基于教育信息化的實驗教學和實驗管理新模式

馬 馳， 王開宇， 程春雨， 陳 景

(大連理工大學 電子信息與電氣工程學部， 遼寧 大連 116024)

基于教育信息化的實驗教學和實驗管理新模式

馬 馳， 王開宇， 程春雨， 陳 景

(大連理工大學 電子信息與電氣工程學部， 遼寧 大連 116024)

以學生創新能力培養為目標，研發了一種功能完整的實驗教學與實驗管理系統，并與多層次、虛實互補的實驗內容相結合，創建了立體化、虛實結合、資源共享的實驗教學和實驗管理新模式。該模式能夠高效地開展實驗教學，培養學生的創新能力、提高學生綜合素質，是在教育信息化進程中，將信息技術與高等教育相融合的積極探索，為教育信息化發展提供了新的思路。

實驗教學； 實驗管理； 教學管理平臺； 虛擬實驗； 教育信息化

隨著科學技術的飛速發展，社會越來越強烈地表現出對創新型專業人才的需求。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》也對我國高等教育提出了加快教育信息化進程、培養高素質創新實踐型人才的要求。教育部在《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》中進一步提出了信息技術與高等教育深度融合的理念和創新人才培養模式[1-2]。虛擬仿真實驗教學是教育信息化的重要內容，其時間開放、空間開放、生動逼真、安全高效等優點，彌補了傳統實驗教學的不足，成為國內各高校近年研究的熱點[3-6]。

2013年8月，教育部印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》,制訂了“建設具有示范、引領作用的國家級虛擬仿真實驗教學中心，并由此推進實驗教學信息化建設，推動國內各高校實驗教學改革與創新”的總方針[7-9]。在此背景下，大連理工大學電工電子實驗教學中心組建了虛擬仿真實驗教學中心，致力于虛擬仿真實驗教學的改革和研究，開發了一個全新的實驗教學及實驗管理系統，并結合自主研發的虛實結合的實驗內容，構建了立體化的、完整的、資源共享的實驗教學體系，為教育信息化發展提供了新的思路。

1 實驗教學及管理系統網站概述

為充分發揮虛擬仿真實驗教學的優勢，將信息技術與傳統教學真正融合，提高教學效率，必須以先進的管理方式和管理系統為基礎[10-11]。虛擬仿真實驗教學中心結合多年的實驗教學經驗，自主研發了電工電子實驗教學平臺及其管理系統，并不斷將新研發的虛擬仿真實驗項目嵌入其中。該系統運行良好，并得到了使用教師與學生的高度認可。

新開發的實驗教學系統主要包括系統網站和實驗教學管理平臺兩部分，具備實驗管理、開放選課、自主預約、網上預習等功能，學生利用該系統自主學習、自主管理，培養了獨立意識，增強了學習興趣。

大連理工大學電工電子實驗教學中心非常注重信息化建設。中心設有獨立的網站，網站擁有獨立的服務器、IP和域名。網站開放共享，主要發揮對外展示和交流的功能。

2015—2016年，虛擬仿真實驗中心為適應信息化內容不斷增加的情況，升級了網站服務器，并完成了第二代中心網站的建設。建設的主要內容包括：主頁(見圖1)、中心概況、實驗教學、教學資源、管理制度、新聞快訊、創新園地、虛擬實驗、遠程虛擬儀器、遠程實驗室等，全面地介紹了中心的整體情況、師資隊伍、實驗室建設及課程建設，展示了教師和學生取得的各項成果。在設計上，結合最新的網站制作技術完善后臺功能；在內容上優化并豐富了遠程虛擬儀器和虛擬仿真實驗項目，創新園地等特色板塊及其核心內容將教學和改革成果更好地展示出來。

第二代中心網站自運行以來，由專人負責服務器維護和網頁的更新，具有較高展示度，顯著地發揮了對外輻射、擴大影響的作用。

圖1 中心網站主頁

2 實驗教學管理平臺

實驗教學管理平臺是教師管理學生、課程、實驗項目，以及學生選課、預習、進行遠程實驗操作的平臺，是實驗教學的管理系統。圖2為教師在平臺上進行操作時的界面。平臺的開發目標是打造一個易操作、方便、快捷的教務管理系統，并通過該系統達到教學資源的高效利用，讓各種信息資源更有效地服務于實驗教學，實現信息的開放共享。實驗教學管理平臺的主要功能模塊包括選課模塊、系統管理模塊、課程管理模塊、實驗管理模塊、學生管理模塊等，功能完整。

在設計研發實驗教學管理平臺的過程中，做了許多精細化、人性化的改進，從而達到更舒適、更合理的用戶體驗，在滿足用戶需求的同時簡化用戶操作，使每一個使用該平臺的教師和學生都可以輕松上手。

2.1 功能化的實驗設置

教師設置實驗項目時，除了上傳課件、實驗報告、教學視頻和課程相關的附件以外，還可以將實驗項目定義為需要預習和不需要預習兩種。對于需要預習的實驗項目，學生必須上傳預習內容。預習內容通常是簡單的驗證性實驗、制作Flash文件、在線進行電路連線和儀器設置、仿真編程等，如圖3所示。學生預習完成后點擊確認，系統將自動判定、給出學生的預習成績數并存檔。

通過將驗證性實驗內容做成虛擬的預習實驗，學生能夠更直觀地理解課程內容和知識點，取得更好的預習效果。同時，生動新穎的預習形式也提高了學生的學習興趣，為學生自主學習奠定了基礎。系統的自動判分和存檔功能有效地減少了教師的工作量，提高了教學效率。

圖2 平臺的教師管理界面

圖3 學生預習界面

2.2 易用化的設課功能

為保證實驗教學質量和培養學生獨立動手能力，中心采取小班授課制(每班20人以內)、單人單組的實驗教學方式，因為每學期選課的學生有幾百甚至上千人，所以每個實驗項目都要重復開設幾十個班次以滿足實驗教學要求。同時，每門實驗課程包含多個不同的實驗項目，每一個實驗項目都要重復開設多個班次，這意味著每個學期初，在錄入開課計劃時，授課教師需要在系統里設置上百個班次的實驗時間和學生預約時間，操作起來是一項龐大的工程，并且很容易出錯。

針對這個問題，新的選課模塊將開課設置頁面與真實日歷統一起來，教師設置開課時間時直接在日歷上點選，簡單直觀、一目了然。在創建實驗項目時，教師可以一次性設定學時數和允許學生提前預約的天數。根據預設的學時數和提前預約天數，系統自動計算實驗課結束時間和學生預約時間；而教師在錄入系統時，只需要點選開課時間。這些人性化的設置大大節省了操作時間，降低了設置出錯的概率，在提高工作效率的同時，可避免教學事故發生。

2.3 智能化的選課系統

學生在預約實驗項目時，能看到每堂實驗課所在的實驗教室和空閑實驗臺數量。實驗時間選好后，如遇臨時不能按時上課的情況(如生病、與考試沖突等)，可以退課重選。在進行退課操作前，學生可以看到該實驗項目在之后的時間是否還開課和是否還有實驗空位可選。如果已經不能再選，學生可以通過留言系統聯系授課教師，進行換課或單獨補課，十分人性化。同時，系統設置學生預約信譽，即每個學生只有3次自由調課的機會，機會用完將不能在系統里退課。系統會彈出提示，提示學生當前的信譽度。

自由調課的功能給予學生和教師更大的自由度，將開放性教學理念落到實處，而預約信譽的設置則引導學生對待學習保持嚴肅認真的態度，有助于培養學生責任心和自我約束能力，端正心態。

3 四級賬號實驗管理

在系統管理上，設置了4個等級的賬號。

第一級為“超級管理員”，可以進行所有操作，查看及修改所有數據，擁有最高修改權限。只有超級管理員能夠設置教師賬號和實驗課程，并分配教師到對應的實驗課程。

第二級為“教師賬戶”，擁有對所負責實驗課程的所有操作和管理權限，例如設置實驗項目、選定實驗教室、設置開課時間、管理學生等。

第三級為“學生賬戶”。學生選擇了某門實驗課程后，通過學生賬戶登錄系統，就可以查看該門課程的所有資料，進行預習并預約實驗時間。學生賬戶的顯示界面和操作權限與教師賬戶完全不同。

第四級為“游客賬戶”，只提供瀏覽功能，不能對系統內容進行任何修改。游客賬戶的主要作用是對外展示與交流。

4 實驗教學體系建設

傳統的實驗教學過于依賴實驗室及其配套實驗儀器設備，并局限于特定的實驗條件。受場地、環境、成本和安全性等各方面因素的影響，傳統的真實實驗教學無法完整地再現很多理論內容，實驗項目也相對固定和單調。而虛擬仿真實驗突破了時間和空間的限制，彌補了真實實驗的許多不足[12-13]。例如：可以根據科技發展不斷更新和擴展實驗內容，可以開設較高成本的綜合性實驗項目，可以模擬非常復雜的實驗條件和實驗環境，也可以讓學生安全、自由地嘗試各種極限實驗條件和高危險性的實驗內容。

此外，逼真的虛擬實驗環境和良好的人機互動對提高學生的學習興趣、鍛煉學生的學習能力和開闊學生視野也有顯而易見的好處，是實驗教學的新載體。但是，虛擬仿真實驗并不能完全替代真實實驗，虛實互補、相互促進的實驗教學模式才是培養創新實踐型人才的最有效途徑[14]。

大連理工大學電工電子實驗教學中心以“虛實結合、資源共享”的理念，堅持實驗教學內容改革，不斷創新實驗項目，將虛擬實驗與真實實驗融合在一起，二者相輔相成，構建了從基礎驗證型實驗到思維訓練型實驗，再到綜合研究型實驗的分層次、立體化、循序漸進的實驗體系。與建設高效能、人性化的實驗教學系統相結合，中心創造了一種全新的、國際化的、虛實結合的實驗教學模式，不僅鍛煉了學生的綜合實踐能力和創新能力，也培養了學生自主學習、自主管理的習慣，為向社會輸出合格的實用性精英人才奠定了堅實基礎。

5 結語

虛實結合的實驗教學模式、高效能的實驗管理系統和教育資源的開放共享，都是教育信息化的必然趨勢。網絡和虛擬仿真技術的飛速發展，也讓實驗教學的手段和內容變得更具多樣性，為高等教育的持續改革與發展注入新的活力。基于功能完整的實驗教學與管理系統而構建的立體化、虛實結合的實驗教學體系，能夠有效地提高教師工作效率、充分地利用教學資源、激發學生的學習積極性、增強學生的實踐能力和創新能力，是在教育信息化進程中將信息技術與高等教育融合的積極探索。

References)

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[14] 陳恒.虛擬仿真技術在電子類實驗課程中的應用研究[J].實驗室科學,2015,18(3):59-61.

Novel experiment and teaching management mode based on educational informationization development

Ma Chi1, Wang Kaiyu2, Cheng Chunyu3, Chen Jing4

(Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

This paper elaborates on a new, multi-functional experiment and teaching management system. Combined the system with a multi-level experimental content including both virtual and real experiments, a novel experimental teaching mode is built which can efficiently improve students’ comprehensive quality, providing a new thinking of educational informationization development.

experimental teaching; experimental management; teaching management platform; virtual experiment; educational informationization

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.034

2016-12-14

中央高校基本科研業務費專項資金項目(DUT16QY32)；遼寧省自然科學基金項目(201602166)

馬馳(1984—)，女，遼寧大連，碩士，工程師，主要從事電工電子及其虛擬仿真實驗教學及研究工作.

G642.0

A

1002-4956(2017)06-0139-04