1、dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术248|一种网络化引导式电工电子实验测评系统设计孙凡金，陈洋，刘彦呈大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连116026摘要：针对电工电子实验教学中存在简单重复测量、数据记录量大、实验报告生成效率及透明度低等问题，设计了一种具有网络通信与引导式操作功能的测评系统。电工设备层采用基于Modbus协议的智能数字仪表，使学生完成实验数据的实时读取与记录。学生与教师的终端通过测评系统软件，实现具有限时性的过程化实验项目测评功能，最后利用网络服务器完成实验报告的远程存储与查询。测评系统软件采用模块化架构，对实
2、验项目操作流程与过程化考评机制进行了优化，在多项实验项目的教学应用中展现出良好的人机交互性能，提高了实验效率与质量。关键词：测评系统；电工电子；实验教学中图分类号:TM93 文献标志码:A DOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.11.057 0引言电工电子技术课程突出特点为理论强、知识点繁杂、交叉范围广、综合性强1。在“新工科建设”背景下，该课程的实践教学的网络与信息化水平的提升与改革尤为重要。在传统实验教学中，要求学生完成数据测量与记录、数据分析与实验报告撰写，实验指导教师仍需现场给予相应的指导，然后完成实验报告审阅、实验成绩评定等繁琐的教学工作2。这种传统电工电子教
3、学模式，随着信息化、网络化及智能化技术的发展，一定程度上滞后于实验教学创新型改革的进程3，突出显现的缺点如下。因为电类实验课程的实操性较强，实验测量环节存在数据量大、测量操作重复率高等特点，由此导致学生在实验数据记录环节耗时长与时效差的典型特征。因学生数量较多，实验教师在学生实操环节中展开的启发性指导范围有限，产生疲劳指导的现象。与此同时，学生在实操环节中发现问题、解决问题和独立思考能力的培养也受到一定程度的抑制。在传统实践教学过程的实验成绩考评环节中，也存在实验报告审阅量大、周期长、实验成绩透明度低等固有缺陷4。因此，如何利用网络技术、信息技术、人工智能技术提升实验教学的综合信息化水平，有效
4、减少学生主体在实验中的简单重复测量与数据记录操作，扩展实践教学过程中独立思考空间，指导教师客体如何由疲劳性指导的角色，转变为信息化引导式教辅，同时兼顾实验测评的客观性、公平性与透明度就变得尤为重要5。由此，本文提出一种网络化引导式电工电子实验测评系统，对提升整体实验教学的网络信息化水平具有一定意义。1测评系统架构与设计思想在电工电子实验评测系统的设计思想上，重点突出学生是教学实践环节的主体，通过引导式的流程化评测环节，改变传统实践教学中指导教师的协助与支持的角色。测评系统可有效保证学生在短时间内了解实验任务以及各项基金项目：本文系大连海事大学校教学改革重点项目船舶电工学远程实验教学及引导式评测
5、系统开发与实践（项目编号：2020Z2）作者简介：孙凡金，男，辽宁大连，博士，副教授，研究方向：电工电子、嵌入式系统。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|249技术应用与管理实践操作，从而为自主学习提供技术支持和保障6。在实验评测系统的整体架构的实现上，采用由底层至顶层的三层网络化设计布局，如图1所示。图 1实验测评系统网络架构在图1中，电工电子硬件实验台为底层，也称设备层，除具备多种常规电工电子实验硬件模块外，且配置了基于Modbus总线协议的多种智能电气仪表，可实现现场实验数据的测量与存储7。通过网络完成数据的报送，使学生脱离了大量实验数据的记录环节，从而节省了实操环节的时间，为学生在
6、实践过程中独立思考、分析问题和解决问题以及自主完成实验任务提供了保证。测评层由计算机与电工电子实验测评软件系统组成。在测评系统的软件实现上，采用模块化与引导式的助教模式，通过将一个完整实验项目任务与操作流程，经过细致化的功能性分解，使学生在实验任务解读、实验步骤引导、实验结果论证与心得总结等方面得到强化训练8。同时，测评层也实现了基础理论知识的测考、数据读取与分析、电子实验报告生成及评阅等多项功能。管理层作为顶层，通过教师终端与服务器完成电子报告与实验成绩的远程存储，实现了学生对实验成绩的查询需求，也为指导教师提供了实验效果的综合评定条件。2关键技术2.1功能模块设计实验测评系统设计的核心技术
7、是针对实验项目，通过网络化测量技术完成引导式操作，使学生从项目解读、操作、总结等环节脱离繁琐重复测量，提高实验效率并达到透明化测评9。测评系统采用模块化设计，如图2所示。图 2功能模块组织结在功能模块的设计上，采用实验操作递进式逻辑流程，引导学生完成有序操作且加深对实验任务的认知理解，为过程化考评提供了依据。各模块基本功能如下。（1）实验管理模块完成学生账号注册及实验项目管理等功能，通过此模块可设定实验时间与各实验任务的时限，同时实现批量导入学生名单以及电子报告的存储与查询等功能。（2）实验资质模块主要完成学生参与相应实验项目的资质考核，通过具有时限条件的测试习题，考察学生对实验项目的预习状况
8、，主要通过选择题、计算题及判断题等方式，对学生在基础理论知识层面上进行评测。若未通过测考，学生会失去实验项目的操作资质，待后续深入了解实验项目及任务后，并通过测考，才有参与实验项目的机会。（3）针对具体的实验项目，任务解读模块给出实验项目的意义与目的、实验仪器及器件清单、实验方法描述以及任务指标。通过此dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术250|模块，帮助学生从整体上把握实验项目的任务信息，培养学生综合分析问题和解决问题的能力，为后续参与工程项目开发与调试打下良好的基础。（4）仪器认知模块协助学生加深对常规实验仪器仪表等设备的认
9、知与解读。通过文本与视频动画方式，可一定程度让学生掌握如示波器、万用表及常规电源等设备的使用方法与调试技巧。（5）操作模块将实验项目进行过程化分解，根据每个操作步骤的引导信息，完成实验电路的搭建、数据测量与读取。电工电子实验硬件平台配备了采用Modbus协议的网络数字仪表，经由RS485/232电平转换，将实验测量数据报送给计算机，实现数据的在线测量、显示与报送，从而提高实验效率，扩展学生针对实验任务的独立思考时间裕度。此外，因为学生需要独立采集来自电工实验台的测量数据，为独立完成实验任务，消除了传统实验中因数据记录环节中，存在学生之间实验数据相互借鉴的可能性，为实验成绩的客观性与透明化提供了
10、技术保障。（6）测评系统通过电子报告模块，完成实验项目中的曲线绘制、数据分析、项目总结等功能。此模块通过实验任务的各环节的综合评测，最终生成的无纸化电子实验报告，便利了实验教师的成绩管理，且具有较强的时效性、公平性与透明度。同时，也将指导教师从传统实验模式下的疲劳指导环境的中解脱出来，一定程度降低了工作强度。（7）教师通过成绩评定模块对学生实验成绩进行汇总，完成实验项目测评。此外，教师可在实验项目中设置考核权重，以适应不同实验任务环境。（8）存储查询模块实现本地终端及远程服务器端实验报告的存储和查询功能。2.2实验项目测评指标为实现学生实验项目测评成绩的公平性、客观性及透明度，采用时限约束条件
11、对实验项目各环节的进行过程化评测，最后汇总生成实验成绩，过程化测评指标如图3所示。图 3过程化时限测评指标由图3可见，时限测评指标由4部分组成，在学生实验操作进程中，分别对理论知识、仪器认知、实验数据与项目总结等环节进行客观测评，且相应地对分数权重进行了合理分配。由于仪器仪表存在固有的测量误差，在考察理论计算值与测量误差的环境下，表1给出了测量值与理论计算值之间的偏差以及操作时限的评分标准。表 1测评系统评分标准数据测量与计算分比波形与曲线分比分值C偏差 10%100%正确、完整100%10%偏差15%80%正确、不完整80%15%偏差0%未完成0%时值T总用时 T（min）分比超时评定分比T
12、 90100%资质考评超时90%90 T 10090%仪器认知超时90%100 T 12060%任务操作超时90%120 T0%实验总结超时90%在过程化限时测评指标中，理论知识资质测评环节重点考察预习情况，以单选考、计算题与判断题为主要题型，权重为5分，限时5min内完成，若测评获取的正确率超过70%时，测评系统会给出考核通过的提示信息。反之，未通过考核的同学取消本次实验项目操作资质。此项指标的设置目的，用以增强学生对基础理论的理 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|251技术应用与管理解，也激发学生对实验操作环节的重视程度与热情。仪器认知环节的权重为5分，要求学生在时限5min内完成。
13、此项指标目的，主要为协助学生掌握实验中相关仪器的认知与使用方法，通过视频与文本解读方式进行考核。经过此环节的强化训练，可增强学生对实验设备和仪器的操作熟练程度。任务操作与实验数据测量环节权重为70分，在时限70min内完成，学生根据给出的实验任务，完成实验电路的搭建与调试，以及各项数据的测量与读取。在操作流程中，测评系统会给出相应操作提示信息，从而减轻指导教师的负担，也为学生的规范化操作提供了保障。由于采用了网络数字仪表，提高了数据读取/记录的效率，为学生在实验原理与实验任务的独立思考提供了时间裕度。任务总结环节权重为10分，要求学生在时限10min内对实验结论进行分析与归纳，完成实验数据整理
14、、误差分析、曲线绘制、结论归纳等基本内容。鉴于仪器仪表及电路元件会存在自身精度误差，因此根据理论计算值与实测值的偏差分布，确定评分标准。当偏差大于20%时，测评系统认定测量数据无效。在实验项目波形与曲线的测评环节，采用示波器波形与实验曲线相结合的方式进行测评，并给出相应的占分比。在实验用时上，测评系统给出总用时与过程用时相结合的评定规则。表1中的评分标准在实际教学应用中，会因不同实验项目进行灵活调整。3三相电路实验测评案例以三相电路实验教学为实例，测评系统可依次完成资质测考、任务解读、仪器认知、引导操作及电子报告等实验教学环节。图4给出理论知识资质考评环节的部分流程，时限5min内完成对三相电
15、路的基础理论知识的资质考核，通过考评后会自动引导进入实验任务解读环节。图 4资质测考图5为实验任务解读环节中的部分流程，学生将进一步了解三相电路的实验目的与意义，巩固Y/联结的基本知识，包括线/相电压（电流）的基本概念和计算方法，以及中线的作用以及中性点偏移的诱发原因。图 5任务解读当测评系统进入实验电路与设备认知引导环节中，会将三相电路实验中涉及的三相电源、灯泡负载、测量仪表等装置分别以文字与图示方式进行展现，其中图6给出了三相电路实验所搭建的电路模型，学生可结合设备层电工平台熟悉所有相关设备，提高了电路的搭建效率，也为设备及仪表的调试提供了便利条件。在通过资质测评与实验仪器认知过程后，测评
16、系统即进入实验项目及相应任务的测评环节，通过引导式提示信息，学生完成实验电路的搭建、数据测量、数据读取等流程化操作。借助于电工实验平台中的网络仪表，学生在终端测评系统中可实时完成实验数据的读取与更新，节省了大量的数据记录时间，提高了教学实践环节的时效性，同时也屏蔽了实验数据相互借dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术252|鉴的滋生状态。在已应用的三相电路实验的测评案例中，搭建的三相负载星形联结模型如图7所示。图 6实验仪器认图 7实验任务在图7所示的实验任务中，学生在设备层电工实验平台上依次对实验数据进行测量，通过网络仪表可直接在测评系统的终端实时读取测量数据。此测评实例中，根据实验任务要求，分别针对三相电源与三相负载不同匹配条件下进行测量与分析，其中包括三相对称负载、非对称三相负载、星形联结、三角形联结等不同状态下，完成各项数据的测量，并以曲线、数表、文字等形式进行总结。同时，学生也可灵活设计故障电路，例如发生中线断开、负载短路、电源断相等环境下对实验结果的定量与定性的分析，进而加深对三相电路理论知识的理解与验证，培养