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CN110969918A - 一种学生电学实验接线行为过程的再现方法及系统 - Google Patents

一种学生电学实验接线行为过程的再现方法及系统 Download PDF

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CN110969918A
CN110969918A CN201911202643.3A CN201911202643A CN110969918A CN 110969918 A CN110969918 A CN 110969918A CN 201911202643 A CN201911202643 A CN 201911202643A CN 110969918 A CN110969918 A CN 110969918A
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Abstract

本发明为一种学生电学实验接线行为过程的再现方法及系统，所述方法包括以下步骤：101获取元器件的节点信息，102根据元器件的节点信息进行结构性分析，103根据结构性分析得到的有向连通图进行FR布局计算，104根据FR布局后的元器件节点进行规范化，105根据规范化的元器件节点进行显示。本发明利用元器件的节点信息，根据元器件的节点信息进行结构性分析、FR布局计算、元器件节点规范化、元器件显示，从而再现学生接线过程中的元器件自动布局，即自动使学生接线图的布局达到尽可能的清晰、直观，有利于更准确的评价学生接线行为，以达到准确的指导目的。

Description

一种学生电学实验接线行为过程的再现方法及系统
技术领域
本发明属于实验教学领域，具体的涉及一种学生电学实验接线行为过程的再现方法及系统。
背景技术
随着大数据和物联网的发展，越来越多的行为被记录下来。在电学实验中，通过对实验仪器与导线的ID化以及对其连接状态的记录，可以间接实现对学生接线行为的记录，也就是说，在某一学生的接线操作过程中，因学生的接线操作而发生改变的连接状态都会以时间为序被记录下来，这些成组数据可以表达此学生的接线行为。
通过阅读和再现被记录下来行为数据，可以精确再现学生在电学实验中的接线过程，因此，教师可以据此作为学生接线能力的评价标准。但实际过程中，往往由于行为数据过于抽象而难于理解，很难直接发现数据反映出来的问题。例如，其中每条数据内容为：“实验仪器ID”，“端口ID”，“连接状态”，“导线ID”，“日期”，“时间”等，成组数据也仅仅表达为：某一节点于某一时间发生了某一变化，教师直接阅读此数据时，很难形成直观的电学电路图，更难从中发现学生接线过程中的问题，并对学生进行因材施教。
为了使教师能够更直观的了解某个学生接线过程和学生接线能力，以方便对学生做出较好的指导，就需要将学生的行为数据进行可视化。由于学生的接线行为数据来自于不同的学生主体，并存在较大的随机性，因此实现其可视化的相关算法比较复杂，但目前急需解决学生接线过程的再现方法，以达到更准确评价学生接线行为的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种学生电学实验接线行为过程的再现方法及系统。本发明针对现有技术中直接阅读数据库中某个学生接线行为过程的数据不仅工作量大，而且效率低下，并且不能有效的观察到学生接线行为而提出的，本发明的方法及系统可以有效地解决学生接线行为数据的可视化问题。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种学生电学实验接线行为过程的再现方法，包括以下步骤，
101，获取元器件的节点信息，
102，根据元器件的节点信息进行结构性分析，
103，根据结构性分析得到的有向连通图进行FR布局计算，
104，根据FR布局后的元器件节点进行规范化，
105，根据规范化的元器件节点进行显示。
上述方案优选的，所述步骤101中，可以通过下述方法获取元器件的节点信息:
1011，数据解析，确定元器件节点结构信息，生成相应无向图的节点信息，并通过无向图的节点信息生成相应无向图的边信息；
1012，构建无向图，将相应无向图的边信息转换成无向图，得到不同元器件节点之间的相互连接关系。
上述方案优选的，所述步骤102中，结构性分析可以通过以下步骤实现：
1021，无向图转换处理，当步骤101得到的无向图为无向连通图时，将该无向连通图转换成有向连通图；当步骤101得到的无向图为无向非连通图时，先将所述的无向非连通图分成多个无向连通图，然后对分成的各个无向连通图进行有向连通图转换；当步骤101得到的无向图存在独立的节点时，不对该节点进行分析；
1022，平面性分析，通过对步骤1021得到的有向连通图进行平面性判断，实现有向连通图的平面嵌入；
1023，串并联结构分析，根据平面性分析的结果，进一步分析元器件节点连接的串并联结构，并对元器件节点进行组合，进而确定元器件节点的初始位置和最大位移。
上述方案优选的，所述步骤103中，FR布局计算可以通过下述方法实现：
1031，力计算，计算有向连通图所有相连的节点间的吸引力，计算所有节点间的排斥力，最后计算吸引力和排斥力的合力，通过合力进而获得各个节点的位移；
1032，赋值计算，通过合力计算的位移以及最大位移限制修改节点位置；
1033，温度控制，采用模拟退火算法，用来限制节点的最大位移，并且最大位移随着迭代次数的增大而减少，最后通过迭代使得节点间的相互作用力达到一种动态平衡的状态。
上述方案优选的，所述步骤104中，规范化元器件节点可以通过下述方法实现:
1041，水平对齐，将所述元器件节点在设定误差范围内进行水平方向上对齐；
1042，垂直对齐，将水平方向上对齐的元器件节点在设定误差范围内进行垂直方向上对齐。
上述方案优选的，所述步骤105中，显示元器件节点可以包括以下步骤：
1051，进行元器件图标显示，将元器件图标绘制到显示区域；
1052，进行元器件连线，连接相连的元器件。
本发明同时还公开了一种学生电学实验接线行为过程的再现系统，包括依次连接的数据库、获取模块、结构性分析模块、FR布局计算模块、规范化模块和显示模块。
上述方案优选的，所述结构性分析模块可以包括依次连接的无向图转换处理单元、平面性分析单元和串并联结构分析单元。
上述方案优选的，所述FR布局计算模块可以包括依次连接的力计算单元、赋值计算单元和温度控制单元。
上述方案优选的，所述获取模块可以包括相连的数据解析单元和构建无向图单元。
与现有技术相比，本发明一种学生电学实验接线行为过程的再现方法及系统的优点为：
1、本发明利用元器件的节点信息，根据元器件的节点信息进行结构性分析、FR布局计算、元器件节点规范化、元器件显示，从而再现学生接线过程中的元器件自动布局，即自动使学生接线图的布局达到尽可能的清晰、直观，有利于更准确的评价学生接线行为，以达到准确的指导目的。
2、解决电路图动态布局的规范性问题，通过元器件位置动态调整，减少元器件间的交叉线，使得电路图符合人为认识习惯，在数据可视化过程中具有较好的适应性。
附图说明
图1为本发明一种学生电学实验接线行为过程的再现方法的流程图；
图2为本发明一种学生电学实验接线行为过程的再现方法系统的框架图；
图3为分压实验电路接线数据的最终可视化效果图；
图4为分压实验电路接线数据的可视化过程图；
图5为分压实验电路接线数据的可视化过程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更清楚明了，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明公开了一种学生电学实验接线行为过程的再现方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤101，获取元器件的节点信息。
所述获取元器件的节点信息主要包括以下功能模块：数据解析单元和构建无向图单元。
可选的，在本发明实施例中，学生接线过程中被记录下来的数据存储于数据库中。
所述数据，如表1是从数据库中提取某个学生接线行为过程的数据，该数据按照时间排列，其中每条数据包括：“实验仪器地址”、“端口地址”、“连接状态”、“导线地址”、“日期”、“时间”。
表1：
实验仪器地址 连接状态 端口地址 导线地址 日期 时间
A101 B1 0 7 2019/7/9 19:52.9
0301 B1 0 7 2019/7/9 20:00.3
0301 B1 7 8 2019/7/9 20:13.7
0101 B1 0 4 2019/7/9 21:29.8
1201 B1 0 6 2019/7/9 20:17.7
1201 B1 7 8 2019/7/9 20:30.7
1201 B1 3 3 2019/7/9 20:32.4
B101 B1 7 5 2019/7/9 20:37.4
B101 B1 0 3 2019/7/9 20:35.9
0101 B1 7 5 2019/7/9 21:21.7
0301 B1 6 6 2019/7/9 20:13.9
A101 B1 1 4 2019/7/9 21:34.5
B201 B1 0 1 2019/7/9 21:49.6
B201 B1 7 2 2019/7/9 21:52.1
0101 B1 1 1 2019/7/9 22:25.8
0101 B1 6 2 2019/7/9 22:45.2
0101 B2 1 ** 2019/7/9 22:48.9
0101 B1 1 1 2019/7/9 22:49.9
1201 B2 0 ** 2019/7/9 23:04.6
1201 B1 0 6 2019/7/9 23:06.7
可选的，下面为所述每条数据中各内容的说明：
a)所述实验仪器地址是实验中所使用实验仪器对应的独立地址。例如，所述实验仪器包括有：电源，电阻，毫安表，电压表，开关和滑动电阻等。在数据可视化的过程中，实验仪器地址与元器件一一对应，则一个实验仪器地址对应一个电路图中的元器件。
b)所述端口地址是实验仪器端口的编码。其中，所述实验仪器端口是实验仪器与导线连接的端口，不同实验仪器的端口数量可以不同。
c)所述接线状态为实验仪器端口与导线间的连接状态(B1)或断开状态(B2)。
d)所述导线地址为某根接头ID化的导线与实验仪器端口连接或断开时被记录下来的地址，且同一根导线两端地址一致，“**”为无编号。
e)所述日期和时间为实验仪器端口与导线连接或断开时所发生时间。
所述获取元器件的节点信息包括以下步骤：
1011，数据解析，确定元器件节点结构信息，生成相应无向图的节点信息，并通过无向图的节点信息生成相应无向图的边信息；即从数据库中提取某个学生接线行为过程的数据，对该数据进行解析。
当连接状态为连接时，根据实验仪器地址，在元器件列表新增相应的元器件节点信息，根据数据中端口地址和导线地址添加对应的边信息。所述的边包括元器件地址、端口地址和导线地址等信息。
当连接状态为断开时，根据实验仪器地址，在元器件列表删除相应的元器件节点信息，并根据数据中端口地址和导线地址删除对应的边信息。
优选的，通过上述方法可以生成相应的元器件节点信息，即通过解析和处理数据库中的接线行为过程的单条数据并生成对应的元器件节点结构。
1012，构建无向图，将相应无向图的边信息转换成无向图，得到不同元器件节点之间的相互连接关系；即通过遍历已知元器件节点中的所有边信息，得到无向图。所述的无向图由近邻表构成。
进一步的，对于已经生成的无向图，应当可以获得各节点的连接信息及其位置。因此，在本发明实施例中，可以设定以下数据结构：
节点(Node)
parent:父节点(Node*)
links:与当前节点相连的节点表(map<string,Node*>)
point:位置(Point:(int)x,(int)y)
weight:权值(int)
边(Edge)
start:起始节点(Node*)
end:结束节点(Node*)
weight:权值(int)
步骤102，根据元器件的节点信息进行结构性分析。
可选的是，所述结构性分析方法主要包括：
1021无向图转换处理，当所述的无向图为连通图时，可将该无向连通图转换成有向图连通图。当所述的无向图为非连通图时，先将所述的无向图分成多个连通图，然后对各个连通图进行有向连通图转换。当所述的无向图存在独立的节点时，不对该节点进行分析。
所述无向连通图转换成有向图连通图包括最小生成树和深度优先生成树。所述的最小生成树用于获得节点到节点的最短距离以及最小环，所述的深度优先生成树用于有向连通图的平面性分析和串并联分析。所述的最小生成树和深度优先生成树至少存在一条连通的边。
1022平面性分析，通过对有向连通图的进行平面性判断，可以实现有向连通图的平面嵌入。当有向连通图可平面嵌入时，则所述有向连通图不存在交叉线。所述的平面性分析方法有如下概念：
割点(Articulation Point)：对于一个连通图，存在一个节点，若将该节点删除，使得图不连通，则该节点为割点。
块(Black)：对于一个2-连通图，若该2-连通图不存在割点，则该2-连通图为块。
所述平面性分析具体步骤如下：
通过有向连通图的深度优先生成树获得其割点。
当有向连通图存在割点时，则将有向连通图在割点出断开，并对每个块(Black)进行平面性检测。当且仅当有向连通图的每一个块都是平面图时，有向连通图才是平面图。
1023串并联结构分析,根据平面性分析的结果，进一步分析元器件节点连接的串并联结构，并对元器件节点进行组合，进而确定元器件节点的初始位置和最大位移。对于所述的深度优先生成树，可以判断出每个节点的入度、出度以及分支数，所述的入度为该节点的入边条数，所述的出度为该节点的出边条数，所述的分支数则为出度减1。
当节点路径不唯一，并存在分支时，则节点属于并联的节点。如图3所示，存在的路径有，电阻1->电源2->开关3->滑动变阻器4->电流表5->电阻1。电阻1->电压表6->电阻1。滑动变阻器4->开关3。由此可知，电阻1和电压表6为并联结构。
当节点的路径唯一，且不存在分支时，则该节点属于串联的节点。如图4所述，存在的路径有，电源2->开关3->滑动变阻器4->电流表5。电阻1独立存在。由此可知，电源2、开关3、滑动变阻器4和电流表5为串联结构。
进一步的，根据节点的相对关系对节点进行分层，确定节点和边的权值，进而确定各节点的初始位置信息以及最大位移。所述最大位移的最大值为显示区域宽度的一半，用于限制修改节点位置。
步骤103，根据结构性分析得到的有向连通图进行FR布局计算。
所述FR的基本定义如下：
显示区域：area＝W×H，其中W和H是显示区域宽和高。
平衡距离：
Figure BDA0002296243720000081
其中|v|为节点个数。
相邻节点u,v之间的吸引力为：
fa(u,v)＝(dist(u,v))2/k
节点u,v之间的吸引力为：
fr(u,v)＝(k)2/dist(u,v).
其中dist(u,v)为节点u,v之间的几何距离。
所述FR布局的具体步骤为：
1031计算有向连通图所有相连的节点间的吸引力(边引力)，同时引力与边的权值有关，权值越大，引力越大，边的权值。
1032计算所有节点间的排斥力。
1033然后计算吸引力和排斥力的合力，通过合力进而获得各个节点的位移，并通过最大位移限制修改节点位置。
1034最后采用模拟退火算法，通过迭代使得节点间的相互作用力达到一种动态平衡的状态。
优选的，本发明中所述的吸引力与边的权值有关，权值越大，引力越大。
优选的，本发明中所述的排斥力与节点间的最短距离相关，最短距离数值增大时，其节点间的排斥力也相应增大。
步骤104，根据FR布局后的元器件节点进行规范化。
所述的规范化具体步骤为：
根据元器件节点的串并联结构分析对其进行水平和垂直对齐。如图3电阻1和电压表6的相对关系为并联结构，则将电阻1和电压表的6的进行垂直对齐。对于电阻1和电源2以及开关3，则进行水平对齐。对于滑动变阻器4和电流表5同样的进行水平对齐。
进一步的，通过调整元器件节点间的相对位置，使得元器件水平或垂直方向上间隔均匀，并确保避免元器件重合，进而，保证电路图的布局清晰、均匀。
步骤105，根据规范化的元器件节点进行显示。
本发明实施例中的显示步骤为：
利用相连元器件节点的相对位置关系，实现元器件图像的旋转和水平镜像或垂直镜像。所述的旋转主要是0/90/180/270四个角度的旋转。所述的水平镜像是图像的左右部分以图像垂直中轴线为中心进行镜像对换。所述的垂直镜像是图像的上下部分以图像水平中轴线为中心进行镜像对换。
将元器件图标绘制到显示区域，最后对元器件连线。所述元器件连线是在优先选择距离短的边进行连线(横平竖直)，且避免与其他连线或元器件重合。对于无法避免的交叉线，则通过弧形过线。
图3所示是分压实验电路接线数据的最终可视化效果图，1为电阻，2为电源，3为开关，4为滑动变阻器，5为电流表，6为电压表。电阻1和电压表6的相对关系为并联结构。
图4所示是分压实验电路接线数据可视化的过程图。电阻1仅连接了两条导线，并没有与其他元器件相连，于是将电阻1独立放置。而电源2，开关3，滑动变阻器4，电流表5之间相相连，并且是串联结构。
图5所示是连接电阻1与电流表5。相对于图4，电阻1与电流表5相连，且是串联结构。
本发明还公开了一种学生电学实验接线行为过程的再现系统，包括依次连接的数据库、获取模块、结构性分析模块、FR布局计算模块、规范化模块和显示模块,该系统需要连接外部数据库。
其中所述获取模块包括数据解析单元和构建无向图单元。所述数据解析单元用于确定元器件节点结构信息，并生成相应无向图的节点信息，最后通过无向图的节点信息生成相应无向图的边信息。所述构建无向图单元用于将相应无向图的边信息转换成无向图，得到不同元器件节点之间的相互连接关系。
所述结构性分析模块包括依次连接的无向图转换处理单元、平面性分析单元和串并联结构分析单元。无向图转换处理单元将无向连通图转换成有向连通图。所述平面性分析单元用于对有向连通图进行平面性判断，实现有向连通图的平面嵌入。
所述串并联结构分析单元用于元器件节点进行组合，进而确定元器件节点的初始位置和最大位移。
所述FR布局计算模块包括依次连接的力计算单元、赋值计算单元和温度控制单元。所述力计算单元用于计算有向连通图所有相连的节点间的吸引力，计算所有节点间的排斥力，最后计算吸引力和排斥力的合力，通过合力进而获得各个节点的位移。所述赋值计算单元用于通过合力计算的位移以及最大位移限制修改节点位置。所述温度控制单元用来限制节点的最大位移，并且最大位移随着迭代次数的增大而减少，最后通过迭代使得节点间的相互作用力达到一种动态平衡的状态。
所述规范化模块水平对齐单元和垂直对齐单元。所述水平对齐单元用于将所述元器件节点在设定误差范围内进行水平方向上对齐。所述垂直对齐单元用于将水平方向上对齐的元器件节点在设定误差范围内进行垂直方向上对齐。
所述显示模块包括图标显示单元和元器件连接单元。所述图标显示单元用于将元器件图标绘制到显示区域。所述元器件连接单元用于连接相连的元器件。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种学生电学实验接线行为过程的再现方法，其特征在于：包括以下步骤，
101，获取元器件的节点信息，
102，根据元器件的节点信息进行结构性分析，
103，根据结构性分析得到的有向连通图进行FR布局计算，
104，根据FR布局后的元器件节点进行规范化，
105，根据规范化的元器件节点进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种学生电学实验接线行为过程的再现方法，其特征在于：所述步骤101中，通过下述方法获取元器件的节点信息：
1011，数据解析，确定元器件节点结构信息，生成相应无向图的节点信息，并通过无向图的节点信息生成相应无向图的边信息；
1012，构建无向图，将相应无向图的边信息转换成无向图，得到不同元器件节点之间的相互连接关系。
3.根据权利要求1所述的一种学生电学实验接线行为过程的再现方法，其特征在于：所述步骤102中，结构性分析通过以下步骤实现：
1021，无向图转换处理，当步骤101得到的无向图为无向连通图时，将该无向连通图转换成有向连通图；当步骤101得到的无向图为无向非连通图时，先将所述的无向非连通图分成多个无向连通图，然后对分成的各个无向连通图进行有向连通图转换；当步骤101得到的无向图存在独立的节点时，不对该节点进行分析；
1022，平面性分析，通过对步骤1021得到的有向连通图进行平面性判断，实现有向连通图的平面嵌入；
1023，串并联结构分析，根据平面性分析的结果，进一步分析元器件节点连接的串并联结构，并对元器件节点进行组合，进而确定元器件节点的初始位置和最大位移。
4.根据权利要求1所述的一种学生电学实验接线行为过程的再现方法，其特征在于：所述步骤103中，FR布局计算通过下述方法实现：
1031，力计算，计算有向连通图所有相连的节点间的吸引力，计算所有节点间的排斥力，最后计算吸引力和排斥力的合力，通过合力进而获得各个节点的位移；
1032，赋值计算，通过合力计算的位移以及最大位移限制修改节点位置；
1033，温度控制，采用模拟退火算法，用来限制节点的最大位移，并且最大位移随着迭代次数的增大而减少，最后通过迭代使得节点间的相互作用力达到动态平衡。
5.根据权利要求1所述的一种学生电学实验接线行为过程的再现方法，其特征在于：所述步骤104中，规范化元器件节点通过下述方法实现：
1041，水平对齐，将所述元器件节点在设定误差范围内进行水平方向上对齐；
1042，垂直对齐，将水平方向上对齐的元器件节点在设定误差范围内进行垂直方向上对齐。
6.根据权利要求1所述的一种学生电学实验接线行为过程的再现方法，其特征在于：所述步骤105中，显示元器件节点包括以下步骤：
1051，进行元器件图标显示，将元器件图标绘制到显示区域；
1052，进行元器件连线，连接相连的元器件。
7.一种学生电学实验接线行为过程的再现系统，其特征在于：包括依次连接的数据库、获取模块、结构性分析模块、FR布局计算模块、规范化模块和显示模块。
8.根据权利要求7所述的一种学生电学实验接线行为过程的再现系统，其特征在于：所述结构性分析模块包括依次连接的无向图转换处理单元、平面性分析单元和串并联结构分析单元。
9.根据权利要求7所述的一种学生电学实验接线行为过程的再现系统，其特征在于：所述FR布局计算模块包括依次连接的力计算单元、赋值计算单元和温度控制单元。
10.根据权利要求7所述的一种学生电学实验接线行为过程的再现系统，其特征在于：所述获取模块包括相连的数据解析单元和构建无向图单元。
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