高校實驗教學過程管理的系統方法

呂念玲, 黃曉梅, 張林麗, 李 斌, 殷瑞祥

(華南理工大學 電子與信息學院, 廣東 廣州 510640)

工程教育是我國高等教育的主要組成部分,2003年我國開始試行工程教育認證,并于2016年6月正式加入國際工程教育認證組織——華盛頓協議[1],確定了以學生能力成長為宗旨的工程教育目標,明晰了12項工程專業教育畢業達成指標[2-4]。實驗與實踐教學是工程教育中不可或缺的重要教育教學環節,科學有效地實施實驗教學是保障工程專業人才培養畢業達成的一項關鍵任務。

實驗教學有實踐性、載體性、重復性及資源依賴性的特點,所以,實驗教學是一項重在過程的教學工作[5]。但在教學實施過程中,實驗結果的檢測往往比實驗過程檢測更容易,這就使得實驗教學常常走過場、效率低,嚴重影響教學質量的提高。本文以華南理工大學電類專業實踐教學改革為基礎,提出實驗教學過程管理的系統方法,探索進一步提高人才培養質量的新路。

1 實驗教學過程管理的意義

1.1 突破管理難點,切實提高教學質量

學生的實驗過程,包括實驗預習、實驗操作和實驗報告3個環節,是與內容設置、資源支撐和過程實施密切相關的過程。該過程時間跨度長,場地常常布局在實驗室內、外,甚至校內、校外,參與人數眾多。現行的主要依賴教師人力實施過程管理的方式,受限于時間和空間、受制于管理的技術與手段,教師常感“心有余,而力不足”,質量提升遭遇瓶頸。向過程管理要質量,必須改變傳統的過程管理思維模式,借助技術手段,探索新方法,才能突破管理難點,支撐教學質量上新高度[6-9]。

1.2 凝練過程要素,扭轉過度關注結果的評價方式

實驗教學的目標是通過成熟內容訓練學生的能力,因此,對于學生實驗過程的評價,比對于學生獲得的實驗結果評價更加重要。但教學實施過程中,影響質量的因素很多,給管控帶來一定的困難,這就造成了現實教學及評價 “重結果、輕過程”的現狀。聚焦實驗教學的根本目標、凝練過程管理中影響教學質量的內涵要素、建設基于過程的多元評價機制,才能轉變教、學雙方過度關注結果的現狀。

1.3 實現過程自整定,保持教學系統的穩定

過程管理,是教學大系統中的重要一環。傳統的實驗教學過程是一個單向、開環的過程,從系統穩定的角度來看,開環系統信息易流失、穩定性較差。因此,通過收集過程管理信息、挖掘過程要素之間的內涵關聯、建設過程管理閉環系統、實現教學過程的自整定,是保持教學穩定,質量持續提高的必要條件。

2 實驗教學過程中的質量要素

實驗教學過程管理中,與教學質量相關度高的因素是過程管理關注的要點。

(1) 身份識別。高等教育承擔學生知識傳授與能力培養的同時,也承擔認證職能。實驗學習過程中的抄襲、代做、代考等行為,都有悖于認證的真實性原則,因此,過程管理要解決的首要問題就是實驗者身份的真實性問題,后續的教學與評價才有意義。

(2) 預習效果。實驗是手腦并用的過程,學生在實驗預習階段的投入,直接影響到實驗課的質量。檢查學生的實驗預習報告,僅說明學生完成了預習的形式,無法考量其預習的實際效果。實驗課上常會看到預習報告抄了好幾頁,仍然不會處理實驗問題的學生。由于實驗準備的好與不好都能做實驗,學生實驗學習的積極性與主動性普遍不高。如果將預習質量的要求轉變成實驗課堂上可以檢測的指標,可以引導并推動學生的有效預習。

(3) 教學輔導。掌握規范的操作技能,是一個反復模仿、練習、出錯與糾正的過程,所以教學的重點也在學生實驗的過程之中。傳統的實驗課堂,通常是1～2名主講教師和教輔人員,承擔整個課堂的答疑、糾錯、輔導、安全管理和實驗數據審核、驗收等工作,無法更到位地照顧到學生個體；學生出現操作錯誤、數據誤差等無法及時得到糾正。憑借教師的人力管理的實驗課堂,教學輔導力量嚴重不足,需要考慮借助智能手段,協助現場教師，拓展教學輔導的廣度與深度。

(4) 學情信息。教學質量的提高不可一蹴而就,是一個持續提升的過程；實驗現場反映的問題,是做出教學質量評價的最可靠依據。傳統實驗課堂,教師對學生學習狀態的了解是通過答疑、輔導和糾正錯誤的互動中獲得的,由于取樣面窄,所以信息不全面；更有一些反映學生認知變化的動態信息,由多個狀態信息組成,不是單憑一次觀察,就能得出結論的。因此依靠技術手段,獲取反映教學效果的學情大數據,是過程管理的一項重要任務。

(5) 操作評價。實驗過程是培養學生實驗能力和實驗素養的主要途徑,學生在實驗現場的操作情況,反映其真實的實驗水平。因此,對學生實驗成績的評定應以現場操作評價為主。而以實驗結果為單一評價標準的學生實驗成績評價方法,令學生過分關注結果,而忽視在實驗學習過程的投入和積累。唯有將指揮棒指向過程評價,才能更好地落實“實驗教學重在過程”的理念。

3 實驗教學過程管理的系統思考

綜上所述,實驗教學過程管理,是一個多方面、多層次的,有其獨特內涵的系統整體。從系統觀點出發,通過分析過程管理的整體效果與具體流程的關系,研究管理系統內部與外界實施條件相互關聯,從整體性、最優性、動態性及層次性原則出發,對實驗教學過程管理進行最優設計。

3.1 建設實驗過程管理的閉環系統

從學生參與的角度看,實驗過程包含實驗預習、實驗操作及提交報告環節。所以,一般的實驗過程管理是以輔助、輔導學生完成上述學習環節為主要目的、單向、開環的管理過程。

但從教育教學的角度看,優質的實驗課實施,在形式上是循環往復的,而在質量上是螺旋上升的動態過程,其得以上升的驅動力,來源于對每個教學循環效果的研究判斷與調整提高。因此,完善的實驗過程管理,必須是一個教學設計、過程管理、效果分析與反饋調整等環節緊密關聯、相互作用、可自矯正的閉環系統,如圖1所示。在此閉環系統中,學生在實驗過程中呈現的各種狀態,出現的各種共性問題,即學情信息大數據,才可能被收集、分析,并利用,在提升過程管理有效性的目標下體現價值。

圖1 實驗過程管理信息閉環系統圖

3.2 選擇代表性的過程檢測點

實驗過程管理要關注的關鍵檢測點是學情大數據獲取的重點,也是難點。實驗教學的目標就是通過成熟的實驗項目,訓練學生從事實驗研究的能力。學生實驗過程中對學習任務的理解、操作中遇到的困難,最終是否完成任務等,是過程管理要掌握的重要信息。因此,過程管理要獲取切實反映學生實驗過程動態的行為數據和用于判斷效果的結果數據。選擇檢測點要滿足2個原則。

(1) 與學生實驗狀態或實驗效果緊密相關,且具代表性。以預習效果檢測環節為例,預習報告反映的是學生完成了預習的過程；而進行在線的預習檢測,則考查了學生解決實驗基本問題的能力,是檢測預習效果。因此,將在線預習檢測設置為過程檢測點,比翻閱預習報告更能夠了解學生實驗準備的情況。

(2) 選擇便于機器采集的監控對象。全過程的數據采集,需要借助計算機工具,所以要選擇便于機器自動識別與檢測的過程對象。

如表1所示,基于上述原則,選擇的檢測點及其對于教學管理的意義。

表1 過程檢測點及其意義

表1(續)

3.3 實施過程評價

基于上述過程檢測點的設置,每個學生的每個檢測點信息都被打上多個“標簽”,每個檢測點數據被賦予了多重的意義(見表1)。通過數據挖掘,可以獲取支撐過程評價的依據。簡單地說,這個過程就是把原來由教師跟隨的全過程,才能做出的對于操作的參與度、熟練度、規范度和準確度的評價,轉換成計算機可以識別的面部信息。實驗進行的速度、關鍵實驗數據和刷新次數,以及數據正確率等描述方式,計算機可以把學生實驗全過程動態地記錄下來；教師參考上述原始數據記錄，根據評價側重點,賦予檢測目標相應的權重,計算機可以輔助教師給每一個學生的現場操作進行監測與評價。

3.4 助力管理制度柔性落地

強化過程管理,是為了將制度與評價緊密關聯,督促學生給予實驗學習足夠的重視,學生個體要提升積極性和主動性,付出努力,才能達到目標,其過程無疑是辛苦的。有些學生會產生抗拒情緒,所以管理過程要把握方式方法。特別是事關分數、資格、能力或水平的評價容易影響學生情緒波動的管理操作,要充分考慮學生的感受與自尊,減少師生面對面可能產生的不愉快,讓過程管理的約束與要求以學生愿意接受的方式、潛移默化地影響學生。

4 實驗教學過程管理系統的實現與應用

為了使借助技術手段、強化實驗過程管理的理念在教學實驗室落地,并切實惠及師生,開展了大量的基于人臉識別技術、數據采集技術、標準化接口技術及網絡技術在實驗教學過程管理領域的創新研究,并對在線管理模式融入教學應用進行探索。

4.1 構建互聯互通的測試環境

啟動傳統實驗室整體改造,購置了配備網絡端口的示波器、萬用表、程控電源和函數信號發生器,在配套軟件驅動下,可實現設備的遠程調控,測試數據以儀器截屏方式上傳。每張實驗臺還配備實驗用計算機和交換機,實驗臺接入校園網。為實施實驗過程在線管理,打好基礎。

4.2 開發實驗在線共享平臺管理軟件

與企業聯合開發擁有獨立知識產權的管理軟件系統。

4.2.1 開發工具、框架

系統采用層次化設計結構,將B/S架構與C/S架構相結合,提供彈性可擴展的系統架構,包括前端Web層、中間數據協議層和計算資源層和物理資源層,以及消息管理、分布式數據存儲、存儲系統、文件讀寫和安全等4個子系統,如圖2所示。其中Web層提供網頁模式的服務,讓學生能通過網頁登錄系統,開展包括預習檢測、實驗數據處理等操作；中間數據協議層完成提供多種服務的接口和操作管理流程,包括身份登錄與識別管理、數據加密管理以及服務的分發,同時利用Restful結構提供對外的API服務、提供移動端的登錄操作；計算資源層提供必要的計算資源,支撐包括人臉識別和大數據分析所需的計算能力。

圖2 管理系統框架圖

4.2.2 智能電源系統的研制

配合管理過程中實驗臺供電的需要,開發了電類實驗臺電源智能控制系統，包括控制開關硬件,以及實現實驗預習自動組卷、自動評分、滿足條件時命令控制開關自動接通的軟件系統，實現實驗室32個實驗臺的部署。

采用B/S+C/S結合使用的模式解決瀏覽器的限制問題。系統數據都存儲在遠程服務器,考慮到實際的應用場景系統采用B/S架構進行開發,為了實現智能電源的控制效果和解決瀏覽器的限制問題,引入基于C#開發的客戶端程序。系統在服務端設定了多重邏輯條件,當滿足特定條件的要求時,客戶端作為服務端和電源通信的中間橋梁,傳達著彼此的指令信息(見圖3)。

圖3 電源智能控制實現圖

4.2.3 人臉識別登錄

系統人臉識別采用了深度學習技術[10-11],利用谷歌的tensorflow結構提供包括人臉定位和識別功能,基于度量學習技術實現人臉識別登錄功能,算法架構如圖4所示。

圖4 人臉識別系統算法架構圖

算法基于卷積神經網絡[12],使用已有的人臉數據訓練該網絡模型,并輸出512維度的特征作為每張人臉的特征表達。我們將該系統用于識別程序,分別應用于系統的登錄操作和實驗過程監測。當新的學生注冊后,系統會保存不同光照、角度下的人臉特征,在實驗過程中系統定時采集學生的臉部信息,并將采集到的數據與數據庫中的特征值比對,基于歐氏距離的度量后,系統可以在一定誤差內確定學生的身份信息。

4.3 功能實現

在線實驗共享平臺支撐下,實驗過程由簡單的單向流程,變為過程精細化管理的閉環系統,具體流程如圖5所示。

該系統是學生的實驗助學系統。學生在實驗現場刷臉登錄,進行預習檢測；滿足分數條件,實驗設備才上電；實驗過程按照要求上傳指定的關鍵測試點數據,系統具備出錯自動提醒功能；實驗結束,學生可獲取回傳的原始實驗數據,完成實驗報告。當實驗結束,學生可以看到自己在預習環節、實驗現場操作及實驗報告3方面的評價；對于實驗過程中出錯率高的(如：一次上傳數據出錯率高于40%的)學生,系統自動給出其下次實驗項目的個性化建議。即從第二次實驗開始,學生就擁有了個性化的實驗學習方案；實驗課程結束,獲得實驗課總評成績。

該系統是教師的學情信息存儲、分析與反饋平臺。實驗要求以預習題目、關鍵操作檢測點及各環節成績評價標準等可量化的方式落實到過程管理各環節。實驗過程中,教師對實驗難點和重點的講授,以及現場巡回輔導等傳統實驗教學方式依然保留；不同的是,計算機在現場實施監控并自動獲取、存儲每個學生的關鍵實驗數據和反映其現場實驗狀態的行為數據。實驗結束后,教師既可以看到上述全部的原始數據,也可以看到計算機按照預先設定的數據關聯形成的階段評價,幫助教師發現班級實驗共性問題、確定是否調整實驗要求或優化實驗設計。

圖5 實驗在線管理閉環系統圖

4.4 系統應用

計算機輔助的正、誤判斷,就像“0”“1”代碼,非此即彼,無中間條件可言。但是系統的服務對象是真實的學生群體,如何應用管理工具達成“所有的管理措施不是為難學生,而是為了幫助學生學得更好、更輕松”的初心,考量的是教師把握評價公平與管理藝術的大智慧。

4.4.1 剛柔并舉的準入制度

對實驗預習提出明確要求,并利用電源智能控制系統落實“實驗準入制”,即實驗現場,計算機自動隨機組成一份包含10道選擇題的預習檢測卷,每題10分；學生答題、提交,系統自動判卷、計分；考不到60分,該實驗臺電源無法接通,該學生原則上不可以進行當次實驗。上述檢測在15 min內完成,以3次為限。其實,學生在宿舍登錄實驗在線共享平臺,是可以無次數地進行預習檢測的模擬練習,練習的過程就是預習的一部分。可見,嚴格準入制度的根本目的不是不讓學生做實驗,而是督促學生做好預習。

4.4.2 一視同仁的客觀評價

成績評價關乎學生切身利益,務必獎勤懲懶、體現公平。給予每個學生的評價,都是依據計算機過程檢測獲取的數據(如表1所示),在統一的評價標準模式下獲得的。有2個關鍵環節評價的設計給予了足夠的重視。

(1) 預習評價關注熟練。設置了與測試次數對應的權重,鼓勵做得正確且熟練的學生。具體評分方式為：

第一次提交預習自測,預習分數=檢測實際得分*1(次數權重)

第二次提交預習自測,預習分數=檢測實際得分*0.9(次數權重)

第三次提交預習自測,預習分數=檢測實際得分*0.8(次數權重)。

(2) 現場操作評價關注過程。把反映過程的順序與時間要素納入評價指標,改變僅憑實驗數據對錯進行評價的方式。學生上傳數據的順序,反映對調試步驟的理解；第一次上傳出錯率高,反映對實驗原理、實驗測試的掌握比較差；實驗測試項目完成的速度,反映實驗熟練程度；綜合上述因素,把完成速度、順序無誤和數據正確并列為反映過程質量的最高級別,并設置現場操作評價標準。

在關鍵檢測點數據全部上傳、順序無誤和數值全部正確的學生中,提交時間排序前10名的,現場操作分=100。

在余下的學生中,數據全部上傳、順序無誤和數值全部正確的學生,現場操作分=90。

剩下的學生存在上傳數據不全、順序錯誤,以及數據錯誤等問題。上傳順序錯誤的,現場操作成績乘以系數0.8；數據缺失-15分/個,數據錯誤-10分/個。則現場操作分=90*80%-15*數據缺失個數-10*數據錯誤個數。

4.5 教與學的緊密互動

本過程管理的理念是以學情數據為基礎,以實驗教學過程在線管理平臺為支撐,以學情大數據分析為核心,形成教學任務設置與學習效果反饋的閉環系統。基于對教學全過程的信息收集與分析,了解學生實驗學習狀態,及時對教學內容和方式進行調整,實現教學過程自整定,確保教學大系統的穩定。

5 結語

通過軟、硬件的研發及應用，實現實驗教學過程管理的自鑒系統。該系統的應用,可以提高過程管理的有效性,并幫助教師收集和利用學情大數據,優化提升實驗教學設計。但再強大的系統,都無法替代教師有溫度的口授、身傳,建設人、機優勢互補的實驗課堂,需要更多的實踐與發現。