汽车电路虚拟仿真实训教学评价系统设计

李 丽, 武照云

(1. 河南职业技术学院 汽车工程系, 河南 郑州 450046；2. 河南工业大学 机电工程学院, 河南 郑州 450001)

汽车电路虚拟仿真实训教学评价系统设计

李 丽1, 武照云2

(1. 河南职业技术学院 汽车工程系, 河南 郑州 450046；2. 河南工业大学 机电工程学院, 河南 郑州 450001)

针对汽车电路虚拟仿真实训教学中存在的问题,基于C#.NET技术,开发了汽车电路虚拟仿真实训教学的评价系统。该评价系统以模糊层次分析法为核心,包括建立指标体系、建立评价等级、确定指标权重和模糊综合评价等4个方面。介绍了评价系统的方案设计,包括功能模块设计、数据库设计和系统开发平台。通过应用实例验证了该评价系统的实用性和有效性。

汽车电路； 实训教学； 虚拟仿真； 评价系统； 模糊层次分析法

汽车电路实训的目的是加深学生对汽车电路的理解,使学生能够对故障发生的原因进行剖析,并且会使用检测设备进行电路故障检测[1]。运用虚拟仿真技术完成实验与实训教学是近年来教育信息化领域的一个热点方向[2-4]。利用虚拟仿真系统进行汽车电路实训,可以非常接近真实情况,减少实训设备投入,降低实训室的采购与维护成本,并且不存在实物实训中潜在的危险。因此,汽车电路虚拟仿真实训是一种非常有前景的数字化实训教学模式。为了进一步完善虚拟仿真实训教学系统的功能、提高虚拟仿真实训教学水平,有必要对该教学模式进行科学、合理的评价。

本文针对汽车电路虚拟仿真实训的评价需求,提出采用模糊层次分析法(fuzzy analysis hierarchy process,FAHP)对该教学模式进行评价,并用C#.NET开发了汽车电路虚拟仿真实训教学评价系统,为更好地改进教学方法、提高教学质量提供系统支持。

1 汽车电路虚拟仿真实训

为充分发挥虚拟仿真技术的优势、进一步推动虚拟仿真在高校实训课程中的应用,河南职业技术学院与河南工业大学联合组成的虚拟仿真实验教学课题组自主开发了汽车电路虚拟仿真实训教学软件。该软件包括汽车启动电路、雨刮电路、转向与危险报警闪光灯电路等13个汽车电路实训内容,其中汽车转向灯与危险报警闪光灯电路虚拟仿真实训模块如图1所示。

教师可以在该软件中设置电路故障类型、发布实训题目、查看学生实训结果、进行成绩统计分析和故障诊断能力评估等；学生可以查看实训题目、控制电路开关、设置电压表检测端子、虚拟测量电压、阶段性故障排除、提交故障检测报告等。使用该软件,学生能够在虚拟环境中完成汽车电路故障检测的实训练习,并实现一人一机、一人一题,而且每个学生须独立思考并解决问题,大大提高了实训教学效果。

图1 汽车转向灯与危险报警闪光灯电路虚拟仿真实训模块

2 基于FAHP的评价方法与步骤

FAHP将模糊数学理论与层次分析法相结合,在传统的层次分析法基础上,充分考虑了人为判断的模糊性[5-6]。该方法已经在教学质量评价[7]、实验室评估[8]与决策分析[9]中发挥了重要作用。

2.1 建立评价指标体系

目前,国内还没有形成对于虚拟仿真教学软件的评价标准,因此本文综合参考了一些高校在CAI软件评价方面的经验[10-11],建立了汽车电路虚拟仿真实训教学的两级评价指标体系,如表1所示。

表1 评价指标体系

2.2 确定评价等级和评价指标的权重

在该评价指标体系中,各项指标性能均无法量化,只能采用带语言变量的评价值进行模糊评价。对于虚拟仿真实训教学的评价结果一般可以分成5个等级,分别为很好、好、一般、差、很差。

在模糊综合评价中,各项指标的权重将对评价结果产生重要影响。常用的指标权重确定方法主要有德尔菲法、层次分析法、模糊一致判断矩阵法等。其中,模糊一致判断矩阵法应用较广,效果较好。因此,本文采用该方法来确定评价指标的权重。具体步骤为：

(1) 构造0.1—0.9表示两指标相对重要程度的标度方法,如表2所示；

表2 指标相对重要程度的标度

(2) 利用表2将同一级的评价指标两两比较,得到模糊互补判断矩阵M；

(3) 将M变换为模糊一致判断矩阵P,并求出P的特征值及对应的特征向量,再进行归一化处理,得到归一化的特征向量H,H即为指标权重矩阵。

运用上述方法,可得到Z1、Z2、Z3和Z4的二级指标权重矩阵V1、V2、V3与V4。同理,可得一级指标权重矩阵V。

2.3 模糊综合评价

要求每个学生都在完成实训后对课程进行评价,并对评价结果进行统计,评价统计表样式如表3所示。

表3 评价统计表 人

对于一级指标Z1,根据统计表,可由其二级指标每个评价等级的人数计算出相应的隶属度,进而得到模糊关系矩阵E1：

式中,N为参与评价的学生总人数。同理,可得其他3个一级指标的模糊关系矩阵E2、E3与E4。

将所得的模糊关系矩阵与各自的权重矩阵进行矩阵运算,可得到4个一级指标的评价结果：R1=V1·E1,R2=V2·E2,R3=V3·E3,R4=V4·E4。

将R1、R2、R3、R4组合成综合模糊评价矩阵R：

再将R与一级指标权重矩阵V进行矩阵运算,可得综合评价结果：K=V·R=[k1,k2,k3,k4,k5]。K代表了综合评价结果对各个评价等级的隶属度。根据最大隶属度原则,取max{k1,k2,k3,k4,k5}=kt,则kt对应的评价等级即为最终的评价结论。

3 系统设计

3.1 系统功能模块设计

汽车电路虚拟仿真实训评价系统主要包括用户管理、评价指标管理、指标权重计算、模糊综合评价、评价结果统计等模块。各模块的功能如下：

(1) 用户管理模块：主要完成系统用户的信息管理、角色分类、权限控制与登录验证等；

(2) 评价指标管理模块：用于维护评价指标体系,能够对一级指标和二级指标进行分类管理；

(3) 指标权重计算模块：以二级评价指标体系为数据基础,以模糊一致判断矩阵法为核心,通过专家的模糊评判,计算各级指标的权重；

(4) 模糊综合评价模块：主要完成学生评价信息的录入、存储与计算,通过对二级指标体系的模糊综合运算,得出最终的评价结果；

(5) 评价结果统计模块：用于对每次的评价结果进行统计与查询。

3.2 系统数据库设计

由于汽车电路虚拟仿真实训评价系统各类信息都要存储在数据库中,所以选用关系型数据库SQL Server 2008作为基础数据库。基于对主要功能模块的分析,设计了相关的数据表,包括用户表、评价指标表、评价对象表与评价记录表。各数据表之间建立了主、外键关联关系(见图2)。为保证系统的安全性与执行速度,对数据表的相关操作均封装在数据库的存储过程中,形成独立的数据操作层。

图2 数据表关系图

3.3 系统开发平台

为了更好地实现与汽车电路虚拟仿真实训教学软件集成,系统采用VS 2010作为开发环境,C#.NET作为程序设计语言,采用C/S架构模式进行部署与应用,在服务器端使用SQL Server数据库。由于在指标权重计算模块和模糊综合评价模块涉及到大量的矩阵运算,因此为了提高执行效率,在系统底层采用Matlab完成矩阵运算。例如在计算指标权重时,需要将模糊互补判断矩阵变换为模糊一致判断矩阵,该运算的Matlab代码如下：

%将矩阵A转换为模糊一致矩阵B Function B=TransMatrix(A,n) for i=1:n R(i)=0; for j=1:n R(i)=R(i)+A(i,j); end %for end %for for i=1:n for j=1:n B(i,j)=(R(i)-R(j))/( 2*m)+0.5; end %for end %for end %Function

为了使用方便,可以将完成特定功能的Matlab代码编写成一个函数并存储为M文件,再将该M文件编辑成DLL以供C#调用,这样就可以通过COM方式实现C# + Matlab的混合开发。

4 应用实例

汽车电路虚拟仿真实训教学的评价系统的录入界面如图3所示。为了更好地促进虚拟仿真实训教学水平的提升,以评价系统为平台,进行了汽车电路虚拟仿真实训的评价工作。

图3 评价系统界面(评价录入)图

首先,聘请若干名来自教学一线的教师对各评价指标的相对重要度进行了模糊评判,进而通过系统计算,得到二级指标体系中各指标的权重值；然后,组织在该虚拟仿真实训课程学习的236名学生进行评价,评价对象包括汽车启动电路、雨刮电路、刹车灯电路等13个实训内容。评价结果如图4所示。

图4 评价结果统计界面图

由统计结果可知,对汽车启动电路和刹车灯电路两个模块的评价等级最高,达到“很好”；而汽车电动座椅电路和摇窗机电路两个模块的评价等级最低,为“差”,因此,需要对这两个模块进行相应的改进与完善。

5 结语

以模糊层次分析法为核心,运用C#.NET技术,设计开发的汽车电路虚拟仿真实训教学的评价系统能够按照模糊综合评价的步骤完成相关数据的运算,提高了模糊评价方法的易用性。目前,该系统已经投入实际应用,取得了较好的效果。

References)

[1] 舒华,姚国平.汽车电器设备与维修[M].3版.北京：北京理工大学出版社,2012.

[2] 魏丽.汽车仿真实训教学系统开发及应用[J].中国教育技术装备,2012(33):44-45.

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[8] 苏文霞,白琳,王明东.基于灰色局势决策的实验室工作水平评估[J].实验室研究与探索,2011,30(8):206-209.

[9] 古莹奎,杨振宇.概念设计方案评价的模糊多准则决策模型[J].计算机集成制造系统,2007,13(8):1504-1510.

[10] 许广.多媒体物理教学软件评价指标体系的理论研究[D].长沙：湖南师范大学,2002.

[11] 贾志燕,陈建军.试述多媒体教学软件评价指标体系的构建[J].中北大学学报(社会科学版),2005,21(5):94-96.

Design of evaluation system for virtual simulation training teaching of vehicle circuit

Li Li1, Wu Zhaoyun2

(1. Department of Automotive Engineering,Henan Vocational and Technical College,Zhengzhou 450046,China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

In view of the problems existing in the virtual simulation training teaching of vehicle circuit,and based on C#.NET technology,the evaluation system of the virtual simulation training teaching of vehicle circuit is proposed. By taking the fuzzy analytical hierarchy process as a core,this system includes the four aspects such as establishing the index system,setting up the evaluation grades,confirming the index weight and determining the fuzzy comprehensive evaluation. The design scheme of the evaluation system is introduced,including the function module design,the database design and the system development platform. The practicability and effectiveness of the evaluation system are verified by an application example.

vehicle circuit; training teaching; virtual simulation; evaluation system; fuzzy analytical hierarchy process

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.031

2017-01-22

2017-03-13

河南省高等学校重点科研项目(16A413015)；河南工业大学高等教育教学改革研究项目(2016GJYJXY34)

李丽(1982—),女,安徽无为,硕士,讲师,主要研究方向为虚拟仿真和数字化设计

E-mail：cflw2006@163.com

武照云(1981—),男,辽宁铁岭,博士,副教授,主要从事数字化设计的研究.

E-mail：wzhaoyun@163.com

U463.6；TP391.9

A

1002-4956(2017)07-0118-04