CN114973881A - 一种智能计分电子技术实验综合教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能计分电子技术实验综合教学系统，属于计算机教学领域。该系统由一种能够自动记录操作步骤，一方面根据记录，在显示端能够还原出所连线路对应的电路图；另一方面对操作步骤进行智能评判的实验装置、运行于实验装置中嵌入式电路单元中的智能评判实验操作成绩算法软件、实验服务器、手机及电子实验成绩输入App、成绩管理数据库、电子实验成绩评定应用软件以及网络等组成。能够实时地自动记录学生的实验操作过程，并通过智能算法给出客观的成绩，并自动上传至实验服务器，使学生更注重实验操作。实验教师也能够把更多注意力集中于与学生的指导沟通，及时将交流互动情况给出成绩。

Description

一种智能计分电子技术实验综合教学系统

技术领域

本发明涉及一种智能计分电子技术实验综合教学系统，属于教学实验与评价领域。

背景技术

电子技术是电子信息类、自动化类、计算机类等许多专业的专业基础必修课程。一直以来，电子技术类课程的实验大多数高校均采用插拔式电子电路实验箱进行实验教学，学生按照实验指导书进行连线实验，实验教师在评定成绩的时候，实验操作应该占比较大，然而，通常是一位教师面对数十位同学，操作究竟如何，教师不可能全部掌握。因此最终的成绩往往是看结果以及报告撰写情况给出，而恰恰重要的实验操作往往不能正确评判。这就导致学生只重视结果和书写报告，有的甚至直接抄写或稍做改动动手能力强的同学，或已经做出正确结果同学的结果，这样得到的分数可能比自己费了好大劲才做完要高。因此也严重影响了对学生工程实践能力的培养和综合素质的提高，这也引起了广大教师、学生的重视和非议。因此许多院校对电子技术实验课进行了许多改革和尝试，但大多是从实验的管理上、方式方法上考虑，尚未见到从提高实验装置的智能上考虑的成果。

发明内容

针对现有技术的不足之处，提供一种智能化，会考虑操作过程的时长，综合考虑反复连接电路过程中出现的行为多样性进行评估的一种智能计分电子技术实验综合教学系统。

为实现上述技术目的，本发明的一种智能计分电子技术实验综合教学系统：包括插拔式电子电路实验面板、与插拔式电子电路实验面板匹配的多种具有各自端子座编号的电子电路使用的元器件、连接各个元器件的双连接头连接线以及用以完整储存操作过程中所有操作步骤的智能单元：插拔式电子电路实验面板上设有多个可以插拔元件和连接导线的插座，每个插座上都设有编号，编号信息包括元器件信息，智能单元通过插座编号记录从操作开始到结束过程中的所有操作步骤，包括操作中每一步插拔的时间，既包括正确的步骤也包括错误的步骤，还包括错误步骤修改为正确的步骤以及正确步骤被修改为错误的步骤；智能单元运行智能算法程序实现对实验操作的评判及给分，并将操作分值送至实验服务器中；实验服务器综合操作成绩、教师从手机端输入的互动成绩和实验报告成绩，最后按照约定分值比例给出实验总评成绩。

所述各自编号的电子电路使用的元器件在插拔式电子电路实验面板上设有分类区域，包括集成块插座区，电源区、电位器区、开关区、二极管区、三极管区、电容区、电阻区、指示灯区，各个区域中设置的对应元件的插座在智能单元都设有编号；

插拔式电子电路实验面板上还包括设有显示面板的显示区，操作中能够在面板上实时显示出所连电路对应的电路图。

所述连接线包括数据线，以及设置在数据线两端的插头，连接线中设有用于连接完成实验电路连接工作的单元，还设有连接智能单元接口实现发送具体插拔操作的单元，智能单元按所有连接元件插座的编号逐个输出高电平，并通过扫描方式逐个判断哪些编号的元件插座端口连通了，实现记录实验元件插座的连接状态。

一种智能计分电子技术实验综合教学系统中通过智能单元和试验服务器构成的评价系统，包括插拔式电子电路实验面板模块、操作记录模块、操作信息存储模块、连线电路复原电路图模块、自动评价模块、服务平台模块、通信模块、手机端模块；

插拔式电子电路实验面板模块，用以提供设有各种常见的电路元器件，以及连接插槽的操作面板，通过在操作面板上不同的电路元器件对应的插座中插入连接线从而组成各种电路；

操作记录模块，用以将操作人员使用连接线在操作面板上进行的所有插拔连接的操作数据记录下来，插拔连接操作数据包括操作面板不同电路元器件对应插座的连接信息，不同电路元器件插座的拔出信息以及完成各种插拔的时间信息，从而记录操作人员使用连接线完成正确的电路连接步骤、连接错误的步骤、修正错误连接的步骤、将正确连接修改为错误连接的步骤，以及以上步骤实施的时间节点信息；

操作信息存储模块，用以将操作记录模块的数据进行存储并按照操作员选择不同操作进行分类存储；

连线电路复原电路图模块，用以将操作信息存储模块所存信息还原连线元件所形成的电路图并发送给显示器显示；

自动评价模块，用以对操作信息存储模块中记录的每个操作人员针对不同操作的各种实际操作过程分别进行评价打分，从操作开始分析各个正确的连接线插拔连接操作的时间间隔长度，时长越短，表明操作人员操作熟练，得分更高；对操作人员操作的错误连接进行标注，收集所有操作人员的操作错误样本，之后对大量样本中容易出错的地方生成统计数据；最后根据连接线插座编码的时间顺序，获得电路图连线顺序，根据合理的连线顺序分数高，不合理的连线顺序分数低的原则对操作员的连线顺序进行评分；考虑到操作员在连线过程中可能会出现连线错误并重连情况，除错误连接得负分外，还需要记录已连线又断开及重连的次数，重连次数越多，评分越低；

服务平台模块，用以将自动评价模块进行评估打分的信息以及教师通过手机端模块录入的互动评分和对实验报告的评分进行统计和按照成绩约定比例进行运算给出总评成绩并公示，并提供接入客户端进行读取；

通信模块，用以实现手机端模块与服务平台模块之间的通信；

手机端模块，用以管理员录入互动成绩和报告成绩，以及通过接入服务平台模块读取操作人员的信息。

自动评价模块包括BP神经网络模型，将多个人工评价打分后的操作信息数据作为训练集进行训练，该过程包括：

首先指定满分的操作标准，让多个操作人员对同一操作过程在不同时间段进行多次操作，通过人工将各个操作过程进行打分，之后将不同评分等级的操作记录按照评分等级进行分类存储，所述的评分满分为100分，每个评分等级为10分，低于60分的等级都被归纳到不及格的分类中；将收集到的所有样本按照8-2比例切分为训练集和测试集，对BP神经网络模型进行训练从而获得自动评分的BP神经网络模型；

其中对BP神经网络模型进行训练的样本包括已经对一次完整的操作样本进行打分的记录，打分内容包括：根据连接线插座编码的时间顺序获得电路图连线顺序，根据连线顺序合理程度来评价分数，同时记录正确步骤的用时，并对所用时间根据预设的阈值进行打附加分，同时还记录该步骤中是否存在反复插拔，将错误连接修改正确，或者将正确连接修改错误的过程，连线又断开及重连的次数，重连次数越多，评分越低；

BP神经网络模型通过多次训练后即可实现自动对输入的操作记录进行评分。

手机端模块与服务平台模块进行通信，教师通过手机端模块从服务平台模块获得实验学生信息，将学生互动成绩及报告成绩通过手机端模块发送给服务平台模块。

有益效果：

1、突破了现有电子电路实验无法自动记录实验操作，一是通过记录还原出电路图可以帮助学生及时检查所连线路是否正确；二是通过智能学习算法，相同实验操作必然导致由实验操作因素影响的操作成绩相同，这就减小了由于不同实验箱电子元器件性能差异造成的实验结果偏差大小不同而使教师给出不合理成绩的可能性，从而使实验操作成绩能够更加客观地给出。

2、通过加大实验操作成绩在总评成绩中的占比，使学生能够更加专注于实验操作，而不是急于得到结果，并且要想得到更好的操作成绩，提前充分的预习与思考是必须的，从而可以更加从容、快速合理地完成电路连线，更好地培养学生的工程实践能力。

3、实验教师可以更加专注于与学生之间的沟通互动，解答学生提出的问题，将更多工程经验与理论如何结合实践的知识传授于学生，同时将随时与学生的沟通情况，以及观察学生之间的沟通情况通过手机以互动成绩记录下来。

4、实验教师还可以在课后批改完实验报告，通过手机将报告成绩录入：本发明为了使电子技术实验操作能够得到客观评判，设计了一种能够自动记录操作步骤的实验装置，一方面根据记录，在显示端能够还原出所连线路对应的电路图，学生和教师均可查看所连是否正确；另一方面，能对操作步骤进行智能评判，给出实验操作成绩。设置一台实验成绩管理服务器，与所有实验装置构成一个实验教学网络系统，实验完成后，成绩自动记录在服务器中。为了结合学生在实验中与教师互动成绩的给定，开发电子实验成绩输入App，在实验过程中，教师可以随时将互动同学的计分通过手机上传至服务器。教师批改报告后，同样通过手机电子实验成绩输入App，将报告成绩录入，上传至服务器端。在服务器端，配置有成绩管理数据库，并开发电子实验成绩评定应用软件，综合操作、互动、报告成绩，按分值比例给出每个学生的实验总评成绩。

本实验系统将使学生专注于实验操作，并且在实验前如进行了充分的预习，则在实验操作中也会更加顺利，连线顺序更加合理，用时更短，通过实验装置智能单元的智能学习判断，也会获得更高的操作成绩。从而使学生得到更加切实的实践训练，更好地巩固理论知识。

附图说明

图1为本发明插拔式电子电路实验面板的结构示意图；

图2为本发明可串联的连接线插头及插座结构示意图；

图3为本发明实验箱面板背面嵌入式智能单元电路示意图；

图4为本发明实验操作记录及评估的流程示意图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明：

附图1为插拔式电子电路实验面板的正面图，与传统实验箱的不同之处在于增加了实验选择按键和一个显示所连电路的小型液晶屏，液晶屏与按键均和背面的智能嵌入式电路相连，开始实验时需选择好所做实验，以便智能单元判断所连线路是否正确。

附图2的连接线有两芯，一芯用于实验电路连线，另一芯连接至智能嵌入式电路，当实验电路连通后，进入智能嵌入式电路的两端也连通，给出一个信号，用以记录连线操作。

附图3即为安装于实验箱背面的智能嵌入式电路，主要由电源单元、中央处理单元、接口单元和无线通讯单元组成。电源单元完成为其它单元供电任务。接口单元完成与前面所述实验连线插座相连，从而获取实验连线操作信号。无线通讯单元完成与实验服务器的通讯任务。中央处理单元一是根据操作记录在显示端还原出所连线路对应的电路图，二是通过运行智能算法程序实现对实验操作的评判及给分。

电子实验室布置：其中实验服务器也可以布置于专门的实验管理中心，与实验箱实现无线联网通讯。

附图4为实验操作记录及智能评估流程，学生开始实验时首先要通过实验箱面板上的实验选择按键选择好所做实验，不同的实验有不同的评判模式和时长。不同实验的评判模式是通过智能算法根据专门设计的实验操作及实验老师对其评判结果训练出来的。学生开始连线的时候，记录连线端口、连线顺序及每次连线时长，期间学生可能会有重新连接，系统也记录下来，等到实验时间到，系统对这些记录输入智能评判模块得出操作成绩。之后通过无线网络将成绩上传至实验服务器。

智能算法采用机器学习，为了减少复杂度，具体选择相对广泛应用的BP网络实现：

实验箱单独送电开关保持常开，除维修时可单独断电或送电，实验课开始教师即合闸给所有实验箱送电，以便实验箱智能单元记录实验课开始时间。

学生开始实验时首先要通过实验箱面板上的实验选择按键选择好所做实验，不同的实验有不同的评判模式和时长。

记录按下实验选择键和插下的第一根连线插头的编码及时间，并计算与实验课开始相隔时长，时长越短，表明学生预习充分，得分更高；接着记录插下第二根连线插头的编号及时间，并计算与第一根连线插下之间的时长，同样时长越短，表明学生预习充分，得分更高；这样一直记录下所有连线编号及时长，取记录历史最小最大时长作为最小最大值，将所有时长进行最大最小缩放标准化，作为机器学习输入量。不同实验根据连线数量有着不同个数的时长变量。

根据记录的连线编码时间先后，获得连线顺序，合理的连线顺序可以使实验进行时间较快；不合理的连线顺序可能导致错误的机会更多。因此，将每次连线顺序也进行编码作为机器学习输入量。不同实验根据连线数量有着不同个数的连线顺序变量。

另外，考虑学生实验时可能会出现连线错误并重连情况，记录已连线又断开及重连次数也作为机器学习输入量。重连次数越多，成绩越低。

实验操作成绩按百分制考虑，归一化为0至1，则设置一个网络输出单元，隐藏层通过测试设置一个即可。隐藏层及输出层激活函数均选择sigmoid函数。

样本的获取：

不同实验具有不同样本。

不同实验教师针对同一实验在不同时间段做数次实验，通过智能单元获取记录，以成绩均为满分作为标签。找成绩好动手能力强的学生数名，进行实验，教师观察并结合实验后智能单元的记录，给出90至100分成绩作为标签。再找成绩较好动手能力较强的学生数名，进行实验，教师观察并结合实验后智能单元的记录，给出80至90分成绩作为标签。再找成绩较差动手能力较差的学生数名，进行实验，教师观察并结合实验后智能单元的记录，给出70至80分成绩作为标签。再找成绩差动手能力也差的学生数名，进行实验，教师观察并结合实验后智能单元的记录，给出60至70分成绩作为标签。最后找成绩最差动手能力也最差的学生数名，实验都没做完，教师观察并结合实验后智能单元的记录，给出60分以下成绩作为标签。

将收集到的所有样本按照8-2比例切分为训练集和测试集，对网络进行训练获得满意的网络参数。

每个实验都经过如此训练，获得每个实验的网络参数。最后将所有训练好的神经网络移植至实验箱智能单元。

实验结束后，插拔式电子电路实验面板也将实验操作成绩上传至实验服务器。实验教师在上课期间对与学生交流沟通的情况，以及通过观察学生之间的互相交流情况给出一个互动表现分，并及时将其用手机实验成绩输入app录入，上传至实验服务器，这样有助于培养学生交流协作的能力。另外，实验教师在批改完实验报告后，也需要用手机实验成绩app录入，上传至实验服务器。实验服务器配置有数据库，所有成绩及学生班级名单都在数据库中。最后，实验服务器上的实验成绩评定应用软件从数据库中取出各项成绩，按照约定比例运算给出实验总评成绩。

Claims (7)

1.一种智能计分电子技术实验综合教学系统，其特征在于：包括插拔式电子电路实验面板、与插拔式电子电路实验面板匹配的多种具有各自编号的电子电路使用的元器件、连接各个元器件的双连接头连接线以及用以完整储存操作过程中所有操作步骤的智能单元：插拔式电子电路实验面板上设有多个可以插拔元件和连接导线的插座，每个插座都连接至智能单元的一个I/O口上，都设有带有元器件端口信息的编号，智能单元通过插座编号记录从操作开始到结束过程中的所有操作步骤，包括操作中每一步插拔步骤的时间，既包括正确的步骤也包括错误的步骤，还包括错误步骤修改为正确的步骤以及正确步骤被修改为错误的步骤；智能单元运行智能算法程序实现对实验操作的评判及给分，并将操作分值送至实验服务器中；实验服务器综合操作成绩、教师从手机端输入的互动成绩和实验报告成绩，最后按照约定分值比例给出实验总评成绩。

2.根据权利要求1所述智能计分电子技术实验综合教学系统，其特征在于：所述各自编号的电子电路使用的元器件在插拔式电子电路实验面板上设有分类区域，包括集成块插座区，电源区、电位器区、开关区、二极管区、三极管区、电容区、电阻区、指示灯区，各个区域中设置的对应元件的插座在智能单元都设有编号。

3.根据权利要求1所述智能计分电子技术实验综合教学系统，其特征在于：插拔式电子电路实验面板上还包括设有显示面板的显示区，操作中能够在面板上实时显示出所连电路对应的电路图。

4.根据权利要求1所述智能计分电子技术实验综合教学系统，其特征在于：所述连接线包括数据线，以及设置在数据线两端的插头，连接线中设有用于连接完成实验电路连接工作的单元，还设有连接智能单元接口实现发送具体插拔操作的单元，智能单元按所有连接元件插座的编号逐个输出高电平，并通过扫描方式逐个判断哪些编号的元件插座端口连通了，实现记录实验元件插座的连接状态。

5.根据权利要求1所述智能计分电子技术实验综合教学系统，其特征在于：智能单元和实验服务器构成评价系统，包括插拔式电子电路实验面板模块、操作记录模块、操作信息存储模块、连线电路复原电路图模块、自动评价模块、服务平台模块、通信模块、手机端模块；

插拔式电子电路实验面板模块，用以提供设有各种常见的电路元器件，以及连接插槽的操作面板，通过在操作面板上不同的电路元器件对应的插座中插入连接线从而组成各种电路；

操作记录模块，用以将操作人员使用连接线在操作面板上进行的所有插拔连接的操作数据记录下来，插拔连接操作数据包括操作面板不同电路元器件对应插座的连接信息，不同电路元器件插座的拔出信息以及完成各种插拔的时间信息，从而记录操作人员使用连接线完成正确的电路连接步骤、连接错误的步骤、修正错误连接的步骤、将正确连接修改为错误连接的步骤，以及以上步骤实施的时间节点信息；

操作信息存储模块，用以将操作记录模块的数据进行存储并按照操作员选择不同实验的操作进行分类存储；

连线电路复原电路图模块，用以将操作信息存储模块所存信息还原连线元件所形成的电路图并发送给显示器显示；

自动评价模块，用以对操作信息存储模块中记录的每个操作人员针对不同实验的各种实际操作过程分别进行评价打分，从操作开始分析各个正确的连接线插拔连接操作的时间间隔长度，时长越短，表明操作人员操作熟练，得分更高；对操作人员操作的错误连接进行标注，收集所有操作人员的操作错误样本，之后对大量样本中容易出错的地方生成统计数据；最后根据连接线插座编码的时间顺序，获得电路图连线顺序，根据合理的连线顺序分数高，不合理的连线顺序分数低的原则对操作员的连线顺序进行评分；考虑到操作员在连线过程中可能会出现连线错误并重连情况，除错误连接得负分外，还需要记录已连线又断开及重连的次数，重连次数越多，评分越低；

服务平台模块，用以将自动评价模块进行评估打分的信息以及教师通过手机端模块录入的互动评分和对实验报告的评分进行统计和按照成绩约定比例进行运算给出总评成绩并公示，并提供接入客户端进行读取；

通信模块，用以实现手机端模块与服务平台模块之间的通信；

手机端模块，用以管理员录入互动成绩和报告成绩，以及通过接入服务平台模块读取实验学生的信息。

6.根据权利要求5所述智能计分电子技术实验综合教学系统，其特征在于：自动评价模块包括BP神经网络模型，将多个人工评价打分后的操作信息数据作为训练集进行训练，该过程包括：

首先指定满分的操作标准，让多个操作人员对同一操作过程在不同时间段进行多次操作，通过人工将各个操作过程进行打分，之后将不同评分等级的操作记录按照评分等级进行分类存储，所述的评分满分为100分，每个评分等级为10分，低于60分的等级都被归纳到不及格的分类中；将收集到的所有样本按照8-2比例切分为训练集和测试集，对BP神经网络模型进行训练从而获得自动评分的BP神经网络模型；

其中对BP神经网络模型进行训练的样本包括已经对一次完整的操作样本进行打分的记录，打分内容包括：根据连接线插座编码的时间顺序获得电路图连线顺序，根据连线顺序合理程度来评价分数，同时记录正确步骤的用时，并对所用时间根据预设的阈值进行打附加分，同时还记录该步骤中是否存在反复插拔，将错误连接修改正确，或者将正确连接修改错误的过程，连线又断开及重连的次数，重连次数越多，评分越低；

BP神经网络模型通过多次训练后即可实现自动对输入的操作记录进行评分。

7.根据权利要求5所述智能计分电子技术实验综合教学系统，其特征在于：手机端模块与服务平台模块进行通信，教师通过手机端模块从服务平台模块获得实验学生信息，将学生互动成绩及报告成绩通过手机端模块发送给服务平台模块。

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