操作图进行对比，根据操作过程的准确性进行评分，操作过程越规范，获取的分数越高；3)答案评分：将电路图与正确的电路图进行对比，判断电路的连接是否符合给定的正确连接点位置范围，按相对目标距离反比例计分；4)参数得分：将采集的参数与图像识别系统中的正确参数进行对比，若相同，则计分，否则不计分。
在进行打分的过程中，打分标准由特定的赋分点决定，每个小题的正确答案根据题目提前录入，在考生结束考试的同时考生的打分也完成。
优选的，效率得分、流程得分、答案评分以及参数得分的加权比例为3：2：2：3。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于电路实验操作考试的智能评价装置，其特征在于，该装置包括：实验电路装置、硬件测量系统、图像采集模块以及图像识别系统；所述实验电路装置用于制定待测电路；所述实验电路装置与所述硬件测量系统进行连接，通过硬件测量系统测量待测电路的相关参数，将相关参数输入到图像识别系统中；采用图像采集模块对待测电路中的各个连接导线和元器件进行采集，构成待测电路图，将待测电路图输入到图像识别系统中；所述图像识别系统根据输入的待测电路相关参数以及待测电路图对待测电路进行评分，根据评分结果得到用户考试分数。
2.根据权利要求1所述的一种用于电路实验操作考试的智能评价装置，其特征在于，实验电路装置中的各个元器件可以根据实验操作要求进行选择连接，得到不同的电路。
3.根据权利要求1所述的一种用于电路实验操作考试的智能评价装置，其特征在于，所述实验电路装置由带有WIFI嵌入式微控制器模块的正负直流电源、有源器件以及无源器件组成；所述有源器件包括电子管、晶体管以及集成电路；所述无源器件包括电阻、电容、电感以及开关；采用导线将带有WIFI嵌入式微控制器模块的正负直流电源、有源器件中的任意器件以及无源器件中的任意器件进行组合连接，形成不同的电路。
4.根据权利要求1所述的一种用于电路实验操作考试的智能评价装置，其特征在于，所述硬件测量系统包括数据采集模块、数据处理模块以及数据传输模块；所述数据采集模块用于获取用户设计的电路的相关参数；所述数据处理模块根据对数据采集模块采集的数据进行处理，得到设计电路的功率；所述数据传输模块用于将数据采集模块采集的相关参数以及数据处理模块得到的功率发送到图像识别系统中。
5.根据权利要求4所述的一种用于电路实验操作考试的智能评价装置，其特征在于，采用硬件测量系统获取待测电路的相关参数的过程包括：
步骤1：启动硬件测量系统，硬件测量系统中的数据采集模块对用户设计的电路中的各个元件进行初始测量，并根据时间节点对各个测量值进行标记；
步骤2：将标记的各个测量值通过WIFI嵌入式微控制器传输给图像识别系统中；
步骤3：设置数据采集传输周期T，在间隔1个周期T后重复步骤1～步骤2；
步骤4：当用户设计的电路已经被采集到足够的数据后停止步骤3，完成数据采集传输过程。
6.根据权利要求5所述的一种用于电路实验操作考试的智能评价装置，其特征在于，数据采集模块由电压表和电流表组成；获取的相关参数为设计电路的电流和电压；根据无源器件的伏安特性以及电压表和电流表测量的数据求出待测元件的电阻阻值。
7.根据权利要求1所述的一种用于电路实验操作考试的智能评价装置，其特征在于，图像采集模块由两个图像采集设备组成，第一图像采集设备用于采集用户设计电路的过程，并将该过程输入到图像识别系统中进行存档；第二图像采集设备用于采集用户在进行电路实验的电路连接图，将采集后的电路连接图输入到图像识别系统中进行评分判断。
8.一种用于电路实验操作考试的智能评价的方法，其特征在于，包括：采用图像采集设备获取用户进行电路实验操作的电路图、操作过程以及用户电路操作要求；将用户操作过程进行取样，取样的数据包括操作时间和用户操作图，根据用户操作时间对用户的操作速度进行评分，得到效率得分；将用户操作图与规范操作图进行对比，根据对比结果进行评分，流程得分；将获取的电路图输入到图像识别系统中，将获取的电路图与正确的电路图进行对比，根据对比结果，得到答案评分；采用硬件测量系统获取用户连接电路图的相关参数，将获取的相关参数输入到图像识别系统中，将测量的相关参数与图像识别系统中的正确参数进行对比，得到参数得分；将效率得分、流程得分、答案评分以及参数得分进行加权求和，得到最终的用户评分。
9.根据权利要求8所述的一种用于电路实验操作考试的智能评价的方法，其特征在于，采用图像识别系统对用户进行评分的过程包括：1)效率得分：将用户操作时间与系统设置的时间阈值进行对比，判断在规定时间内是否完成所有电路的连接，按时长反比例计分；2)流程得分的过程包括对用户操作图与规范的用户操作图进行对比，根据操作过程的准确性进行评分，操作过程越规范，获取的分数越高；3)答案评分：将电路图与正确的电路图进行对比，判断电路的连接是否符合给定的正确连接点位置范围，按相对目标距离反比例计分；4)参数得分：将采集的参数与图像识别系统中的正确参数进行对比，若相同，则计分，否则不计分。
10.根据权利要求8所述的一种用于电路实验操作考试的智能评价的方法，其特征在于，效率得分、流程得分、答案评分以及参数得分的加权比例为3：2：2：3。
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