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基于Web的模拟电路在线课程学习平台设计
周 强 卫永安
北京航空航天大学电子信息工程学院 北京 100191
摘 要：为了提高教学效率，满足学生个性化的学习需求，设计了基于Web的模拟电路在线课程学习平台。该平台主要由模拟电路虚拟实验室系统和在线考试系统构成。虚拟实验室系统基于LabVIEW和Multisim进行开发，实现了模拟电路课程在线仿真实验功能，包括用户登录与管理、远程实验操作等模块。在线考试系统基于内容分类与难度指标可实现自动组卷功能，同时兼顾教师进行题库管理、试卷批改和学生测试的自主性。该在线平台的设计实现可有效提高模电课程的教学效率。关键词：在线学习；虚拟实验；自动组卷；模拟电路
近年来，“互联网+教育”[1]对传统教育模式产生了巨大的影响，在线教育方式有利于促进教育内容、教学手段的变革，有利于拓展学生获取学习资源的途径、培养学生利用碎片化时间学习的习惯，使现代教育更公平、更有效率。
模拟电路课程具有工程性、实践性、系统性和创新性特点，在整个课程教学体系中实验环节和考试环节是其中的2个重要的内容。实验教学是高等院校理工学科教学活动中一个关键的教学环节，对电子专业尤为重要。传统的实物实验需要借助于具体的实验设备，在实际操作中，一些实验设备价格昂贵，损耗大，实验成本高。作为传统实验教学的一种有效补充，虚拟实验教学能弥补其缺点，既能节约实验成本，又能使实验在时间和空间上得到有效的延伸。从考试环节来说，目前高校对模拟电路课程进行考核大都采用传统的命题考试方式，在此方式下，试卷题目的设计与结构的安排很大程度上都取决于出题教师个人的教学方式与经验，承担命题考核任务的相关教师工作量也会变得十分艰巨，并且受各种因素影响命题质量与评判结果存在波动，往往会呈现命题规律化与成绩主观化的特点。而在线考试方式相对于传统考试有更多优势，例如考试时间更灵活、题库管理[3]更方便、阅卷更公平、试卷统计更详细、无纸化流程更节约资源等。
因此，面向模拟电路课程特点，将实验和考试引入到在线教学环节中，使之成为传统课堂教学的有效补充，具有重要教学实践意义。
[2]
针对上述两方面的问题，设计了基于Web的模
拟电路在线课程学习平台，该平台主要由模拟电路虚
拟实验室系统和在线考试系统构成。虚拟实验室系统基于LabVIEW和Multisim进行开发，实现了模电课程在线仿真实验功能。在线考试系统基于内容分类与难度指标可实现自动组卷功能，同时兼顾教师进行题库管理、试卷批改和学生测试的自主性。该在线平台的设计实现，可有效提高模电课程的教学效率。
1 在线课程学习平台系统设计
1.1 系统功能
平台采用模块化设计，系统功能框图如图1所示，包括以下三部分。1.1.1 学习资源管理模块
教师通过网站后台发布模拟电路课程的课件、视频等相关资源。学生通过浏览器登录在线课程网站，随时获取课程资源，进行学习。1.1.2 虚拟实验室模块
学生与教师均可通过网站导航栏进入模电虚拟实验室。学生通过学生账号进入实验室并选择进行试验、完成试验报告，教师可登录系统管理学生账号并批改实验报告。1.1.3 在线考试系统模块
系统设计3种不同用户：管理员、教师和学生，管理员能够管理班级信息、学生信息以及教师信息。
作者简介：周强，工学博士，高级工程师；卫永安，在读硕士研究生。基金项目：北京市共建项目专项资助。
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1 模拟电路在线课程学习平台的系统功能框图教师能够在系统中安排考试、管理题库、评阅学生答案、提交成绩。学生在规定时间范围进入网络考试系统，系统进行自动组卷后，学生即可参加考试，待教师批阅后可在线查看自己的成绩。在评卷方面，客观题可实现自动判卷，主观题由教师进行评判。
1.2 系统架构及关键技术
本平台采用B/S(Browser/Server)架构，即浏览器和服务器架构：用户界面通过浏览器实现，少部分事务逻辑在前端(Browser)实现，主要事务逻辑交由服务器端(Server)实现。B/S架构能够减小客户端处理载荷，有效降低系统维护成本。平台的体系架构如图2所示。
图2 平台体系架构
根据所实现的功能平台的关键技术涉及以下两方面。
模电虚拟实验室主要基于LabVIEW与Multisim实现。LabVIEW是美国国家仪器公司开发的一款软件，是一种应用广泛、功能丰富的可视化软件开发集成工具。LabVIEW采用图形化编程语言，用程序框图代替通常的程序代码，从而大大提高了开发效率[2]
。Multisim是基于Windows的仿真工具，可应用于电路设计和仿真实验。它包括电路原理图和硬件描述语言两种仿真描述方式，具有优秀的分析能力。Multisim继承了SPICE技术的核心内容，使得用户能够快速分析与设计，这也使其更适合应用在电子学教学当中[4]
。
在线考试系统重点针对题库管理及组卷功能进行设计，设计以MySQL为关系型数据库管理系统，用HTML编写网页文档，用PHP编写在服务器端执行的
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HTML脚本，同时辅以Javascript面向对象的动态类型客户端脚本语言编写部分模块。
2 基于LabVIEW和Multisim的模电虚拟实验室系统
基于模拟电路课程的实验需求，本系统用于实现在线虚拟实验功能，包括基本共射放大电路、射随器电路、差动电路等多个模电实验。虚拟实验室可分为3个环节：实验前的用户登录部分、实验中的说明与实
验操作部分、实验后的报告撰写与提交部分。其中，学生、教师及虚拟实验室之间的关系如图3所示。
图3 虚拟实验室用户关系图
2.1 主要功能设计
本系统主要由三部分功能模块组成，分别为用户登录与管理模块、实验模块以及数据库模块。以学生为对象的系统功能流程图如图4所示。
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Y
N
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图4 以学生为对象的虚拟实验室流程框图
学生输入自己的账号与密码后，通过点击相应的学生登录按钮就可以进入系统当中。教师与学生登录过程类似，也是输入自己的账号与密码就可以进入该实验系统内进行管理操作。登录过程的显示界面如图5所示。
学生登录成功后，虚拟实验室平台对学生用户提供3个服务，包括进行模拟电路实验，查阅实验报告以及修改密码。教师登录成功后，教师可进行如下操作：对学生提交的实验报告进行修改评判，集中管理学生账号信息，修改自己的密码等。
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图5 虚拟实验室登录界面
虚拟实验部分是整个虚拟实验室的核心。本系统采用Multisim LabVIEW co-simulation 与control design and simulation 插件进行LabVIEW与Multisim之间的数据联通。系统流程图如图6所示。
图6 虚拟实验部分的系统流程图
2.2 操作界面设计
虚拟实验的操作界面如图7所示，学生通过绘制电路、设置参数等操作可以自主进行实验设计，在完成后撰写实验报告并提交。
图7 虚拟实验室实验操作界面2.3 虚拟实验室的网络发布
利用LabVIEW自带的网络发布工具可以方便地将虚拟实验室平台发布到网络之上。在LabVIEW相关页面中完成HTTP端口设置、远程连接许可、浏览器设置等主要的Web设定后即可登录浏览器访问该系统。
3 模拟电路在线考试系统
3.1 功能设计
基于内容分类与难度的模电在线考试系统的设
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计任务是制作一个便于教师维护和学生进行在线考试的动态网站。系统用户可分为管理员、教师和学生三类，根据身份的不同，赋予用户不同的操作功能。系统设计了登录模块、管理员模块、教师模块和学生模块，详细描述如下。
3.2 模块设计
3.2.1 登录模块
由于本系统为在线测试系统，为防止用户随意注册登录后窃取题库信息，故不开放注册功能，新用户(无论是管理员、教师还是学生)都需要由拥有系统最高权限的用户—管理员添加。登录模块作为系统的身份验证模块，为用户提供了登录的窗口，用户通过输入正确用户名、密码和身份(如果登录失败，系统会提示原因：用户名不存在或者密码错误)取得登录系统的权利，然后跳转至响应的功能主界面。3.2.2 管理员模块
管理员主要负责对教师、班级、学生的信息进行维护，同时也可以完成教师的功能。
以添加学生为例。首先管理员输入想要添加的学生姓名、学号等信息。之后系统对学生进行分组，设定每组人数为n，服务器从数据库当中调取目前学生
数量，除以n后取整，将此数值作为组别代码。服务器在检测学号不重复与信息不为空后，将学生信息写入数据库当中，同时修改数据库中的学生数量值。3.2.3 教师模块
根据功能需求此模块又可分为考试安排、题库管理、评阅试卷3个部分。
(1)安排考试模块
在此模块下，教师可以选择参加考试的班级，自动测试系统考场的开放时间段以及考试的持续时间，并对自动组卷给出自己的组卷要求。
(2)题库管理模块
所有题目按类型分为单选题、判断题、填空题
和解答题等题型，并存入不同的数据库中。每道题除拥有题目本身的信息和参考答案外，还含有题目所属知识点，出题次数以及被答对次数等属性。此外还要对每个题目进行不重复、不遗漏的编号，以方便自动组卷时对题库的调用。每种类型的题目都可以进行添加、查看、修改、删除的操作。题库管理模块的显示界面如图8所示。
(3)评阅试卷模块
教师可以对主观题进行评卷，具体流程如下：服务器从数据库中调出参加考试的学生名单，验证其试卷是否已被评阅，若未评阅，则将其试卷作答情况列
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出，供教师进行批改。批改结束之后，服务器计算该学生考试总分，并将总成绩写入数据库。同时，服务器也可统计各题目作答正确率，为教师教学提供参考。
(4)学生模块
该模块包括学生通过身份验证进入在线考场，系统根据内容类别和难度进行自动组卷，查阅个人考生成绩等。
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别为试卷的难度和平均度，组卷的目标即是在给定难度的情况下找到使得fi最小的试卷编号i。
该自动组卷算法首先在无任何约束条件的情况下随机生成许多份试卷，然后计算出每份试卷的难度误差fi，规定试卷的难度与目标难度差值的绝对值小于等于某一阈值即为合格，选择fi最小的那份试卷作为目标试卷输出到网页上。
在题库管理方面教师根据试卷合格率可以判断题库内的题目总体难易程度，从而进行相应的调整，使题库整体难度维持一定的水平上。
3.4 查询成绩模块
学生在考试结束后就可以查询到自己的客观题成绩，而主观题成绩则需要在教师判卷后才能查看。
图8 在线考试系统题库管理模块界面
4 结语
本文设计并实现了基于Web的模电在线课程学习平台，该平台在提供模拟电路相关课程资源的基础上，重点构建了可供学生远程访问的模电虚拟实验系统和在线考试系统。整个学习平台设计简约，交互性好，功能性强，既能让学生充分利用课下时间通过进行远程模电实验、参加在线考试检测自身学习情况，又能减轻教师的教学负担，为学生提供个性化的模拟电路教学，提高教学效率。
3.3 自动组卷设计
自动组卷模块是在线自动组卷系统最重要的部分，该模块设计性能的优良与否直接决定了生成试卷的质量与试卷生成的速度[5]。根据考试难度以及考查内容的要求采用一种改进型的随机算法，并为该算法添加约束条件使其满足系统设计要求。
对于组卷问题来说，每张试卷具有2个作为约束条件的属性：试卷难度nan与平均度ping。试卷难度nan定义如下：
(1)
其中ni为试卷中每道题的难度，N为试卷中试题总数。平均度定义如下：
(2)
其中p1i为每张试卷中第i章的占比，p2i为题库中第i章的占比。
目标函数定义为难度误差fi：
(3)
其中NAN为用户需要的试卷难度，nani与pingi分
[1] [2] [3] [4] [5]
吴南中.“互联网+教育”内涵解析与推进机制研究[J].成人教育,2016(1):6-11.
唐亚鹏.基于LabVIEW的网络虚拟实践教学平台的研究[D].西安:西安科技大学,2011.
郑绍红.开放大学课程题库建设研究[J].中国远程教育,2014(1):79-82.
陈丽,霞李敏.虚拟仿真技术在电气类实验教学中的应用[J].中国现代教育装备,2018(7):49-50,54.
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参考文献
Design of Online Analog Circuit Learning Platform Based on Web
Zhou Qiang, Wei Yongan
School of Electronics and Information Engineering, Beihang University, Beijing, 100191, China
Abstract: In order to promote teaching efficiency and meet students' personalized learning needs, a Web-based online analog circuit course learning platform is designed. The platform is mainly composed of virtual experiment system and online examination system. The virtual experimental system is based on LabVIEW and Multisim. The online exam system which is based on content classification and difficulty is written in PHP and Javascript. Based on the learning platform, students can not only make remote analog circuit experiments, but also plan online examination independently. This platform will improve efficiency on the remote analog circuit teaching-learning process.Key words: online learning; virtual experiment; creating exam paper; analog circuit
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