借互聯網思維構建電工電子實驗教學新模式

呂念玲， 袁炎成， 殷瑞祥， 李 斌

（華南理工大學電子與信息學院，廣州510640）

0 引 言

互聯網的出現，改變了人們的生活方式，也推動了教育方式的變革。2014年在全國MOOC建設的熱潮中，分析了線上課程的特點［1］，思考實驗教學的問題，提出了“互聯網＋”實驗教學的思想；2015年廣東省本科高校電子信息類專業教學指導委員會成立，在教指委內部通過1年的充分研討論證，明晰了“借互聯網思維構建電工電子實驗教學與管理新模式”的建設路線；2016年廣東省本科高校電子信息類專業教學指導委員會主導，聯合6所廣東高校申報立項“基于互聯網＋實驗云平臺建設”項目，目前項目建設已獲階段性成果。對照教育部2018年本科教育工作“打造中國金課”的要求，該工作方向是完全正確的［2］。

1 高校實驗工作的形勢轉變

在過去較長一段時間里，由于高校實驗室建設經費投入不足，實驗設備條件比較差，多人共用一套實驗設備，學生的實驗參與度低；因設備種類不齊，實驗項目無法全部開出的情況也時常發生。改善設備條件，曾一度是高校實驗工作的重點［3］。隨著國家加大對高等教育的投入，高校的設備條件已獲極大改善。同時，網絡條件改善的速度更快，現在的實驗室具備上網條件幾乎是標配。在解決了設備問題之后，高校軟資源配置不均的問題就凸顯出來。軟資源（或軟實力）包含：實驗內容建設、實驗過程管理、教學效果評價及課程持續改進等關鍵問題，是導致高校實驗教學質量差異巨大的主要原因。設施條件通過加大資金投入，短時間就可以得到改善，但是軟實力卻非短時間可以改變。因此，當前高校實驗工作的重點應從“硬條件”主導，向“軟資源”主導轉變。實現優質資源共享一直是追求的目標，借互聯網思維構建電工電子實驗教學新模式，就是共享探索的一種方式。

2 實驗教學存在深層次問題剖析

電工電子實驗是電類專業本科生的必修實驗環節，學生專業涉面廣且學時數多。

2.1 內容缺位

有些高校設置實驗課時，照搬了其他高校的實驗項目，但是具體實施和過程管理無法模仿，雖然有了同一個實驗項目，但教學效果迥異，這就是“形似而韻不在”；隨著業界技術的發展，雖然對實驗項目作了更新改造，憑經驗做一些新東西的堆砌，但實驗內涵與培養目標不相匹配，教學效果仍未盡如人意；更令人擔心的是，前列高校保持質量主要歸因于其長久以來的大質量積累和慣性推動，即老教師的經驗仍可用；當老教師退下之后，慣性推動力越來越弱，年輕教師在實踐經驗方面區別不大的時候，質量問題也會凸顯［4］。上述現象的根源，就在于實驗內涵模糊，實驗內容設計依靠經驗。

2.2 內涵模糊

實驗實踐教學的目標主要是：提高學生專業動手能力，健全學生的專業知識結構，使學生獲得解決工程問題的素養。實驗教學的主要任務是：①訓練學生實施“實驗”的能力；② 鍛煉學生科學處理“實驗”數據形成技術文檔的能力；③教會學生組織“實驗”解決問題的能力。

實驗項目中服務于上述目標的知識，支撐目標達成的技能就是實驗內涵［5］。實驗課可以多門、實驗形式可以多樣、實驗內容也可以不同，但是它們都是內涵的載體。科學的實驗設計方法應是：首先明確實驗內涵，再從教學目標出發，對每個實驗項目的教學內涵給出預期要求，根據預期要求選擇匹配的實驗內容。這樣，實驗課程的內涵與畢業達成目標可以產生量化關聯，實現實驗內涵與學生能力成長精準對標［6］。這樣的實驗課，才是“金”課。但是一直以來，高校實驗教學基本是由經驗豐富的教師和工程師根據自身或他人的經驗來規劃設計的，由于經驗的局限性，實際教學效果存在諸多不確定性，對于學生能力成長的達成貢獻往往具有一定的模糊性，不能從根本上確保實驗教學內容的科學性［7］。

2.3 過程控制有效性差

實驗教學的目標是通過成熟的內容訓練學生的能力，因此，實驗過程比實驗結果更重要。但是主要依賴教師人力實施的過程管理，有效性比較差。比如：教師常常通過翻閱學生的實驗預習報告，了解學生是否完成實驗預習準備。但是預習報告僅僅表明該學生完成了預習的過程，卻無法體現實際的效果；再比如，1或2名主講教師和實驗輔導人員，承擔整個實驗課堂的答疑、糾錯、輔導、安全管理和實驗數據審核、驗收等工作，無法更到位地輔導學生個體；學生出現操作錯誤，數據的粗大誤差無法及時得到糾正。整個過程管控，老師常感心有意而力不足。同時，在實驗過程中無法獲取足夠多的、反映學生實驗狀態、技能掌握程度及班級實驗共性問題的學情信息數據，無法對實驗效果做出客觀判斷。

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要解決實驗教學的科學性和有效性問題，首先必須明確實驗教學的內涵，以及實驗教學與工程專業人才培養目標達成之間的關系，找出實驗教學內容與目標內涵之間的關聯，科學地設計實驗內容，并在教學過程中切實地實施監控［8］。這也是杜絕“水”課的有效措施。

2.4 效果評價

實驗教學的效果評價包含兩個方面：一方面是對學生學習效果的評價，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，但是結果檢測往往比過程檢測容易，所以實驗數據是否正確，就理所當然地成為評價學生實驗學習效果的依據。這種評價方式造成了“重結果，輕過程”的狀況，使得實驗教學常常走過場、效率低［9］。

另一方面是對實驗內容的評價，學生是實驗的主體，學生在實驗過程中體驗和表現是評價實驗設計優、劣的依據。學情大數據缺失，就無法對實驗實施效果做出客觀的判斷。

2.5 持續改進機制

教、學相長，所以教學過程中，學生和課程都需要持續改進。學生個體要在學習中及時調整學習策略，才能提高學習效率。課程內容和教學方法及時優化，才能取得好的教學效果。傳統的實驗預習、實驗操作及提交報告是單向、開環的過程，信息流失［10］。必須將實驗教學過程設計成閉環系統，把教學設計、過程管理、效果分析與反饋調整等環節緊密關聯起來，形成自我完善機制，促成教學內容的持續改進和實驗課程的日臻完善。

3 在線教育的問題與實驗教學的機遇

3.1 在線教育蓬勃發展與遇到的問題

一方面，建設的MOOC課程大量上線，且注冊人數眾多；另一方面，真正完成學習的人數寥寥無幾；MOOC的可持續發展遇到很大的問題。長期貼錢賺吆喝的做法，能維持到幾時？國內高等學校的MOOC多數重建設輕運行，線上支持遠遠不夠，虎頭蛇尾現象突出；在線學習認證機制薄弱，結果的可信度降低。歸根到底，在線教育必須解決3個問題：① 老師為什么又靠什么堅持做好線上支持？② 學生為什么又靠什么堅持線上學習？③MOOC平臺靠什么維持下去？

3.2 實驗在線教育狀況

在線教育如火如荼，但實驗教學乏善可陳，根源在哪里？在于實驗教學的特點：設備依賴，沒設備無法實施實驗。目前的MOOC課程多限于理論教學課程，但是，工程教育不能缺少實驗實踐教學。而且工程專業認證對實驗實踐教學的要求很嚴格，人才能力的培養更需要扎實的實踐教育支撐［11］。但是多年來關于實驗實踐教學資源的共享呼聲大、動作少［12］。在線教育的發展模式提示出資源共享的方向，實驗實踐教學的設備依賴性既是困難又是機遇。

4 互聯網思維下的電工電子實驗教學新模式架構

基于上述背景，2016年提出在廣東省教育廳立項建設“基于互聯網＋的實驗云平臺”項目。建設目標是：①探索地方工科高校實驗室開放共享平臺構筑的最佳模式，探究可行的實驗室運行機制；② 利用現代網絡信息技術實現實驗室資源的整合、共建、開放、共享，突出“應用型”人才培養；③ 鼓勵學生基于互聯網學習平臺選修外校共享的優質實驗課、從而達到學生、課程互選與學分互認在實驗課程上的實現。

電工電子實驗教學新模式架構，是上述建設項目的主要內容之一。新模式架構主要包括以下幾個方面。

4.1 共建共享教學內容

共建共享的前提，是實現實驗教學資源的互聯互通。通過建設包括應用層、管理層、數據層及基礎設施層等4個層次的系統架構，支撐門戶平臺、內容運營平臺、實時服務平臺等重點服務，實現可接納無限多鏡像站點接入的容量預期；達成任何時間從任何鏡像站點接入，均可獲取資源，進行數據交互的建設目標。如圖1互聯狀態圖所示，通過區域節點把高校的實驗室連起來，滿足實驗教學和管理在設備互聯、共享，器件升級，實驗在線教學，數據存儲、大數據分析，學生學習過程與學習效果認定，優質實驗資源共享等關鍵需求。

圖1 互聯狀態圖

教學內容的建設不是無依據的，要在教學過程中不斷實踐、總結和凝練，在教學實踐中建設才是科學的；教學內容面向更多的學生，對內容完善更有促進作用。利用開放的互聯互通架構，實驗項目上網，達成學生、課程互選與學分互認；改變各校實驗教學的“封閉孤島”現狀，達成內容、要求及評價的深度融合。這樣，因地域、時間和師資力量導致的“教育鴻溝”將逐步被縮小甚至被填平，有效加速實驗實踐教學質量的整體提高。

4.2 實時采集實驗過程數據

互聯網是迄今為止人類所看到的信息處理成本最低的基礎設施，具備開放、平等、透明等特性，使得信息數據得以體現最大的社會價值。形式各異的互聯網業態形式，其核心都是數據［13］。縱觀實驗教學整個流程，實驗過程是最重要的，也是管控最不力的環節。以數據獲取的視角看，實驗過程對設備依賴的特點，恰好為實時采集數據提供了條件，為數據的真實性提供了背書，為動態認證提供了依據。過去曾經是阻礙實驗共享的一大障礙，被轉化為過程管理的獨特優勢。實驗過程數據包括3種類型。

（1）面部信息。使用攝像頭，采集實驗現場每張實驗臺學生的面部信息。可以采用規律觸發掃描、條件觸發掃描和強制觸發掃描相結合的方式；發現人不在或換人，以及上傳數據的時候，觸發多次掃描或強制掃描，有效實施動態認證。

（2）實驗測量數據。采集學生實驗過程中的儀器測量值；通過NI-VISA協議使用USB通信，讀取和控制儀器設備相關參數信息。數據分為兩部分：文本數據和圖片數據。文本數據采用JSON格式傳輸，圖片先在本地壓縮后再進行傳輸。

（3）實驗過程狀態數據。采集實驗操作過程中的錯誤數據、試錯次數及完成時間等信息。對于實驗過程中每一步的操作時間，使用前端埋點進行緩存后統一提交至后臺。提交次數、準確率在后臺根據提交的過程數據按一定的算法定時進行計算后更新。

在實驗過程中，把某電路節點設為監測點，學生按要求測量，并實時上傳測量數據。僅對一個監測點，系統采集并記錄了4類數據，包括：第1次上傳的測量值、刷新的次數（試錯次數）、最后上傳的測量值及完成時長。存儲原始數據條數大概為2（N＋1）條，N為每個數據的提交次數。

實時數據采集，獲得反映實驗操作細節的大數據，掌握到傳統實驗管理過程中無法獲取的信息，進而對實驗實施的具體情況有全面、客觀的認識。實時采集實驗過程數據，也是強化實驗過程管理的一種有效方式，切實提高了實驗結果的可信度。

4.3 大數據分析實驗教學效果

傳統的實驗課堂，老師可以從答疑、輔導和學生的實驗報告了解到實驗實施的一些情況，但從這些渠道獲得的信息量還是太少，而且是碎片化的。要分析足夠多的數據信息，才能客觀診斷教學設計的問題，有效優化教學內容［14］。

系統采集到的每個原始數據信息都被打上多個“內涵標簽”，在不同的數據分析背景下被使用。教師參考上述原始數據記錄，根據分析或評價的側重點，賦予上述數據信息相應的權重，建立數學計算模型，計算機就可以自動計算并生成教學需要的各種分析結果。圖2所示是系統基于大數據，自動做出實驗項目難、易判斷的流程示例。

圖2 實驗項目難、易判斷流程示例

5 電工電子實驗在線共享平臺主要功能介紹

開發了電類實驗臺電源智能管理系統和電工電子實驗在線共享平臺，支撐電工電子實驗教學新模式落地。平臺功能應用到實驗課堂，令實驗教學過程管理發生巨大變化。與傳統的實驗預習、實驗操作及提交報告的三環節開環實驗教學模式相比，實施互聯網在線管理的教學過程是一個閉環系統，主要流程如圖3所示［15］。

圖3 閉環實驗管理流程圖

電工電子實驗在線共享平臺的主要功能：

（1）強制預習。學生開始實驗前先進行預習檢測，系統隨機組卷，15～20 min內，最多可以進行3次檢測；滿60分，實驗臺自動上電。推行實驗室準入制，預習效果不達標，不允許做實驗。

（2）全程識別。實驗全過程不定時掃描，異常情況下觸發多次掃描，上傳數據觸發強制掃描，自動記錄掃描比對結果，保存為認證依據，杜絕代做實驗。

（3）數據采集。實驗過程中，實時采集過程數據，現場給予學生出錯提醒；實驗結束，系統給予該學生實驗操作評價。

（4）遠程實驗。學生可使用ELF-BOX遠程智能實驗平臺及配套器件在實驗室外進行硬件實驗；在有網絡條件的地方，按要求上傳數據，數據存入學生賬號下。實現遠程全“真”硬件實驗，實驗室內、外大數據采集無死角。

（5）實驗上線與評價。各校的實驗項目上網，接受本校和外校學生選做，并按照統一標準進行評價，成績互認；建立實驗項目排行榜，切實推動實驗內涵建設，共享優質實驗資源。

（6）信息反饋。系統通過對預習檢測、實驗現場操作及學生提交預習報告的數據分析，將教師和學生關注的信息分別予以推送。教師得到實驗出錯率、實驗熟練度，項目實施難、易情況等的大數據分析結果推送，診斷教學設計的問題，優化教學內容。學生則能從系統推送的助學信息，看到實驗過程中的不足，完成系統針對薄弱環節推送的附加訓練內容，及時而有效地調整實驗學習策略。

圖4 學生個性學習方案制定流程

（7）基于大數據的分析與評估。第1次實驗過后，每個學生都有了自己的實驗個性學習方案，圖4所示是學生個性學習方案制定流程。如一門實驗課計劃內共有5個實驗項目，若實驗項目1的操作不達標，就不能直接做實驗項目2，必須完成系統推送的另外一個“附加訓練”，補齊短板，再行測試合格，才可以做下一個實驗項目。依據該流程，動手能力比較強的學生，最少5次實驗，就通過該門實驗課；而有的學生要6個實驗項目，甚至7、8個實驗項目，才達標。系統依據學生在實驗過程中的真實表現，為其度身訂造實驗學習方案。

6 結 語

我國教育正進入到一場基于信息技術的偉大變革中，實驗實踐教育教學只有順應這一時代的需求持續不斷地進行革命性的創造變化，才能走向新的境界。互聯網理念與教育的深度融合，令傳統實驗教學在體制、理念、方式和方法等方面獲得寬廣的創新改革路徑。在信息技術與互聯網思維在實驗實踐教學的應用領域，做了一點探索，隨著互聯網技術的不斷發展，更多的碰撞靈感，等待我們去探索和發現。