李 麗, 武照云

(1. 河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系, 河南 鄭州 450046；2. 河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 麗1, 武照云2

(1. 河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系, 河南 鄭州 450046；2. 河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

針對(duì)汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問(wèn)題,基于C#.NET技術(shù),開發(fā)了汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該評(píng)價(jià)系統(tǒng)以模糊層次分析法為核心,包括建立指標(biāo)體系、建立評(píng)價(jià)等級(jí)、確定指標(biāo)權(quán)重和模糊綜合評(píng)價(jià)等4個(gè)方面。介紹了評(píng)價(jià)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì),包括功能模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。通過(guò)應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性。

汽車電路； 實(shí)訓(xùn)教學(xué)； 虛擬仿真； 評(píng)價(jià)系統(tǒng)； 模糊層次分析法

汽車電路實(shí)訓(xùn)的目的是加深學(xué)生對(duì)汽車電路的理解,使學(xué)生能夠?qū)收习l(fā)生的原因進(jìn)行剖析,并且會(huì)使用檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行電路故障檢測(cè)[1]。運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)是近年來(lái)教育信息化領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)方向[2-4]。利用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行汽車電路實(shí)訓(xùn),可以非常接近真實(shí)情況,減少實(shí)訓(xùn)設(shè)備投入,降低實(shí)訓(xùn)室的采購(gòu)與維護(hù)成本,并且不存在實(shí)物實(shí)訓(xùn)中潛在的危險(xiǎn)。因此,汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)是一種非常有前景的數(shù)字化實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。為了進(jìn)一步完善虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的功能、提高虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)水平,有必要對(duì)該教學(xué)模式進(jìn)行科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)。

本文針對(duì)汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的評(píng)價(jià)需求,提出采用模糊層次分析法(fuzzy analysis hierarchy process,FAHP)對(duì)該教學(xué)模式進(jìn)行評(píng)價(jià),并用C#.NET開發(fā)了汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng),為更好地改進(jìn)教學(xué)方法、提高教學(xué)質(zhì)量提供系統(tǒng)支持。

1 汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)

為充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、進(jìn)一步推動(dòng)虛擬仿真在高校實(shí)訓(xùn)課程中的應(yīng)用,河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院與河南工業(yè)大學(xué)聯(lián)合組成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課題組自主開發(fā)了汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件。該軟件包括汽車啟動(dòng)電路、雨刮電路、轉(zhuǎn)向與危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈電路等13個(gè)汽車電路實(shí)訓(xùn)內(nèi)容,其中汽車轉(zhuǎn)向燈與危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊如圖1所示。

教師可以在該軟件中設(shè)置電路故障類型、發(fā)布實(shí)訓(xùn)題目、查看學(xué)生實(shí)訓(xùn)結(jié)果、進(jìn)行成績(jī)統(tǒng)計(jì)分析和故障診斷能力評(píng)估等；學(xué)生可以查看實(shí)訓(xùn)題目、控制電路開關(guān)、設(shè)置電壓表檢測(cè)端子、虛擬測(cè)量電壓、階段性故障排除、提交故障檢測(cè)報(bào)告等。使用該軟件,學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中完成汽車電路故障檢測(cè)的實(shí)訓(xùn)練習(xí),并實(shí)現(xiàn)一人一機(jī)、一人一題,而且每個(gè)學(xué)生須獨(dú)立思考并解決問(wèn)題,大大提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向燈與危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊

2 基于FAHP的評(píng)價(jià)方法與步驟

FAHP將模糊數(shù)學(xué)理論與層次分析法相結(jié)合,在傳統(tǒng)的層次分析法基礎(chǔ)上,充分考慮了人為判斷的模糊性[5-6]。該方法已經(jīng)在教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)[7]、實(shí)驗(yàn)室評(píng)估[8]與決策分析[9]中發(fā)揮了重要作用。

2.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

目前,國(guó)內(nèi)還沒有形成對(duì)于虛擬仿真教學(xué)軟件的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),因此本文綜合參考了一些高校在CAI軟件評(píng)價(jià)方面的經(jīng)驗(yàn)[10-11],建立了汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的兩級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 確定評(píng)價(jià)等級(jí)和評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

在該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中,各項(xiàng)指標(biāo)性能均無(wú)法量化,只能采用帶語(yǔ)言變量的評(píng)價(jià)值進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)。對(duì)于虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的評(píng)價(jià)結(jié)果一般可以分成5個(gè)等級(jí),分別為很好、好、一般、差、很差。

在模糊綜合評(píng)價(jià)中,各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重將對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。常用的指標(biāo)權(quán)重確定方法主要有德爾菲法、層次分析法、模糊一致判斷矩陣法等。其中,模糊一致判斷矩陣法應(yīng)用較廣,效果較好。因此,本文采用該方法來(lái)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。具體步驟為：

(1) 構(gòu)造0.1—0.9表示兩指標(biāo)相對(duì)重要程度的標(biāo)度方法,如表2所示；

表2 指標(biāo)相對(duì)重要程度的標(biāo)度

(2) 利用表2將同一級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩比較,得到模糊互補(bǔ)判斷矩陣M；

(3) 將M變換為模糊一致判斷矩陣P,并求出P的特征值及對(duì)應(yīng)的特征向量,再進(jìn)行歸一化處理,得到歸一化的特征向量H,H即為指標(biāo)權(quán)重矩陣。

運(yùn)用上述方法,可得到Z1、Z2、Z3和Z4的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重矩陣V1、V2、V3與V4。同理,可得一級(jí)指標(biāo)權(quán)重矩陣V。

2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

要求每個(gè)學(xué)生都在完成實(shí)訓(xùn)后對(duì)課程進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表樣式如表3所示。

表3 評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表 人

對(duì)于一級(jí)指標(biāo)Z1,根據(jù)統(tǒng)計(jì)表,可由其二級(jí)指標(biāo)每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的人數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的隸屬度,進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣E1：

式中,N為參與評(píng)價(jià)的學(xué)生總?cè)藬?shù)。同理,可得其他3個(gè)一級(jí)指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣E2、E3與E4。

將所得的模糊關(guān)系矩陣與各自的權(quán)重矩陣進(jìn)行矩陣運(yùn)算,可得到4個(gè)一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果：R1=V1·E1,R2=V2·E2,R3=V3·E3,R4=V4·E4。

將R1、R2、R3、R4組合成綜合模糊評(píng)價(jià)矩陣R：

再將R與一級(jí)指標(biāo)權(quán)重矩陣V進(jìn)行矩陣運(yùn)算,可得綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：K=V·R=[k1,k2,k3,k4,k5]。K代表了綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。根據(jù)最大隸屬度原則,取max{k1,k2,k3,k4,k5}=kt,則kt對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)即為最終的評(píng)價(jià)結(jié)論。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要包括用戶管理、評(píng)價(jià)指標(biāo)管理、指標(biāo)權(quán)重計(jì)算、模糊綜合評(píng)價(jià)、評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)等模塊。各模塊的功能如下：

(1) 用戶管理模塊：主要完成系統(tǒng)用戶的信息管理、角色分類、權(quán)限控制與登錄驗(yàn)證等；

(2) 評(píng)價(jià)指標(biāo)管理模塊：用于維護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,能夠?qū)σ患?jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行分類管理；

(3) 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算模塊：以二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),以模糊一致判斷矩陣法為核心,通過(guò)專家的模糊評(píng)判,計(jì)算各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重；

(4) 模糊綜合評(píng)價(jià)模塊：主要完成學(xué)生評(píng)價(jià)信息的錄入、存儲(chǔ)與計(jì)算,通過(guò)對(duì)二級(jí)指標(biāo)體系的模糊綜合運(yùn)算,得出最終的評(píng)價(jià)結(jié)果；

(5) 評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)模塊：用于對(duì)每次的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與查詢。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

由于汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)各類信息都要存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,所以選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server 2008作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)?；趯?duì)主要功能模塊的分析,設(shè)計(jì)了相關(guān)的數(shù)據(jù)表,包括用戶表、評(píng)價(jià)指標(biāo)表、評(píng)價(jià)對(duì)象表與評(píng)價(jià)記錄表。各數(shù)據(jù)表之間建立了主、外鍵關(guān)聯(lián)關(guān)系(見圖2)。為保證系統(tǒng)的安全性與執(zhí)行速度,對(duì)數(shù)據(jù)表的相關(guān)操作均封裝在數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)過(guò)程中,形成獨(dú)立的數(shù)據(jù)操作層。

圖2 數(shù)據(jù)表關(guān)系圖

3.3 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

為了更好地實(shí)現(xiàn)與汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件集成,系統(tǒng)采用VS 2010作為開發(fā)環(huán)境,C#.NET作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,采用C/S架構(gòu)模式進(jìn)行部署與應(yīng)用,在服務(wù)器端使用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。由于在指標(biāo)權(quán)重計(jì)算模塊和模糊綜合評(píng)價(jià)模塊涉及到大量的矩陣運(yùn)算,因此為了提高執(zhí)行效率,在系統(tǒng)底層采用Matlab完成矩陣運(yùn)算。例如在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重時(shí),需要將模糊互補(bǔ)判斷矩陣變換為模糊一致判斷矩陣,該運(yùn)算的Matlab代碼如下：

%將矩陣A轉(zhuǎn)換為模糊一致矩陣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

為了使用方便,可以將完成特定功能的Matlab代碼編寫成一個(gè)函數(shù)并存儲(chǔ)為M文件,再將該M文件編輯成DLL以供C#調(diào)用,這樣就可以通過(guò)COM方式實(shí)現(xiàn)C# + Matlab的混合開發(fā)。

4 應(yīng)用實(shí)例

汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)的錄入界面如圖3所示。為了更好地促進(jìn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)水平的提升,以評(píng)價(jià)系統(tǒng)為平臺(tái),進(jìn)行了汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的評(píng)價(jià)工作。

圖3 評(píng)價(jià)系統(tǒng)界面(評(píng)價(jià)錄入)圖

首先,聘請(qǐng)若干名來(lái)自教學(xué)一線的教師對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要度進(jìn)行了模糊評(píng)判,進(jìn)而通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算,得到二級(jí)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重值；然后,組織在該虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程學(xué)習(xí)的236名學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)對(duì)象包括汽車啟動(dòng)電路、雨刮電路、剎車燈電路等13個(gè)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示。

圖4 評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)界面圖

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,對(duì)汽車啟動(dòng)電路和剎車燈電路兩個(gè)模塊的評(píng)價(jià)等級(jí)最高,達(dá)到“很好”；而汽車電動(dòng)座椅電路和搖窗機(jī)電路兩個(gè)模塊的評(píng)價(jià)等級(jí)最低,為“差”,因此,需要對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)與完善。

5 結(jié)語(yǔ)

以模糊層次分析法為核心,運(yùn)用C#.NET技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)的汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)能夠按照模糊綜合評(píng)價(jià)的步驟完成相關(guān)數(shù)據(jù)的運(yùn)算,提高了模糊評(píng)價(jià)方法的易用性。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用,取得了較好的效果。

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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

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16A413015)；河南工業(yè)大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2016GJYJXY34)

李麗(1982—),女,安徽無(wú)為,碩士,講師,主要研究方向?yàn)樘摂M仿真和數(shù)字化設(shè)計(jì)

E-mail：cflw2006@163.com

武照云(1981—),男,遼寧鐵嶺,博士,副教授,主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)的研究.

E-mail：wzhaoyun@163.com

U463.6；TP391.9

A

1002-4956(2017)07-0118-04