基于虛擬儀器的“電工實(shí)驗(yàn)”課程考試方法改革研究與實(shí)踐

于文波

(沈陽(yáng)工程學(xué)院電氣工程系，遼寧沈陽(yáng)110136)

隨著高校不斷深化教育體制和人才培養(yǎng)模式改革，按大類招生、分流培養(yǎng)已成為高校教育體制改革的熱點(diǎn)?！半姽?shí)驗(yàn)”做為工科必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，也要適應(yīng)新的人才選拔模式，構(gòu)建多功能、開放型實(shí)驗(yàn)教學(xué)大平臺(tái)，使學(xué)生都能做到跨學(xué)科、跨專業(yè)自主選擇“電工實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和時(shí)間，其考試時(shí)間也可按教學(xué)安排自行選定，考試內(nèi)容也要滿足不同專業(yè)的教學(xué)大綱要求。同一時(shí)間進(jìn)行考試的可以選擇不同難易成度的試題，而不是千篇一律。但目前實(shí)驗(yàn)課程考核方式改革還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于教學(xué)改革，因此“電工實(shí)驗(yàn)”考試改革勢(shì)在必行。

一、“電工實(shí)驗(yàn)”課程考試存在的問(wèn)題及改革的必要性

1.存在的問(wèn)題

“電工實(shí)驗(yàn)”是工科院校學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，因而它涉及的學(xué)生多，專業(yè)覆蓋面廣，教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量大。以往在“電工實(shí)驗(yàn)”考試過(guò)程中存在偷看接線、數(shù)據(jù)抄襲和考試題型單一等問(wèn)題，一些學(xué)生因投機(jī)取巧而得到了較高的成績(jī)，這嚴(yán)重影響了誠(chéng)實(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性。傳統(tǒng)的考試形式打擊了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的熱情，致使整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果越來(lái)越差，學(xué)生實(shí)踐技能的改善也受到了影響。

2.改革的必要性

考試是學(xué)校教學(xué)工作的重要環(huán)節(jié)，是評(píng)價(jià)和改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的重要手段，在教學(xué)過(guò)程中合理組織考試能有效地了解和考查教學(xué)效果，有助于學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，加強(qiáng)學(xué)風(fēng)建設(shè)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

3“電工實(shí)驗(yàn)”考試改革應(yīng)用的前景

沈陽(yáng)工程學(xué)院電工實(shí)驗(yàn)室每年承擔(dān)著大約20多個(gè)班級(jí)700多名學(xué)生的單列實(shí)驗(yàn)課程，需要進(jìn)行獨(dú)立的考核，還有40多個(gè)班級(jí)的課中課實(shí)驗(yàn)。受現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)限制，每次只能開一個(gè)班級(jí)的實(shí)驗(yàn)，故工作任務(wù)相當(dāng)繁重。“電工實(shí)驗(yàn)”考試改革若能對(duì)全院相關(guān)專業(yè)的學(xué)生試行，不僅能夠豐富“電工實(shí)驗(yàn)”的考試手段，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水準(zhǔn)，而且可以提高考試過(guò)程的客觀、公正性，能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)電工實(shí)驗(yàn)的興趣，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)以及增強(qiáng)創(chuàng)造性思維的目的。通過(guò)考試改革可以滿足對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整的要求，批卷可采用自動(dòng)閱卷與人工閱卷相結(jié)合的方式，這樣可以大幅度地減輕教師的工作負(fù)擔(dān)。改革后的考試試題對(duì)每名學(xué)生是唯一的，這樣也可減輕教師監(jiān)考的工作量，使教師有更多的時(shí)間用以提高教學(xué)質(zhì)量。

二、“電工實(shí)驗(yàn)”考試方法改革的策略

1.基于LabVIEW的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)

LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering)是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)推出的一種基于圖形編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)的開發(fā)環(huán)境，它具有十分強(qiáng)大的功能，已成為目前最重要的軟件開發(fā)環(huán)境。它主要用于儀器控制和數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示，以及過(guò)程監(jiān)控和自動(dòng)測(cè)試等領(lǐng)域。LabVIEW 具有控制 RS232、PXI、VXI、GPIB等各類接口通信模塊進(jìn)行通信的組件，通過(guò)各種與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡就可以構(gòu)成實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；贚abVIEW設(shè)計(jì)開發(fā)出的虛擬儀器，不僅具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能，而且儀器界面也可以做得非常友好和美觀，能夠集信號(hào)發(fā)送、數(shù)據(jù)采集、波形顯示、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等多種功能于一體，因而可采用LabVIEW完成“電工實(shí)驗(yàn)”考試管理系統(tǒng)中的“實(shí)踐操作考試”部分的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)。

2.考核方式、方法改革方案設(shè)計(jì)與研究

“電工實(shí)驗(yàn)”課程具有“實(shí)踐應(yīng)用性”較強(qiáng)的特點(diǎn)，其考核形式也不應(yīng)等同于理論教學(xué)的紙質(zhì)試卷的考試方法，而應(yīng)當(dāng)探索一條新的適用于實(shí)踐教學(xué)的考試模式。通過(guò)對(duì)電工實(shí)驗(yàn)過(guò)程的分析，以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備和相關(guān)軟件特點(diǎn)的研究，利用現(xiàn)代科技條件并充分挖掘現(xiàn)有儀器設(shè)備的潛力，開發(fā)一套基于虛擬儀器研制的“電工實(shí)驗(yàn)”考試管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)，它將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)與電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效地結(jié)合，豐富了學(xué)院“電工實(shí)驗(yàn)”課程的考試手段，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)考試的不足。改革后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只能在實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)采集，無(wú)法自行輸入，保證了實(shí)驗(yàn)考核結(jié)果的客觀真實(shí)性。

3.考核過(guò)程研究

依據(jù)“電工實(shí)驗(yàn)”考試管理系統(tǒng)的基本需求確定了如圖1所示的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖，根據(jù)管理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)管理、試卷管理和考試管理三大功能，設(shè)計(jì)出了如圖2所示的系統(tǒng)用例圖。學(xué)生注冊(cè)登錄“電工實(shí)驗(yàn)”考試管理系統(tǒng)后，隨機(jī)生成客觀題和主觀題組合成的考試試卷，考試時(shí)間可以自行設(shè)定且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制結(jié)束時(shí)間，考試的數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)存儲(chǔ)且生成備份?？忌瓿煽荚嚭螅辉嚲硐到y(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存，客觀題系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)評(píng)分給出成績(jī)，主觀題需要教師評(píng)閱給出成績(jī)后再錄入系統(tǒng)?！半姽?shí)驗(yàn)”課程含有實(shí)踐操作考核，在考試過(guò)程中教師必須不斷巡視，對(duì)學(xué)生在考試時(shí)遇到的設(shè)備故障、參數(shù)問(wèn)題等一些突發(fā)狀況做出相應(yīng)的處理，對(duì)考生電路連接錯(cuò)誤及設(shè)備使用錯(cuò)誤等進(jìn)行記錄。若有作弊的學(xué)生，可根據(jù)具體情節(jié)的輕重可給予警告或者通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制交卷措施?？荚囘^(guò)程中若出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊故障、電源斷電等異常狀況，要采取適當(dāng)延長(zhǎng)考試時(shí)間或者暫?？荚嚨忍幚硎侄?。整個(gè)考試過(guò)程要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便教師和學(xué)生進(jìn)行溝通和管理。整個(gè)考試過(guò)程可以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)效益和實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

圖1 電工實(shí)驗(yàn)考試管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

圖2 電工實(shí)驗(yàn)考試管理系統(tǒng)用例

4.考核試卷庫(kù)建設(shè)

“電工實(shí)驗(yàn)”試卷主要包括客觀題和主觀題兩大部分，其中客觀題占30%，主觀題占70%。客觀題包括單項(xiàng)選擇題和判斷題，主要考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)的掌握情況，客觀題有標(biāo)準(zhǔn)答案，在閱卷、評(píng)分時(shí)可以避免人為主觀因素的干擾，可以通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)閱卷，提高了閱卷效率，減輕了教師的工作量。主觀題是對(duì)實(shí)際操作能力的考核，主要考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目原理的理解與電路原理圖設(shè)計(jì);實(shí)際電路連接是否正確;能否正確地使用電子儀器儀表;實(shí)驗(yàn)電路調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與整理，它是對(duì)一個(gè)完整的獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程的考核。此類試題主要考查考生的思維創(chuàng)新能力，但它的評(píng)分需要人工輔助完成。

“電工實(shí)驗(yàn)”考試管理系統(tǒng)可以對(duì)試卷庫(kù)進(jìn)行維護(hù)和管理，系統(tǒng)中的試卷庫(kù)內(nèi)容可以隨時(shí)更新和調(diào)整。試卷中的客觀題對(duì)知識(shí)點(diǎn)的考察應(yīng)盡量豐富;主觀題設(shè)計(jì)依據(jù)不同學(xué)科專業(yè)的教學(xué)大綱，在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置不同的實(shí)操試題，這樣可以更好地滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱調(diào)整的要求，還能夠滿足電工實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作考核參數(shù)多樣性的要求，保證學(xué)生的考核難度一致。并且設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)當(dāng)多考慮些能夠拓展課堂教學(xué)內(nèi)容的試題，使每名學(xué)生的考試內(nèi)容都各不相同，這樣既能豐富實(shí)驗(yàn)考試內(nèi)容，又能使理論與實(shí)踐的結(jié)合更加緊密，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。拓展性試題設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書外的實(shí)踐考核項(xiàng)目，使實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容得到補(bǔ)充、完善和提高。這樣的題庫(kù)既能達(dá)到考核學(xué)生學(xué)習(xí)能力的目的，也可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生自主實(shí)踐和創(chuàng)新的能力。

三、電工實(shí)驗(yàn)考試改革的具體實(shí)施

圖3 “電工實(shí)驗(yàn)”考試單選題界面

圖4 “電工實(shí)驗(yàn)”考試判斷題界面

(1)改革后的考試管理系統(tǒng)的應(yīng)用。學(xué)生登錄“電工實(shí)驗(yàn)”考試管理系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)給學(xué)生自動(dòng)分配一套考試試卷。單選題答題界面如圖3所示;單擊圖3界面中的“判斷題”按鈕可進(jìn)入如圖4所示的判斷題答題界面;單擊圖3界面中的“實(shí)踐操作題”按鈕可進(jìn)入如圖5所示操作題答題界面，單擊圖5界面下方的“進(jìn)入實(shí)踐操作界面”按鈕即可打開利用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)的如圖6所示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面，系統(tǒng)抽取了“疊加定理驗(yàn)證”實(shí)踐操作考題，根據(jù)實(shí)操題目中的具體要求、提示、實(shí)驗(yàn)電路參考圖、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)據(jù)表格等內(nèi)容進(jìn)行連接電路，如圖7所示，對(duì)連接好的實(shí)物電路進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集到圖6所示電腦數(shù)據(jù)表格中，實(shí)踐操作數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。試卷中的3項(xiàng)內(nèi)容都完成后即可交卷完成考試，若有未完成的題目即交卷，系統(tǒng)將彈出“試卷中有未答完試題，是否確定交卷?”的提示框，選擇“否”繼續(xù)答卷，選擇“是”交卷完成考試。

圖5 “電工實(shí)驗(yàn)”考試實(shí)操題界面

圖6 疊加定理驗(yàn)證實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面

圖7 疊加定理考試實(shí)際連接電路

(2)改革后的考試效果分析。通過(guò)在學(xué)院發(fā)電本、自本等相關(guān)專業(yè)班級(jí)試點(diǎn)應(yīng)用這套考試軟件系統(tǒng)，并與采用傳統(tǒng)考試方法的班級(jí)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，該考試軟件的應(yīng)用充分利用了實(shí)驗(yàn)室的電腦資源，使學(xué)院的設(shè)備利用率達(dá)到最大化;改革后的考試，可以更好地滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱調(diào)整的要求，還能滿足電工實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐操作考核試題參數(shù)多樣性的要求，保證學(xué)生的考核難度一致;可以克服傳統(tǒng)考試試題一致而產(chǎn)生的抄襲的弊端。電工實(shí)驗(yàn)課程開始時(shí)就對(duì)每一名學(xué)生傳達(dá)考試題目的獨(dú)立唯一性以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)采集的考試思想，這就從源頭上使學(xué)生杜絕了想作弊、投機(jī)取巧獲取好成績(jī)的可能性，因此在學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中就減少了依賴別人的心理，課堂就會(huì)加強(qiáng)注意力，學(xué)習(xí)態(tài)度更加端正，考試前也會(huì)認(rèn)真復(fù)習(xí)，充分準(zhǔn)備，考核效果良好。由于考試的公正公平性得到了學(xué)生的認(rèn)可，真正考核了學(xué)生課程學(xué)習(xí)的綜合能力，這就有利于提高班級(jí)的學(xué)風(fēng)，對(duì)學(xué)院的教學(xué)改革有一定的促進(jìn)作用。

(3)學(xué)生反饋。利用“電工實(shí)驗(yàn)”考試管理系統(tǒng)完成考試的學(xué)生普遍認(rèn)為，這種考試形式很好，可以避免紙質(zhì)試卷傳抄的可能，保證了考試的公平性，能夠反映學(xué)生的真實(shí)水平。由于在考試過(guò)程中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)且試題內(nèi)容不同，因此，學(xué)生不得不加強(qiáng)平時(shí)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，學(xué)生動(dòng)手操作的主動(dòng)性也隨之增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)效果明顯提高。

“電工實(shí)驗(yàn)”課程考試改革的試點(diǎn)應(yīng)用取得了良好的效果，它真正考核了學(xué)生課程學(xué)習(xí)的綜合能力，該系統(tǒng)可以更好地為教學(xué)服務(wù)，為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)公平、公正的考試環(huán)境，能更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情。它既為教師和學(xué)生提供了極大的便利，又能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和電工實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量，最大限度地發(fā)揮考核的反饋與激勵(lì)導(dǎo)向作用，故該考試方法可以在“電工實(shí)驗(yàn)”所有的班級(jí)應(yīng)用。

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