“雙一流”建設中實驗教學平臺構建及應用研究

姜文鳳, 張永策, 宿 艷

(大連理工大學 化學學院, 遼寧 大連 116024)

大連理工大學是國家首批“雙一流”建設大學,化學學科同時入選世界一流學科建設名單。基礎化學實驗中心(以下簡稱“中心”)作為首批國家級實驗教學示范中心(2005年)及虛擬實驗教學中心(2013年),一直走在國內實驗教學和信息化建設的前列。中心早于2006年在國內率先開發(fā)了具有“預約—開放”功能的實驗預約管理平臺,承擔全校7個國家級和5個省級實驗示范中心的開放預約管理,以及化學、土木2個國家級虛擬實驗教學中心的開放共享,注冊用戶共計69 145人次,累計預約記錄超過160萬條。

受制于技術手段、PC瀏覽器端的操作限制等多方面原因,早期開發(fā)的實踐教學管理平臺單純局限于PC端預約管理層面上的應用。然而,隨著信息技術的快速發(fā)展,微信是當前最為便捷的即時通信應用,基于微信的移動實驗教學平臺集成了實驗預習、開放預約、虛擬實驗、在線測試、操作記錄、電子報告等功能的全過程實驗教學管理體系,可以實現(xiàn)應用大數(shù)據挖掘,循環(huán)優(yōu)化系統(tǒng),有效改進、提升教學效果,提高人才培養(yǎng)效率;對于深入教學研究、支撐教學改革具有重要作用。

當前正值我國全面啟動“雙一流”戰(zhàn)略的開端之際,實驗室建設作為“雙一流”建設的重要平臺,對于高校的人才培養(yǎng)、科學研究、社會服務功能的實現(xiàn)都是重要的技術支撐和有力保障[1-3]。尤其對于人才的科學作風、實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)具有基礎性、全局性的作用。因此,在信息化背景下,構建可循環(huán)優(yōu)化的、可全過程監(jiān)督實驗教學過程的、真正意義上的開放共享實驗教學平臺,推進其在實驗教學中的有效應用,是實驗室建設中至關重要的一環(huán)。

1 新型實驗教學平臺構建及應用的必要性

1.1 基礎實驗教學現(xiàn)狀

目前,與理論課和雙創(chuàng)活動等教學活動相比,學生對于實驗教學普遍重視不夠。課前預習書本的教學形式單調,學生的預習效果不佳;課堂上學生對教師和書本的依賴性強,缺乏主動性;課后缺乏深入探究興趣,學生的學習熱情和自主探索精神的缺失,與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標背道而馳[3-5]。

從教學層面來說,教師主要依據實驗結果和紙質報告評定成績,對于實驗操作過程的評價缺乏細致的記錄和描述,受主觀感受影響較大;同時,學生也很難通過已批閱的實驗報告了解自己的錯誤操作。教學評價環(huán)節(jié)的科學性、過程性不足。

部分高校實驗教學平臺的實際應用基本還停留在“預約—開放實驗”的單一功能應用階段,而且許多教學平臺各自為政,甚至有些平臺被束之高閣的情況也存在。由于設計著眼點與實際教學細節(jié)需求未能有效銜接、缺乏易操作性等原因,實驗教學平臺的有效應用率普遍較低[5]。

1.2 “雙一流”建設的需要

1.2.1 培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的需要

“雙一流”建設對于師資隊伍和拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)都有明確的要求。高度信息化平臺的介入將改變學生傳統(tǒng)、被動的學習方式,有效激發(fā)學生的學習興趣,對學生思維方式的培養(yǎng)有潛移默化的影響,進而啟迪學生后續(xù)的創(chuàng)新與科研能力[6-7]。

1.2.2 提升實驗教師隊伍的需要

在實際教學中,在大幅度壓縮實驗學時的情況下,實驗教師面臨著更高強度的教學工作。高度信息化的實驗教學平臺的應用可以提高教學效率,減輕教師負擔。但是部分教師對信息化平臺存在“認識誤區(qū)”和“技術洼地”,加之對軟件使用經驗不足、不愿改變現(xiàn)狀等主觀原因,使得教師對于實驗內容變革,特別是信息化的應用普遍有畏難情緒。這也對現(xiàn)有平臺的易用性、細節(jié)處理和用戶體驗的提升提出了更高要求[8-10]。因此,實驗教學平臺的有效應用也是提升實驗教師隊伍、改善傳統(tǒng)實驗教學效果的迫切需求。

2 新型實驗教學平臺的構成

2.1 功能框架

中心建設的新型實驗教學平臺—Mools(massive online open labs)秉承“循環(huán)優(yōu)化、開放共享”的理念,全面覆蓋課前、課上、課后整個學習過程, 將平臺分為預習、操作、報告3大組成部分,并通過部分交叉將“教”與“學”融為有機整體。平臺的內容結構如圖1所示,其功能結構如圖2所示。

圖1 平臺內容結構

圖2 平臺功能結構

2.2 預習模塊

提高實驗課堂效率最直接有效的方法是做好課前預習,其重要性不言而喻。但預習的形式和方法,以及新技術的普及還有很大的提升空間。實驗預習資源大體分為傳統(tǒng)文字教材和立體資源(視頻、虛擬實驗、交互式網頁等)。相比傳統(tǒng)的文字教材,通過平臺引入立體化資源、虛擬實驗和交互式網頁,以實現(xiàn)交互式預習是行之有效的解決辦法。

立體化資源包括視頻、動畫、文字、虛擬實驗等可以全面替代平面紙質教材的資源。微信推文的方式是比較簡單有效的，既可以通過騰訊、優(yōu)酷等免費服務上傳共享視頻,又能夠保證訪問速度。新型實驗教學平臺可以通過鏈接設置,關聯(lián)項目預習資源，更為簡便的是在平臺內提供文章編輯,滿足圖片特別是視頻的上傳需求。

相比于被動式的資源學習,虛擬實驗是更為有效的預習方式,只有主動的操作模擬才更接近實驗的本源。唯一缺點就是開發(fā)成本較高。

受目前流行的如易企秀等H5平臺系統(tǒng)啟發(fā),中心的實驗教學平臺設計開發(fā)了交互式網頁預習系統(tǒng)。所謂交互是指條件式觸發(fā),通過觸發(fā)按鈕、開關、菜單等對每個實驗步驟的細節(jié)畫面(靜態(tài)或動態(tài)的圖片描述)進行設置,還可以通過輸入參數(shù)的方式予以驗證。教師可以通過簡單培訓自行編輯實現(xiàn),該模式可實現(xiàn)行為記錄和數(shù)據分析服務,具有直觀的畫面感、交互參與性,簡單易用。

2.3 操作記錄模塊

中心4大化學實驗課程從2010年起就制定了詳細的實驗評分標準,印發(fā)到每個學生,然而實際應用起來很難把握。使用平板點擊記錄是目前最為可行的方式。通過交互行為分析,3個點擊動作(選擇學生、選擇錯誤類型、確認提交)在3～5 s內即可完成。同時,在過程性評價中,新型平臺對所設置的數(shù)據采集點更為科學連貫,教師可設置操作總分,自定義扣分點和加分點,并通過選擇菜單已經設置好的操作點予以打分,實驗日程和操作記錄截圖如圖3所示。學生在實驗課前就可以明晰考核點,并通過針對性反思問題，總結經驗,提高實踐能力。嚴格細化的評分標準有效保障了實驗成績的合理、公正與透明,是課堂教學考核的系統(tǒng)保證。

圖3 日程及操作記錄截圖

2.4 電子報告模塊

在平臺應用過程中,電子報告是所有環(huán)節(jié)中爭議最大的。爭議的焦點之一在于部分教師認為電子報告復制成本低,會造成大面積抄襲,從而失去了獨立實驗的基本意義。實際上,在數(shù)據挖掘和查重技術廣泛應用的今天,只有電子報告才能夠徹底杜絕抄襲,在大數(shù)據分析面前抄襲者將無處遁形。

爭議焦點之二在于認為手寫報告增強記憶功能更強。而實驗的本質意義在于動手實踐獲得的經驗積累,動態(tài)、多維度的電子報告更能總結和反映學生的實踐過程。

爭議焦點之三在于電子報告這一新形式與教務管理規(guī)定能否及時對接。部分教師擔心電子報告缺乏先例,無法得到教務督導的認可。中心的電子報告模板系統(tǒng),已經經歷了離線pdf提交、在線office控件、在線網頁報告、在線網頁模板及最新的移動報告模板,4年多的探索經驗表明,電子化實驗報告是大勢所趨，而成為一種主流,各種電子報告形式的對比見表1。

表1 各種電子報告形式對比

最新的電子報告將實驗報告抽象為文字、圖片、表格3種形式,并對每一部分的分值予以細化,通過預先設置的批注標簽,可降低批改過程的工作強度,同時兼顧合理(需要反饋來循環(huán)優(yōu)化)和開放(學生可以清楚地看到自己的問題所在)需求,電子報告模板見圖4。圖片可記錄手寫演算過程、部分目的原理或裝置圖的繪制(從紙質到全面數(shù)字化的過渡應用)。由于支持動圖上傳,可以最大限度地留存一些實驗結果的現(xiàn)象,這是電子報告超越傳統(tǒng)紙質報告的飛躍。表格用于保存原始數(shù)據,設計為一旦保存無法修改,可保證原始數(shù)據無法篡改。過去批改需要教師手工計算核算,工作量很大。而原始數(shù)據與結果的關聯(lián)很多時候可通過標準公式計算,通過應用程序可實現(xiàn)自動批改,這就將教師從重復勞動中解放出來。

圖4 電子報告截圖

2.5 新型平臺面向對象

實驗平臺是很寬泛的概念,同時這些平臺在很多院校都是分散甚至是雜亂的。在實驗教學示范中心建設過程中，對于信息化平臺的要求,促使很多中心都相繼自購或開發(fā)了各種功能單一的平臺系統(tǒng),到底統(tǒng)一還是分散，存在著不同的聲音。基于微信的實驗教學平臺(moolsnet)實現(xiàn)了實驗教學中“教“與”學”的全過程。

2.6 集中與分散

層層的管理審批和對于教學細節(jié)的忽略使教務管理端和教學應用端在平臺定位上有很大偏差。共享開課情況、一級選課名單、課程成績等信息是相對容易的,但具體的實驗教學情況,如實驗項目的預習、虛擬實驗、操作標準等教務管理部門難以把握。實際上,借助廣泛的數(shù)據交換和統(tǒng)一認證,集中與分散是可以實現(xiàn)統(tǒng)一的。

絕對的集中式平臺并不存在。過去那種獨立用戶系統(tǒng)管理比較封閉,且與去中心化的互聯(lián)網流行趨勢相違背。互聯(lián)網思維是internet，不是intranet,封閉的統(tǒng)一既不靈活,也不絕對安全。

2.7 學校和中心的需求

實驗教學平臺(moolsnet)作為一個開放的系統(tǒng),既可實現(xiàn)中心/學校統(tǒng)一管理,又可由單獨實驗課程的教師獨立申請應用。學生可以自行微信注冊,也可以通過統(tǒng)一認證注冊,系統(tǒng)通過微信認證授權與學校、學號、工號綁定,基于公有云服務,申請注冊即可開通,這與過去的平臺引入機制有本質的區(qū)別。打破了原有的體系模式,甚至可以采用校際聯(lián)盟或者專業(yè)聯(lián)盟的方式。在此基礎上,能夠真正實現(xiàn)資源的充分開放與共享,為創(chuàng)新打下堅實基礎。“雙一流”的開放與共享體現(xiàn)在更大的責任和擔當上。

2.8 平臺實現(xiàn)的技術路線和技術手段

平臺基于微信公眾號開發(fā),以php構建后端,引入bootstrap、VUE等框架構建前端,采用當前最主流的MySQL數(shù)據庫、CentOS操作系統(tǒng)下的Ngix的Web服務,基于阿里云服務器、阿里云視頻、阿里云敏感信息檢測、騰訊短信系統(tǒng)、曠世人臉及證件識別系統(tǒng)、python構建查重系統(tǒng),實現(xiàn)大數(shù)據分析及機器學習功能,并實時追蹤最新技術的發(fā)展,及時引入到平臺之中。

平臺實現(xiàn)的技術路線主要體現(xiàn)在大數(shù)據的采集、分析與挖掘。大數(shù)據分析的前提是大量的特征數(shù)據,而過去的實驗教學中唯一有效的數(shù)據點只有期末成績,很難反映出全過程信息。有限的數(shù)據源,無法作為深層次、全方位分析及評價實驗教學的全過程的依據。

3 新型實驗教學平臺的優(yōu)勢

3.1 循環(huán)進化性

從平臺結構上可見,許多關鍵教學環(huán)節(jié)都有相應的數(shù)據采集和統(tǒng)計分析,最終可以形成教學應用→教學研究→教學改革的循環(huán)(見圖1),通過分析結果和教育反饋,改進教學設計,發(fā)揮大數(shù)據“分析、鑒定、導向、診斷、激勵”的功能,最終優(yōu)化教學系統(tǒng)[10]。

3.2 開放共享性

首先,師生之間課程、項目、標準、成績等信息是完全對等開放的,所有學生按照統(tǒng)一標準進行實驗考核。其次,由于所有信息都存儲于“數(shù)據庫”中,可以根據面向的中心、學校、省部、專業(yè)群等機構提供真實全面的多層次數(shù)據,以促進數(shù)據分析及教育反饋。

3.3 “新工科”背景下的通用性

在平臺設計構建時就考慮到了多專業(yè)的應用需求,在多學科交叉共性的基礎上開發(fā)設計。目前機械、土木、化學、化工、物理等專業(yè)的應用都做到了通用適配,在幾所高校的試用過程中,也證明能夠滿足學校的現(xiàn)狀和需求。隨著未來更多專業(yè)和學校的推廣應用,平臺會做到更加通用和易用。

從人才培養(yǎng)的層面來看,“新工科”復合型工程人才培養(yǎng)的主要途徑在于“繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調與共享”。應用先進的新型實驗教學平臺,恰好滿足了“多元化、創(chuàng)新型”工程人才培養(yǎng)的需求。

3.4 協(xié)同高效性

基礎實驗課程通常需要集全中心之力,通過平臺的應用,同事之間可以擺脫過去嚴格的層級關系,實現(xiàn)課程、項目、日程靈活的協(xié)同設置,研討制定統(tǒng)一的評價標準,清晰統(tǒng)計工作量,協(xié)同完成實驗教學工作。

3.5 兼容性

平臺主推微信方式,移動辦公特別適合于實驗一線教學團隊。與專業(yè)教務人員不同,無論是教研室教師,還是專職實驗教學人員,通常不會固定在辦公桌旁。只需登錄微信,實驗教學平臺就能實時在線,可以隨時隨地處理教學相關事務。平臺同時提供PC網頁版,主要開展如聯(lián)機實驗報告處理、復雜課程開放、預習資源編輯等使用計算機處理更為方便的應用場景。

4 研究展望

新型實驗教學平臺(moolsnet)自2018年6月底試運行,截至目前注冊用戶12 637人,預約21 006人次,日訪問高峰在8 921人次,運行穩(wěn)定,能夠完全替代原有的實驗教學管理平臺。隨著應用的深入,仍然存在很多亟待分析、解決和總結的問題。

(1) 數(shù)據安全是平臺運行中頭等重要的大事。分布式數(shù)據庫和系統(tǒng)備份時刻運行以保障數(shù)據安全,但安全漏洞的發(fā)現(xiàn)和解決,需要更多的投入,甚至更為專業(yè)的技術人員介入。

(2) 程序和數(shù)據庫結構的設計需要不斷進行優(yōu)化調整。采用公有云的原因就是基于其強大的功能和性能監(jiān)控,以及豐富的性能解決方案,可以隨時調整配置,適應不斷變化的需求。

(3) Python查重、大數(shù)據與機器學習系統(tǒng)目前還在配置階段。雖有參考實例,但真正與應用平臺完整對接、實現(xiàn)用戶的應用尚需時日。

5 結語

新型實驗教學平臺是專門面向實驗教學全過程的系統(tǒng)軟件,其內容囊括了實驗教學的運行、管理、成績、考核、人才培養(yǎng)、教師團隊和教學改革等各方面的需求實現(xiàn)。當前,實驗信息化介入的深度已經遠遠超越單純預約、課件的范疇,是計算機技術、信息學方法全方位、深層次介入教與學的環(huán)節(jié),試圖產生新的革命性學習的過程。新型實驗教學平臺的應用重點就是在不斷增加、改進人機交互學習的數(shù)據點設置及模式,以便構建優(yōu)化的循環(huán)系統(tǒng),這一系統(tǒng)因對知識的學習者和傳授者的雙重促進作用而在實驗教學中起到至關重要的作用。