在線教育在高等學(xué)校實驗教學(xué)中的實現(xiàn)

呂念玲， 秦慧平， 殷瑞祥， 李 斌

（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州510640）

0 引 言

我國從2005年開始開展工程教育認(rèn)證，并于2013年6月加入了世界上最具影響力的國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》，有力地推動了我國構(gòu)建與國際實質(zhì)等效的工程教育認(rèn)證體系，培養(yǎng)面向世界的中國工程師［1］。2017年，教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，對人才的工程能力培養(yǎng)提出“理念新、要求新和途徑新”的要求［2］。實驗教學(xué)作為工程教育的重要組成部分，如何突破技術(shù)瓶頸和管理障礙，尋求實驗教學(xué)質(zhì)量的再提升，是當(dāng)前教學(xué)研究的焦點(diǎn)所在。本文就是取在線教育之長，補(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)之短的思考與實踐。

1 在線教育的發(fā)展及其特點(diǎn)

互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)改變了人們的生活，也推動教育方式的革新。2011年第一門MOOC課程——斯坦福大學(xué)Sebastian Thrun教授的研究生課程《人工智能導(dǎo)論》上線；2012年開始，Coursera、Edx及Udacity三大MOOC平臺向全世界提供世界著名高校的相關(guān)專業(yè)課程［3-4］。國內(nèi)高校于2013年開始，也出現(xiàn)了MOOC熱潮；相關(guān)的主管部門、學(xué)校、教師對在線課程、MOOC、微課表現(xiàn)出極大興趣。以MOOC（Massive open online course，大規(guī)模開放在線課程）為代表的在線教育，成為高校實施在線教育的主要模式［5-7］。

經(jīng)過多年發(fā)展，現(xiàn)階段在線教育具有以下特點(diǎn)：

（1）互聯(lián)互通的廣泛性。對于學(xué)習(xí)者而言，通過互聯(lián)網(wǎng)，MOOC讓世界上每一個學(xué)生都有機(jī)會選修最頂尖大學(xué)的優(yōu)秀課程，擺脫了時間和地點(diǎn)的限制，使得高質(zhì)量的課程資源可以觸及任何一個能接入互聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備，優(yōu)質(zhì)課程資源的易獲得性，平衡了教學(xué)資源分配、提高了高質(zhì)量教學(xué)資源的受益面［8］。

（2）受眾的自由性。由于基于寬帶網(wǎng)絡(luò)、智能手機(jī)和移動技術(shù)的迅速普及，在線教育受眾面越來越廣泛。任何人都可以通過互聯(lián)網(wǎng)完成在線教育的注冊，并且學(xué)習(xí)者的數(shù)量和時空不受限制，可以按照自己的情況合理安排學(xué)習(xí)過程和內(nèi)容，靈活選擇不同學(xué)校的課程資源，降低了課程的進(jìn)入門檻，時空和經(jīng)費(fèi)對學(xué)習(xí)的影響降到極小。

（3）過程與行為記錄的實時性。在MOOC平臺上，學(xué)生提了哪些問題，做了哪些練習(xí)，練習(xí)題做得怎樣等都被在線實時記錄下來，成為觀察學(xué)習(xí)過程、評價學(xué)習(xí)效果的依據(jù)。在線記錄學(xué)習(xí)的過程與行為，是在線教育有別于傳統(tǒng)課堂教學(xué)的最顯著特點(diǎn)［9］。

（4）效果評價的透明性。在線課程面向更為廣泛的學(xué)生和教師群體，有可能獲取更大數(shù)量、更客觀的反饋與評價。課程好不好，上網(wǎng)去亮亮相；學(xué)生說好，才是真的好！在線課程讓某一高校的課程與教學(xué)質(zhì)量不再是本校的事情，教學(xué)質(zhì)量的評估在全國甚至全球范圍內(nèi)變得具體而透明。優(yōu)質(zhì)課程的提高與進(jìn)步，獲得強(qiáng)大助推力。

2 高等教育實驗教學(xué)的特點(diǎn)與突出問題

高校的實驗教學(xué)是以培養(yǎng)工程實踐能力為目標(biāo)，與面向知識傳授的理論課程教學(xué)存在較大的差異性，而現(xiàn)階段的實驗教學(xué)具有以下幾個特點(diǎn)和問題。

2.1 對資源的依賴性強(qiáng)

實驗教學(xué)與理論教學(xué)不同，實驗課對資源的依賴非常強(qiáng)，即實驗教學(xué)往往需要在特定地點(diǎn)（實驗室），借助特定工具（儀器設(shè)備），才能完成對特定實驗對象（元件、器件或系統(tǒng)）的研究［10］。學(xué)生很難突破時空的制約，在實驗室之外的宿舍和自習(xí)室得到完備的實驗條件。課外實驗實踐教學(xué)的開展舉步維艱，是目前不爭的事實。近年來，雖然虛擬仿真實驗軟件研發(fā)不斷進(jìn)步，但其“仿”的效果，遠(yuǎn)不能替代從實驗現(xiàn)場獲取“真”經(jīng)驗。

2.2 過程管理有效性差

實驗課教學(xué)的目標(biāo)是通過成熟的內(nèi)容，訓(xùn)練學(xué)生的動手能力。因此，獲取實驗結(jié)果不是高校實驗教學(xué)的目標(biāo)；通過實驗操作過程，訓(xùn)練學(xué)生的實驗思維、提升動手能力才是實驗教學(xué)的重點(diǎn)關(guān)注。因此，實驗過程比實驗結(jié)果更重要［11］。

傳統(tǒng)實驗過程通常由實驗預(yù)習(xí)、實驗實施和提交實驗報告3個環(huán)節(jié)組成，主要工作內(nèi)容包括：閱讀預(yù)習(xí)報告或以提問方式檢查預(yù)習(xí)情況；實驗課堂上輔導(dǎo)、答疑及糾正錯誤操作；課后批改實驗報告。該過程主要依靠教師人力實施管理，且存在不足。

（1）管不過來。實驗課上，主講教師和實驗輔導(dǎo)人員承擔(dān)整個實驗課幾十個學(xué)生的答疑、糾錯、輔導(dǎo)、數(shù)據(jù)審核或?qū)嶒烌炇盏裙ぷ鳎渥⒁饬缀醵纪斗旁趲椭鷮嶒灣霈F(xiàn)故障問題或?qū)嶒炇〉膶W(xué)生身上；實驗過程不提問的學(xué)生就沒有問題么？顯然不是，只是老師們顧不過來。

（2）教不到位。實驗課上集中講授，只解決實驗共性問題；過程中，學(xué)生個體出現(xiàn)操作錯誤，數(shù)據(jù)誤差無法得到及時糾正，過程管理無法體現(xiàn)因材施教。

（3）了解不足。教師僅知道學(xué)生是否做了預(yù)習(xí)、實驗測量結(jié)果是否正確等“表面現(xiàn)象”，而學(xué)生實驗技能是否掌握、熟練程度及應(yīng)用能力等反映學(xué)習(xí)效果的“深層次信息”了解不全面，對實驗的實際效果心里沒數(shù)。所以，高校實驗教學(xué)過程管理有效性比較差。

2.3 缺乏自整定機(jī)制

教、學(xué)相長，實驗教學(xué)也一樣。教學(xué)過程中，學(xué)生和課程都需要持續(xù)改進(jìn)。學(xué)生要在學(xué)習(xí)中及時調(diào)整學(xué)習(xí)策略，才能提高學(xué)習(xí)效率。課程內(nèi)容和教學(xué)方法及時優(yōu)化，才能取得好的教學(xué)效果。傳統(tǒng)的實驗預(yù)習(xí)、實驗操作及提交報告是單向、開環(huán)的過程，有價值的學(xué)情信息流失。效果評價需要足夠多的客觀依據(jù)，必須強(qiáng)化教學(xué)過程大數(shù)據(jù)收集，并以其為紐帶，把教學(xué)設(shè)計、過程管理、效果分析與反饋調(diào)整等環(huán)節(jié)緊密關(guān)聯(lián)起來，形成閉環(huán)的、直接作用于教師與學(xué)生的實驗課程信息處理系統(tǒng)，才能實現(xiàn)實驗課程有效的自我整定和質(zhì)量的持續(xù)提升。

2.4 發(fā)展不平衡，孤島現(xiàn)象嚴(yán)重

實驗實踐教學(xué)水平，直接影響人才培養(yǎng)質(zhì)量。但實驗教學(xué)隊伍偏弱，水平提升受理念、內(nèi)容、資源、管理等諸多因素共同作用。發(fā)達(dá)地區(qū)、前列高校，集中較多的優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源；而邊遠(yuǎn)地區(qū)，推動教學(xué)改革存在較大困難，理念、內(nèi)容及手段滯后。在缺乏校際交流，同行間信息不暢的當(dāng)下，各干各的。加速實驗實踐教學(xué)質(zhì)量整體提升的呼聲大，實招少。所以需要采取有效方式，切實推動優(yōu)秀實驗課程資源校際共享，改變各校實驗教學(xué)的“孤島”現(xiàn)狀，實現(xiàn)高校實驗室在基礎(chǔ)設(shè)施、管理及資源應(yīng)用層面的“動態(tài)融入”，達(dá)成實驗教學(xué)與先進(jìn)理念的“緊密跟隨”；縮小甚至填平傳統(tǒng)的因地域、時間和師資力量導(dǎo)致的教育鴻溝［12］。

3 在線教育在實驗教學(xué)中的實現(xiàn)方法［13-15］

工程教育不能缺少實驗實踐教學(xué)，而且工程專業(yè)認(rèn)證對實驗實踐教學(xué)的要求很嚴(yán)格，人才能力的培養(yǎng)更需要扎實的實踐教育支撐。但是當(dāng)下如火如荼的MOOC課程多限于理論教學(xué)課程，實驗在線教育呼聲大、動作少。在線教育的發(fā)展模式提示需資源共享方向，實驗在線教育必須克服困難，把握機(jī)遇，有所作為。

電工電子實驗的主要測量對象是電參數(shù)，電參數(shù)具備易于在線獲取、存儲的特點(diǎn)，因此電子技術(shù)實驗教學(xué)實施在線教學(xué)與管理，擁有更多有利的條件。現(xiàn)結(jié)合電子技術(shù)實驗教學(xué)領(lǐng)域介紹在線教學(xué)方法。

3.1 實驗上網(wǎng)，發(fā)揮共享效益

實驗是用來“做”的。互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的地方，學(xué)生都可進(jìn)行實驗研究。優(yōu)質(zhì)實驗項目共享才能達(dá)到效益最大化，讓身處不同地方的學(xué)生都能保質(zhì)保量完成同一個實驗，是一項大工程，必須創(chuàng)造以下條件：

（1）在線管理條件。具備發(fā)布實驗項目，學(xué)生信息收集管理、在線監(jiān)控實驗全過程、獲取并記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)、自動進(jìn)行效果評價等功能。

（2）提供實施實驗所必需的軟件、硬件條件。采用計算機(jī)終端操控硬件設(shè)備，開展遠(yuǎn)程實物實驗。

（3）具備信息反饋通道。實驗完成，學(xué)生有機(jī)會反映其真實體會及評價，并提出意見與建議；系統(tǒng)動態(tài)推送優(yōu)質(zhì)實驗項目排行榜，鼓勵優(yōu)質(zhì)實驗項目共享。

讓實驗項目亮相，打破壁壘，推行共享共建。

3.2 將資源依賴變?yōu)樵诰€認(rèn)證優(yōu)勢

高等教育承擔(dān)學(xué)生知識傳授與能力培養(yǎng)的同時，也承擔(dān)認(rèn)證職能。實驗學(xué)習(xí)過程中的抄襲、代做、代考等行為，都有悖于認(rèn)證的真實性原則。實驗教學(xué)對資源的依賴性，主要是指必須借實驗設(shè)備和實驗室空間才能進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的教學(xué)特點(diǎn)。這曾是阻礙資源共享的短板，但學(xué)生身處獨(dú)一無二物理空間的真實性和充足的設(shè)備支撐條件，恰好為實時采集數(shù)據(jù)提供了可能；為數(shù)據(jù)的真實性做了背書；為動態(tài)認(rèn)證提供了依據(jù)。只要利用技術(shù)手段，將特征數(shù)據(jù)收集起來，就可成為認(rèn)證優(yōu)勢。關(guān)鍵環(huán)節(jié)有2個：

（1）人臉識別登錄。學(xué)生進(jìn)入實驗室，刷臉登錄實驗管理系統(tǒng)。改進(jìn)刷學(xué)生卡進(jìn)入實驗室，身份真實性存疑的問題，也為后續(xù)監(jiān)控的開展提供比對依據(jù)。

（2）全過程的不定時掃描。使用攝像頭，不定時采集實驗現(xiàn)場每張實驗臺學(xué)生的面部信息，與登錄人的面部信息比較。可以采用規(guī)律觸發(fā)掃描、條件觸發(fā)掃描和強(qiáng)制觸發(fā)掃描相結(jié)合的方式；發(fā)現(xiàn)人不在、換人及上傳數(shù)據(jù)的時候，觸發(fā)多次掃描和強(qiáng)制掃描，有效實施動態(tài)認(rèn)證。

3.3 在線獲取實驗實施大數(shù)據(jù)，提升管理有效性

實驗現(xiàn)場反映的問題，是做出教學(xué)效果研判的最可靠依據(jù)；在線獲取數(shù)據(jù)，是了解實驗實施情況最真實、最便捷的方法。關(guān)鍵數(shù)據(jù)有2類：

（1）實驗測量數(shù)據(jù)。采集學(xué)生實驗過程中的儀器測量值；通過NI-VISA協(xié)議使用USB通信，讀取和控制儀器設(shè)備相關(guān)參數(shù)信息。數(shù)據(jù)分為兩部分：文本數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)；文本數(shù)據(jù)采用JSON格式傳輸、圖片先在本地壓縮后再進(jìn)行傳輸。

（2）實驗過程狀態(tài)數(shù)據(jù)。采集實驗操作過程中重復(fù)次數(shù)、時間、試錯及速度等數(shù)據(jù)。對于實驗過程中每一步的操作時間，使用前端埋點(diǎn)進(jìn)行緩存后統(tǒng)一提交至后臺。學(xué)生提交次數(shù)、實驗準(zhǔn)確率，以及提交的過程數(shù)據(jù)在系統(tǒng)后臺按一定算法定時進(jìn)行計算后更新。

3.4 精準(zhǔn)分析推送，達(dá)成閉環(huán)整定

在海量學(xué)情大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過挖掘和篩選，可以獲得滿足不同教學(xué)觀測視角所需的分析結(jié)果。達(dá)成這個目標(biāo)，需要3個步驟：

（1）打標(biāo)簽。每一類的學(xué)情數(shù)據(jù)都被打上多個“標(biāo)簽”，即被賦予了多重的意義；在不同的應(yīng)用場景下，形成各有權(quán)重的數(shù)據(jù)組合。

（2）建立數(shù)據(jù)與評價觀測點(diǎn)的映射關(guān)系。設(shè)計關(guān)鍵效果評價指標(biāo)的數(shù)學(xué)計算模型。

（3）軟件編程。通過軟件設(shè)計，自動將分析結(jié)果推送給指定對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取、分析及應(yīng)用的閉環(huán)。

4 在線實驗教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用

學(xué)校開發(fā)了電工電子實驗在線共享管理平臺，借助技術(shù)工具，推動實驗在線教育的實施。

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)要解決的主要問題

4.1.1 解決電源條件控制問題

配合管理過程中實驗臺條件供電的需要，開發(fā)了電類實驗臺電源智能控制系統(tǒng)。包括控制開關(guān)硬件，以及實現(xiàn)實驗預(yù)習(xí)自動組卷、自動評分、滿足條件時命令控制開關(guān)自動接通的軟件系統(tǒng)。電源智能控制的具體實現(xiàn)，如圖1所示。采用B／S＋C／S結(jié)合使用的模式解決瀏覽器的限制問題。系統(tǒng)數(shù)據(jù)都存儲在遠(yuǎn)程服務(wù)器，考慮到實際的應(yīng)用場景系統(tǒng)采用B／S架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，為了實現(xiàn)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(fā)的客戶端程序。系統(tǒng)在服務(wù)端設(shè)定了多重邏輯條件，當(dāng)滿足特定條件的要求時，客戶端作為服務(wù)器和電源通信的中間橋梁，傳達(dá)著彼此的指令信息。

圖1 電源智能控制的具體實現(xiàn)

4.1.2 解決在線做實驗的問題

開發(fā)遠(yuǎn)程在線實驗管理系統(tǒng)，其中ELF-BOX遠(yuǎn)程智能實驗平臺包含真實的實驗元器件、電路實物模塊及實驗用示波器、電壓源、信號源和頻譜儀等真實測量儀器；學(xué)生可以在實驗室外具備網(wǎng)絡(luò)條件的任何地方，通過計算機(jī)遠(yuǎn)程操控智能實驗平臺上的實物電路和測量儀表，實現(xiàn)如在現(xiàn)場操作一樣的電路元件調(diào)整效果和測量結(jié)果。借助此系統(tǒng)，按要求上傳的關(guān)鍵數(shù)據(jù)被自動存入學(xué)生賬號。實現(xiàn)遠(yuǎn)程全“真”硬件實驗，實驗室內(nèi)、外大數(shù)據(jù)采集無死角。圖2是遠(yuǎn)程在線實驗管理系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

圖2 遠(yuǎn)程在線實驗管理系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

4.1.3 解決數(shù)據(jù)在線獲取的問題

系統(tǒng)必須支持不同品牌測試儀器接入，滿足根據(jù)課前老師設(shè)置的實驗監(jiān)測點(diǎn)，學(xué)生完成實驗的同時提交數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動采集，確保數(shù)據(jù)真實性、不可作弊的要求。除了實驗測量數(shù)據(jù)采集之外，學(xué)生實驗的過程數(shù)據(jù)全部在采集范圍之內(nèi)，例如：試錯因數(shù)、速度因數(shù)等，用于課后學(xué)情分析。由于瀏覽器應(yīng)用無法直接訪問本地設(shè)備，需要在本地安裝一個Windows服務(wù)，用來提供本地Web服務(wù)，作為連接瀏覽器應(yīng)用與本地硬件控制應(yīng)用的橋梁。將VISA控制模塊內(nèi)置到本地服務(wù)中，這時瀏覽器通過http請求本地Web服務(wù)，即可實現(xiàn)對本地儀器控制。圖3為在線數(shù)據(jù)獲取示意圖。

4.2 應(yīng)用亮點(diǎn)

4.2.1 有效推行實驗準(zhǔn)入制

學(xué)生進(jìn)入實驗室，強(qiáng)制進(jìn)行預(yù)習(xí)檢測：系統(tǒng)隨機(jī)組卷，在15～20 min內(nèi)，最多可以進(jìn)行3次檢測；只有達(dá)到60分條件，實驗臺才自動上電：預(yù)習(xí)效果不達(dá)標(biāo)，該次將無法做實驗。系統(tǒng)對所有用戶一視同仁，做出的判斷客觀而嚴(yán)謹(jǐn)；人機(jī)對話，避免了師生面對面可能引發(fā)沖突，使嚴(yán)格的實驗室準(zhǔn)入制度，以學(xué)生可以接受的方式柔性落地。強(qiáng)制預(yù)習(xí)帶來學(xué)習(xí)風(fēng)氣的改變，學(xué)生投入實驗預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備的積極性和主動性被激發(fā)，實驗質(zhì)量和效率大大提高。圖4是我校電信學(xué)院2018級創(chuàng)新班進(jìn)行“儀器與測量”實驗項目時，現(xiàn)場預(yù)習(xí)檢測的情況統(tǒng)計截圖。

圖3 在線數(shù)據(jù)獲取實現(xiàn)示意圖

4.2.2 全過程自動監(jiān)控，無死角獲取數(shù)據(jù)

圖4 實驗現(xiàn)場預(yù)習(xí)檢測情況統(tǒng)計截圖

實驗臺計算機(jī)熒光屏上方的攝像頭不定時對實驗操作者進(jìn)行掃描，確認(rèn)實驗者為本人；實驗開始前，教師按照實驗要求，設(shè)置關(guān)鍵檢測點(diǎn)；實驗過程中，系統(tǒng)自動記錄學(xué)生上傳的數(shù)據(jù)和刷新的次數(shù)，如圖5所示是系統(tǒng)后臺實驗過程數(shù)據(jù)的原始記錄表截圖；表中記錄了學(xué)生實驗過程中首次上傳數(shù)據(jù)錯誤數(shù)量、最后一次上傳數(shù)據(jù)正確數(shù)量以及每個數(shù)據(jù)被刷新（試錯）次數(shù)，并自動做出正／誤比率統(tǒng)計。以上是實驗室現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取情況。實驗室外操控ELF-BOX的過程記錄由遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)獲取，記錄到后臺數(shù)據(jù)庫。課內(nèi)課外過程監(jiān)控與數(shù)據(jù)收集無一遺漏。

圖5 系統(tǒng)后臺實驗過程數(shù)據(jù)的原始記錄表

4.2.3 大數(shù)據(jù)分析結(jié)果精準(zhǔn)推送

系統(tǒng)通過對預(yù)習(xí)檢測、實驗現(xiàn)場操作及學(xué)生提交實驗報告的數(shù)據(jù)分析，將教師和學(xué)生關(guān)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、易程度等的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果推送，診斷教學(xué)設(shè)計的問題，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生則能從系統(tǒng)推送信息，看到自己實驗過程出錯的詳細(xì)記錄，獲得教師對于改進(jìn)不足之處的點(diǎn)評與建議（關(guān)聯(lián)推送）等個性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)，明確每次實驗存在的優(yōu)勢與不足，及時調(diào)整學(xué)習(xí)策略。

4.2.4 實現(xiàn)雙閉環(huán)整定

在線實驗教學(xué)流程，形成了基于學(xué)情信息獲取、分析及反饋的雙閉環(huán)系統(tǒng)，達(dá)成實驗項目與實驗課程的自整定。圖6是在線實驗教學(xué)雙閉環(huán)整定過程的示意圖。小閉環(huán)，將傳統(tǒng)的“實驗預(yù)習(xí)—實驗實施—提交報告”的單向開環(huán)實驗學(xué)習(xí)過程，變?yōu)椤皩嶒瀸嵤_(dá)標(biāo)評價—附加訓(xùn)練（補(bǔ)短）—再評價…直至達(dá)標(biāo)”的過程控制，及時發(fā)現(xiàn)實驗問題，引導(dǎo)學(xué)生及時調(diào)整學(xué)習(xí)策略，實現(xiàn)個性化教學(xué)。大閉環(huán)，則基于實驗課程的實施數(shù)據(jù)綜合分析，調(diào)整優(yōu)化課程中各實驗項目的設(shè)計，從而實現(xiàn)實驗課程的持續(xù)改進(jìn)。

圖6 在線實驗教學(xué)雙閉環(huán)整定過程示意圖

5 結(jié) 語

“互聯(lián)網(wǎng)＋”與教育教學(xué)的深度融合，令傳統(tǒng)實驗教學(xué)在教學(xué)體制、教學(xué)理念和教學(xué)方式方法等方面獲得更為寬廣的創(chuàng)新改革路徑。在信息技術(shù)支持下，挖掘數(shù)據(jù)價值，改革運(yùn)行機(jī)制，消除實驗資源共享壁壘，切實提升教學(xué)質(zhì)量，我們要做的探索還有很多。