石竹玉，朱 俊

(武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072)

0 引言

隨著高校實(shí)驗(yàn)學(xué)生數(shù)目的增加和遠(yuǎn)程教育的發(fā)展，如何利用計(jì)算機(jī)代替人工準(zhǔn)確迅速地測評學(xué)生的知識水平和實(shí)驗(yàn)操作技能日益成為研究熱點(diǎn)［1］。早期自動評分系統(tǒng)主要針對已有標(biāo)準(zhǔn)答案的客觀題型進(jìn)行評分，例如，文獻(xiàn)［2］給出的操作題評分系統(tǒng)，就是通過自動評分系統(tǒng)取出數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)答案表中每題操作對象各項(xiàng)屬性的值與學(xué)生操作文檔中相應(yīng)對象屬性的值進(jìn)行比較從而完成評分過程。隨著研究的深入，也出現(xiàn)了主觀操作題的評分系統(tǒng)，文獻(xiàn)［3］中給出的基于程序理解的編程題自動評分方法，將學(xué)生編寫的程序標(biāo)準(zhǔn)化之后，再根據(jù)其系統(tǒng)依賴圖，完成與標(biāo)準(zhǔn)答案的匹配，從而產(chǎn)生其評分。

然而，當(dāng)我們需要對學(xué)生操作儀器進(jìn)行測評時，現(xiàn)有的評分系統(tǒng)不能滿足我們的需求，這是由于常規(guī)儀器，如示波器等缺乏對操作過程的記錄。因而我們需要引入虛擬儀器，這樣才可以把學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作全過程轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流記錄下來，作為評分的基礎(chǔ)。教師在人工評閱過程中，會根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過觀察學(xué)生操作的部分動作，給出實(shí)驗(yàn)操作評分。而基于虛擬示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的測評，則運(yùn)用LabVIEW 軟件，結(jié)合人工評判的思維過程未進(jìn)行。本文設(shè)計(jì)一種虛擬示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自動評分系統(tǒng)，以期尋找一種能自動表述與測評實(shí)驗(yàn)中的示波器操作過程，使實(shí)驗(yàn)操作過程的計(jì)算機(jī)評分可以部分地取代人工評閱過程。

1 自動評分系統(tǒng)的模型構(gòu)建

為了建立較為合理的評分標(biāo)準(zhǔn)，我們以布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)為理論基礎(chǔ)，將示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)細(xì)分，并結(jié)合人工評價的思維過程，探討在示波器教學(xué)過程中所涉及的知識點(diǎn)與相應(yīng)的學(xué)生認(rèn)知水平的關(guān)系，從每一個亞過程的評分細(xì)則，來逐一完成整個實(shí)驗(yàn)操作的評分，形成我們的評分模型。

1.1 布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)

布盧姆教育目標(biāo)分類理論以知識維度為縱軸、認(rèn)知過程維度為橫軸，構(gòu)成了一個二維24 格的分類表［4］。其中，知識維度分為事實(shí)性知識、概念性知識、程序性知識和反省認(rèn)知性知識。認(rèn)知過程維度分為記憶、理解、運(yùn)用、分析、評價和創(chuàng)造。將布盧姆理論應(yīng)用于示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們需要把學(xué)生所要掌握的知識水平程度定義為教學(xué)目標(biāo)，通過細(xì)分知識點(diǎn)及與此知識點(diǎn)對應(yīng)的認(rèn)知程度，制定出測評標(biāo)準(zhǔn)。也就是說，我們可以將知識點(diǎn)分為四類，并對每一類中所涉及的難度進(jìn)行六個層次的量化。如果只做到了記憶、理解與運(yùn)用，則被認(rèn)為是低層次思維方式;如果能做到分析、評價和創(chuàng)造才能被稱為達(dá)到了高層次的思維方式。

1.2 事實(shí)性知識

知識維度中的事實(shí)性知識就是學(xué)生通曉一門學(xué)科或解決其中的問題所必須知道的基本要素。在示波器實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生首先需要了解幅度、頻率、周期、觸發(fā)和同步等最基本術(shù)語，做到記憶、理解與運(yùn)用等低層次思維方式;比較深入的學(xué)習(xí)還需要知道相位、觸發(fā)源、觸發(fā)選擇與觸發(fā)極性等術(shù)語，做到對結(jié)果進(jìn)行分析時用到這些術(shù)語;要達(dá)到高層次的思維方式還需進(jìn)一步知道亮度、聚焦、波形線寬、輸入方式選擇等相關(guān)術(shù)語，做到能準(zhǔn)確描述測量過程，必要時可創(chuàng)造特定的術(shù)語來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.3 概念性知識

知識維度中的概念性知識就是在較大結(jié)構(gòu)中表述其基本成分之間的關(guān)系。我們以正弦信號周期為例，最基本的要求是知道周期是正弦信號幅度的重復(fù)時間，周期與頻率互為倒數(shù)。比較深入的學(xué)習(xí)應(yīng)該知道不同起始點(diǎn)(及終點(diǎn))對周期測量的影響，可以用不確定度來分析與評價所測量周期的過程;更深入的學(xué)習(xí)應(yīng)該做到從模型的高度去理解周期，對任何實(shí)際信號而言，周期是一個理想化的結(jié)果，它不僅有測量儀器本身所致的誤差、信號中噪聲所致的誤差，還有模型誤差。

1.4 程序性知識

知識維度中的程序性知識就是研究方法和運(yùn)用技能、算法、技術(shù)和方法的標(biāo)準(zhǔn)。我們還以測量正弦信號的周期為例，在示波器實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生應(yīng)首先做到操作規(guī)范，即讀數(shù)時應(yīng)做到波形穩(wěn)定，掃描微調(diào)置于校準(zhǔn)狀態(tài)等;高層次的學(xué)習(xí)要知道如何測量才能使其結(jié)果誤差最小，比如正弦波的幅值要適中，取正弦波中部作為其測量周期的起始點(diǎn)與終點(diǎn)，被測周期應(yīng)盡量處于示波器的中部等;同時還應(yīng)知道輸入的信號大小會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響等;除此之外還知道用李薩如圖形等一些其它方法間接測量周期。

1.5 反省認(rèn)知性知識

知識維度中的反省認(rèn)知性知識就是一般認(rèn)知和有關(guān)自己的認(rèn)知意識。反省認(rèn)知性知識能夠增強(qiáng)學(xué)生的能力，是學(xué)會如何學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。具體表現(xiàn)為學(xué)生的操作過程有目的性，有關(guān)鍵性動作。

我們?nèi)砸哉莆帐褂檬静ㄆ鳒y量正弦信號的周期為例，對學(xué)生的基本要求是學(xué)生需要能理解實(shí)驗(yàn)步驟，能處理一些簡單的問題，得到正確的測量結(jié)果;進(jìn)一步的學(xué)習(xí)需要理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，充分利用?shí)驗(yàn)條件來提高實(shí)驗(yàn)精度，知道如何科學(xué)并完整地表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，特別是在增加特定的步驟來增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度時，若遇到困難，則能將該困難迅速定位，知道在何處可以得到幫助，并提出解決問題的方法。

1.6 人工評分思維

本文設(shè)計(jì)的自動評分系統(tǒng)旨在取代實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的人工評價，所以以布盧姆分類學(xué)為理論依據(jù)的同時，結(jié)合人工評分的思維也是必不可少的。

在示波器的使用實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的評價是分為兩部分的，一部分是來自學(xué)生所寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確;另一部分是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作分，教師對學(xué)生操作評價主要基于以下五點(diǎn):①規(guī)范性;②熟練程度;③動作相關(guān)性;④目的性;⑤合理性，即旋鈕調(diào)動有先后順序、有效且合理。

1.7 評價模型中的模塊劃分

作為實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程時，我們應(yīng)當(dāng):①看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(事實(shí)性知識)是否合理;②看學(xué)生的評述(概念性知識)是否合理;③看實(shí)驗(yàn)過程(程序性知識)是否合理;④看學(xué)生所寫的總結(jié)(反省認(rèn)知性知識)是否合理，并結(jié)合教師的主觀感受，綜合起來給學(xué)生一個比較客觀的實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)。

基于以上所述實(shí)驗(yàn)檢查過程，該自動評分系統(tǒng)評分過程具體分為以下四個模塊:①事實(shí)性知識和概念性知識評分(基本分?jǐn)?shù));②程序性知識評分(操作不規(guī)范扣分);③反省認(rèn)知性知識的評分(創(chuàng)新操作的加分);④加權(quán)求和統(tǒng)計(jì)處理模塊。

該系統(tǒng)是從分類學(xué)的角度出發(fā)，對虛擬示波器自動評分系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，不同的模塊代表不同知識的評述。這樣的模塊化處理，一方面降低了編程的復(fù)雜度，便于程序的測評，另一方面也容易將此程序推廣到其它實(shí)驗(yàn)之中。

2 評分標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

本文評分系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想是關(guān)鍵數(shù)據(jù)匹配［5］。利用計(jì)算機(jī)記錄下學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的測量結(jié)果的同時，也記錄下學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作全過程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流。這樣，測量過程中的操作就可以用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流來表征。根據(jù)人工評分經(jīng)驗(yàn)中所要注意的規(guī)范動作，以及具有研究特質(zhì)的共性動作作為參照模型，我們將學(xué)生操作的數(shù)據(jù)流與表征關(guān)鍵動作數(shù)據(jù)流進(jìn)行匹配［6］，我們按照匹配程度的不同給出評分，前三個模塊伴隨實(shí)驗(yàn)過程同步進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過模塊四加權(quán)求和給出最后的總成績。其流程可見圖1。

圖1 評分系統(tǒng)流程圖

2.1 事實(shí)和概念性知識評分

對學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的評價，部分由評分系統(tǒng)的模塊一來實(shí)現(xiàn)。我們將學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中測得的數(shù)據(jù)與由系統(tǒng)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，按匹配程度差距大小來進(jìn)行評分［7］。

在程序設(shè)計(jì)中，由于多次涉及到數(shù)據(jù)讀取的同步性問題，就需要準(zhǔn)確得到學(xué)生讀取數(shù)據(jù)時其示波器的狀態(tài)。程序的具體實(shí)現(xiàn)是利用一個移位寄存器和一個比較函數(shù)比較前后的數(shù)據(jù)所實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(即學(xué)生輸入數(shù)據(jù)的時刻)可以得到一個結(jié)果信號，利用此信號作為繼電器的控制信號，從而能得到此時的示波器相關(guān)數(shù)據(jù)。

例如，在學(xué)生輸入“信號幅度”數(shù)據(jù)時，此模塊使信號輸入至“幅值頻率測量函數(shù)”，即系統(tǒng)獲得在輸入時刻的實(shí)際電壓幅值，將學(xué)生輸入與系統(tǒng)生成的這兩值相減形成差值，此差值的絕對值大小即表征了實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，并以此作為不同等級的評分標(biāo)準(zhǔn)。然后利用條件結(jié)構(gòu)嵌套完成了60 分以下，60 至70 分，70 至80 分，80 至90 分，90 至100分五個分?jǐn)?shù)段的評分。

2.2 程序性知識評分

模塊二對該部分學(xué)習(xí)成果的評判是根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中測量時的操作是否規(guī)范來評分的。在該模塊中，首先設(shè)置了一些規(guī)范模型，并將這種規(guī)范模型的操作量化為數(shù)據(jù)，再將學(xué)生的實(shí)際操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流和規(guī)范模型進(jìn)行比較，如果有差距則進(jìn)行扣分，過程中不規(guī)范動作越多扣分越多。根據(jù)人工評分的經(jīng)驗(yàn)，具體給出以下幾種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范操作的模型:

(1)在學(xué)生輸入數(shù)據(jù)的時刻記錄下來每個操作旋鈕的狀態(tài)是否符合讀數(shù)時要求的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，若有一個不規(guī)范的操作就記錄一個1。例如，在讀取波形周期時掃描微調(diào)應(yīng)該處于校準(zhǔn)狀態(tài)，該過程由圖2所示的程序框圖來完成此功能。

圖2 按鍵狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的評分程序

(2)要求讀周期等時波形必須是穩(wěn)定的，即每一幀相同的X 序列值對應(yīng)的Y 軸幅值應(yīng)該相同。如果將每一幀的各個相同的X 值對應(yīng)的Y 值都進(jìn)行比較，其運(yùn)算量會很大，且存在量化誤差，所以本程序采取提取數(shù)組控件提取數(shù)據(jù)的一列，即只取一個X 值，例如記錄X =1 時各幀對應(yīng)的一系列Y 值，利用一個移位寄存器和一個比較函數(shù)逐一比較這一系列Y 值是否相等。具體過程由圖3所示的程序框圖來完成判斷波形穩(wěn)定功能?？紤]到人眼觀察時的視覺誤差等主觀因素，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)［7］，我們認(rèn)為設(shè)置容忍度為波形的1%較為合理。如果在容忍度之外就記錄一個1。

圖3 判斷波形穩(wěn)定的評分程序

(3)在使用示波器讀取波形周期的時候，正弦波的幅值應(yīng)該適中，取正弦波中部作為其測量周期的起始點(diǎn)與終點(diǎn)，也就是說被測周期應(yīng)盡量處于示波器的中部，應(yīng)該使波形中心線與網(wǎng)格的零線重合讀取交點(diǎn)之間的距離，而不是讀取兩個波峰(或波谷)上的點(diǎn)之間的距離。該模型的具體量化是采用“數(shù)組提取控件”提取最大值和最小值，對比最大值與最小值的絕對值，在容忍度內(nèi)相同則說明滿足條件。如果在容忍度之外就說明存在一個不規(guī)范操作，就記錄一個1。該過程由圖4所示程序框圖來實(shí)現(xiàn)其讀數(shù)位置的判定。

圖4 讀數(shù)時波形位置選取的評分程序

2.3 反省認(rèn)知性知識評分

在目前，大多數(shù)自動評分系統(tǒng)是通過搜索關(guān)鍵詞(靜態(tài)數(shù)據(jù))進(jìn)行匹配來實(shí)現(xiàn)評分的，本文模塊三的設(shè)計(jì)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行發(fā)展，采取搜索關(guān)鍵動作(動態(tài)數(shù)據(jù))匹配法:先根據(jù)人工評價的經(jīng)驗(yàn)給出具有高層次學(xué)習(xí)效果的共性操作，并將這些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)動作量化為數(shù)據(jù)，再將學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流與設(shè)定的關(guān)鍵動作量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，按照匹配程度來進(jìn)行評分。這個模塊的加入使該評分系統(tǒng)更加客觀和完備，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的評分需求。具體有以下四種。

(1)技巧性—在測量讀數(shù)之前，相關(guān)旋鈕的調(diào)節(jié)應(yīng)具有先粗調(diào)后細(xì)調(diào)的動作，有一個這樣的動作就加1 分。我們知道，如果我們不斷地調(diào)節(jié)一個旋鈕，這個動作量化為數(shù)據(jù)流后就是一個振蕩波形。顯然，先粗調(diào)后細(xì)調(diào)的動作所對應(yīng)振蕩波形的峰峰值越來越小。我們通過一個移位寄存器和一個比較函數(shù)來判斷其調(diào)節(jié)過程是使旋鈕值增大還是使旋鈕值減小，+1 表示調(diào)大過程，－1 則為調(diào)小過程，再將這±1 通過另一個移位寄存器和比較函數(shù)，此時就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)波形的峰值，進(jìn)而就得到了峰峰值。若該峰峰值變小，則說明有先粗調(diào)后細(xì)調(diào)的動作。具體過程的程序框圖如圖5所示。在圖5中，我們引入了時間延遲，其目的在于提高判斷的準(zhǔn)確性。

該波形若為一純衰減波形，即該旋鈕一次調(diào)節(jié)到位，我們也將其加1 分。具體過程類似上述判斷。

圖5 技巧性評分的程序框圖

(2)相關(guān)性—有意識的將幾個相關(guān)聯(lián)的物理量旋鈕協(xié)同調(diào)動，規(guī)律而反復(fù)的操作以便發(fā)現(xiàn)相關(guān)物理量之間的關(guān)系。例如在研究觸發(fā)電平與信號幅度之間的關(guān)系時，需要將Y 軸衰減與觸發(fā)電平交替調(diào)節(jié)。通過提取所有旋鈕動與不動來形成一個操作相關(guān)數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)為旋鈕標(biāo)號呈交替出現(xiàn)。通過兩個移位寄存器的二次移位，則能判斷出是否存在兩個旋鈕之間的協(xié)同調(diào)節(jié)，具體判定過程的相關(guān)性的評分程序框圖如圖6所示。如果結(jié)果輸出為邏輯1 即證明有一個這樣的反復(fù)調(diào)節(jié)動作。

圖6 相關(guān)性的評分程序

(3)目的性—在研究波形穩(wěn)定與觸發(fā)電平之間的關(guān)系中，如果有不斷地調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，就能觀察到波形穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間變化。有連續(xù)幾個這樣的動作與相應(yīng)的結(jié)果，則認(rèn)為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作是具有目的性的。具體實(shí)現(xiàn)是利用移位寄存器和比較函數(shù)同時監(jiān)測觸發(fā)電平旋鈕與波形穩(wěn)定的數(shù)據(jù)情況，將兩者通過“與邏輯”的兩個輸入端，若輸出1 則說明通過調(diào)節(jié)觸發(fā)旋鈕以后波形由不穩(wěn)定變穩(wěn)定(或反之)。圖7表明了波形穩(wěn)定與觸發(fā)電平調(diào)節(jié)過程中的時序邏輯關(guān)系，定義對于波形邏輯1 表示穩(wěn)定，觸發(fā)電平有調(diào)動時為邏輯1。當(dāng)與邏輯輸出連續(xù)三個1 時說明有連續(xù)三次反復(fù)這樣的動作組合，我們則認(rèn)為這樣的操作具有目的性，這時使用寫入函數(shù)記錄一個1。具體的目的性動作評分程序框圖如圖8所示。

圖7 波形穩(wěn)定與觸發(fā)電平調(diào)節(jié)的時序邏輯

圖8 目的性動作的評分程序

(4)熟練程度—實(shí)驗(yàn)操作是一個熟能生巧的學(xué)習(xí)過程，動手能力較強(qiáng)操作熟練的學(xué)生通?？梢泽w現(xiàn)出操作較快的共性。例如較快獲得穩(wěn)定的波形。圖9為對學(xué)生操作熟練程度的評分程序。圖示程序的具體實(shí)現(xiàn)是利用時間計(jì)數(shù)器讀取所用時間，控制計(jì)時停止的功能是利用一個while 循環(huán)結(jié)構(gòu)，和波形穩(wěn)定時產(chǎn)生的信號來實(shí)現(xiàn)的。我們根據(jù)人工教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個時間，如果學(xué)生所用時間比這個短，我們就加1 分。

圖9 熟練程度的評分程序

2.4 總分統(tǒng)計(jì)

模塊四中的總分處理程序框圖，如圖10 所示。首先讀取前三個模塊所生成的文件，將模塊三里面的所有加分采用“數(shù)組求和控件”將和求出來，模塊二也采用此方法求出，因?yàn)槭强鄯郑€要加一個取反函數(shù)將其取為負(fù)數(shù)，最后利用一個加法函數(shù)控件，將前三個模塊的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)求和，得到最后的總分并通過寫入函數(shù)記錄下來，其中默認(rèn)各項(xiàng)得分的權(quán)重為1，這樣評分過程就完成了。

圖10 模塊四中的總分處理程序

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的自動評分系統(tǒng)基于我們實(shí)驗(yàn)室的虛擬示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以期解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较聞討B(tài)操作評分不可計(jì)算機(jī)化的困難。

我們在做電子線路實(shí)驗(yàn)的學(xué)生中按照實(shí)驗(yàn)操作水平能力分梯度的選取了15 名，按照實(shí)驗(yàn)講義進(jìn)行測試，其結(jié)果表明最好成績得分為110 點(diǎn)，最差成績?yōu)?0 點(diǎn)，平均成績?yōu)?4 點(diǎn)，區(qū)分度比較明顯，能反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。該測試結(jié)果的評分積點(diǎn)略高于我們的預(yù)期值，這是由于部分學(xué)生刻意增加得分積點(diǎn)。另外，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)大大增加了教師評分的客觀依據(jù)性。

該系統(tǒng)是以布盧姆分類為基礎(chǔ)，并引入了大量的人工評價標(biāo)準(zhǔn)，這使得在系統(tǒng)中需要完善大量的系統(tǒng)參數(shù)，如各操作過程中權(quán)重參數(shù)的選擇(目前在程序中都選為1)，這些還有待于進(jìn)一步完善。另外，如何處理在操作過程中產(chǎn)生的大量的數(shù)據(jù)流還有待研究。

在布盧姆的分類理論中還對情感領(lǐng)域的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了討論，在人工評價過程中，教師對學(xué)生的動機(jī)、態(tài)度、習(xí)慣和興趣等也非常在意，但在我們的評價體系中卻幾乎沒有反映。本文設(shè)計(jì)的評分系統(tǒng)畢竟是一個理想化模型，仍存在一些不足，例如在判斷學(xué)生操作熟練程度時做得快不一定就一定是掌握得最好的，因此該評價方法仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

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