新技術(shù)在線上實物實驗平臺的研究與探索

鄭 磊， 胡仁杰， 堵國樑， 黃慧春

（東南大學(xué)國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心，南京 210096）

0 引 言

2013年，教育部發(fā)出了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，通知指出，虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物［1］。《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》［2］中提出進(jìn)一步的建設(shè)目標(biāo)，從2019～2021年，完成4 000門左右國家級線上一流課程（國家精品在線開放課程）、4 000門左右國家級線下一流課程、6 000門左右國家級線上線下混合式一流課程、1 500門左右國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程、1 000門左右國家級社會實踐一流課程認(rèn)定工。2019年底到2020年初的新型冠狀病毒疫情，給全國乃至世界范圍內(nèi)的教育行業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)，線上課程、直播網(wǎng)課成為主流的教學(xué)手段，初見成效的線上實驗平臺也給在家學(xué)習(xí)的學(xué)生帶來全新的實驗學(xué)習(xí)體驗。教育部印發(fā)《疫情防控期間做好高校在線教學(xué)組織與管理工作指導(dǎo)意見》等文件［3-5］指出，各高校應(yīng)充分利用上線的慕課和省、校兩級優(yōu)質(zhì)在線課程教學(xué)資源，在慕課平臺和實驗資源平臺服務(wù)支持帶動下，依托各級各類在線課程平臺、校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間等，積極開展線上授課和線上學(xué)習(xí)等在線教學(xué)活動，保證疫情防控期間教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量，并全天候開放國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺，免費(fèi)提供2 000余門虛擬仿真實驗課程資源，實現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”［6］。

目前的線上實驗平臺融合了理論／實驗、課內(nèi)／課外、線上／線下混合式等實驗教學(xué)模式［7］，拓寬了實驗的時空與內(nèi)容的外延和深度。但是大部分線上實驗室作為理論教學(xué)或者M(jìn)OOC的輔助工具存在，沒有形成獨(dú)立、完整的教學(xué)體系；而且現(xiàn)有的線上實驗任務(wù)以驗證性為主，鮮有探究性；涉及的問題客觀性居多、缺乏主觀性；實驗過程沒有針對性引導(dǎo)、幫助和交互；系統(tǒng)缺乏完整、明確詳細(xì)的考核機(jī)制；對于海量的多維度數(shù)據(jù)很少進(jìn)行分析，難以對教學(xué)設(shè)計提供良性反饋。

楊全勝等［8］對計算機(jī)專業(yè)的遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)作了初步的探討和研究，建立基于FPGA的帶底層硬件支持的虛實結(jié)合的遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)。曾永安等［9］通過融合Proxmox虛擬化、VNC等技術(shù)，實現(xiàn)多主機(jī)互聯(lián)的在線實驗課程。徐志國等［10］從課程大綱的優(yōu)化與調(diào)整、在線資源的建設(shè)、線上線下互動教學(xué)的設(shè)計及組織、考核標(biāo)準(zhǔn)與實施等方面提出了電子信息類專業(yè)課程混合式教學(xué)模式改革的思路，探索利用在線平臺進(jìn)行混合式教學(xué)對于提升電子信息類專業(yè)課程教學(xué)效果的重要意義。Fujii等［11］利用Web服務(wù)器、VPN、分布式資源和服務(wù)管理等技術(shù)實現(xiàn)共享實驗室框架，為遠(yuǎn)程多用戶分時復(fù)用硬件實驗系統(tǒng)的應(yīng)用提供可能。

線上實物實驗平臺，契合教育部當(dāng)前“線上”＋“線下”混合式教學(xué)模式，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、探索能力、創(chuàng)新能力和實干能力，盡量多給學(xué)生留出獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)的空間，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗，并嚴(yán)格按照科學(xué)規(guī)范對學(xué)生進(jìn)行監(jiān)督、培養(yǎng)與考核［12］。本文在Web服務(wù)器、VPN技術(shù)、分布式控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合混合云計算［13］、物聯(lián)網(wǎng)［14］、大數(shù)據(jù)、人工智能、可重構(gòu)［15］等新技術(shù)，融合實驗教育資源［16］，為線上實驗教學(xué)帶來新的機(jī)遇，將全面改變現(xiàn)有的教學(xué)環(huán)境和培養(yǎng)模式。

1 平臺框架介紹

當(dāng)前在線實驗主要有兩種形式：軟件設(shè)計仿真與遠(yuǎn)程實物實驗［17-18］。軟件設(shè)計仿真的實驗環(huán)境由軟件模擬，如使用Multisim、Pspice、QuartusII、Vivado等計算機(jī)輔助設(shè)計軟件或者專門設(shè)計的虛擬現(xiàn)實空間軟件環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)課程實驗。這種方法可以在沒有實際設(shè)備的情況下進(jìn)行實驗，并且許多學(xué)生可以同時進(jìn)行相同的實驗。但是，實驗的結(jié)果是已成定局的結(jié)論，并且在許多情況下，結(jié)果的偏差很小。遠(yuǎn)程實物實驗是通過遠(yuǎn)程控制實際的實驗設(shè)備，如實際的數(shù)字電路、模擬電路，用這種方法可以得到與實驗室實際電路相似的結(jié)果，限制條件是同一臺設(shè)備只能被有限的同學(xué)使用。

電子信息類課程，尤其是基礎(chǔ)課程中，軟件設(shè)計仿真是實驗設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化通常采用的方法。但是軟件仿真與實物電路之間存在不可消除的差異，如電子元器件理想集中參數(shù)與真實器件分布參數(shù)，理想儀器狀態(tài)與真實儀器驅(qū)動能力、頻率特性等非理想狀態(tài)，紋波、噪聲、干擾對電路運(yùn)行的影響，線路分布阻抗參數(shù)及接觸阻抗對電路的影響等。因此，線上實物實驗?zāi)軌虺浞秩诤侠碚摚瘜嶒灐⒄n內(nèi)／課外、線上／線下的教學(xué)理念，通過實踐與理論的差異化分析和學(xué)習(xí)，踐行理論指導(dǎo)實踐和實踐對理論具有決定作用這一辯證思想。

線上實物實驗平臺框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由實驗室實驗板卡機(jī)箱、儀器組、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、管理員管理端、教師管理端和學(xué)習(xí)者客戶端組成。

實驗板卡機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，按照課程分為模擬電子線路實驗、電路分析實驗、數(shù)字邏輯電路實驗等，機(jī)箱內(nèi)按照使用人數(shù)配置一定數(shù)量的實驗板卡，硬件資源由服務(wù)器動態(tài)分配，每個機(jī)箱能并發(fā)多個學(xué)生同時實驗；系統(tǒng)可實現(xiàn)多個平臺級聯(lián)。

儀器組與板卡機(jī)箱連接，每臺儀器均可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控，提供真實的實驗環(huán)境和儀器測試體驗。

學(xué)習(xí)者在客戶端設(shè)計的實驗均有實際硬件電路對應(yīng)，通過瀏覽器訪問在線實驗平臺，可在類似面包板的實驗平臺上配置電子元器件、選擇元器件參數(shù)、用導(dǎo)線連接電路；可以選擇實驗儀器設(shè)備，如遠(yuǎn)程操控程控穩(wěn)壓電源的輸出電壓、激勵信號源的波形／頻率／幅值、萬用表的測量功能、示波器的通道／耦合／靈敏度／掃描速率；可選擇電路中信號接入點與電路觀測點，觀察并測量電路參數(shù)與信號的波形、頻率、幅值、相位等參數(shù)。學(xué)習(xí)者可以在線編寫實驗報告，將實驗電路、實驗數(shù)據(jù)、信號波形植入實驗報告，形成的實驗報告可在線提交。

教師通過教師管理端管理實驗內(nèi)容和學(xué)生實驗過程，在線批改報告，評價實驗過程和實驗結(jié)果。

管理員根據(jù)學(xué)校的課程教學(xué)要求，在管理員配置端配置實驗板卡和實驗儀器，配置系統(tǒng)功能模塊。

服務(wù)器為實驗平臺提供無人值守、24 h全天候開放運(yùn)行的服務(wù)。服務(wù)器鋪設(shè)在校外，由成熟的云服務(wù)供應(yīng)商提供服務(wù)，實驗板卡和儀器鋪設(shè)在學(xué)校，通過VPN網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù)。學(xué)生、教師、管理員均可通過網(wǎng)絡(luò)訪問各自角色的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容，學(xué)生可在家庭、宿舍、教室、圖書館等任何有網(wǎng)絡(luò)的場地進(jìn)行實驗。

圖1 線上實物實驗平臺框架示意圖

本文將可重構(gòu)技術(shù)、混合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)引入和應(yīng)用到線上實物實驗平臺，融合這些新技術(shù)，為線上實物實驗教學(xué)帶來新的機(jī)遇，將全面改變現(xiàn)有的教學(xué)環(huán)境和培養(yǎng)模式，高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化教學(xué)環(huán)境條件的快速普及，為提供更具個性的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)引導(dǎo)，為實現(xiàn)更加精準(zhǔn)、更具耐心的實驗教育提供了基礎(chǔ)硬件條件，為提供更加多樣的教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式、實現(xiàn)由知識傳授到知識構(gòu)建的重大轉(zhuǎn)變提供了可能。而沉浸式的學(xué)習(xí)體驗和智能化的學(xué)習(xí)過程，將為每位學(xué)習(xí)者特定的學(xué)習(xí)需求生成個性化、定制化的學(xué)習(xí)方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為了融合理論／實驗、課內(nèi)／課外、線上／線下的教學(xué)資源，拓寬了實驗的時空與內(nèi)容的外延和深度，線上實物實驗平臺以數(shù)據(jù)和技術(shù)為驅(qū)動力，結(jié)合可重構(gòu)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、混合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)，實現(xiàn)理論知識驅(qū)動實驗技能、實驗技能轉(zhuǎn)化學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)能力提升科研素質(zhì)的良性循環(huán)，通過打造集合施教、學(xué)習(xí)、實驗、管理等功能于一體的智慧在線實驗管理系統(tǒng)，探索全面、精準(zhǔn)評價機(jī)制，并能夠支持學(xué)習(xí)過程的動態(tài)優(yōu)化、實驗過程智能引導(dǎo)和在線幫助，提升實驗效率。

2.1 可重構(gòu)技術(shù)

可重構(gòu)技術(shù)［15］是指利用可重用的軟硬件資源，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活地改變自身體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。在線實驗系統(tǒng)需要根據(jù)不同的實驗項目更改電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)學(xué)生的不同設(shè)計改變電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可重構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用可以保證在線實驗系統(tǒng)的設(shè)計具備足夠的靈活性和多樣性。

如圖2所示，在線實驗系統(tǒng)的實驗板卡設(shè)計采用可編程的數(shù)字開關(guān)陣列、可編程的模擬矩陣開關(guān)陣列、可編程電阻和電容器件、可編程運(yùn)算放大器、可編程電源等可重構(gòu)硬件資源，通過基于“ARM＋FPGA”結(jié)構(gòu)的重構(gòu)控制器配置可重構(gòu)硬件資源。ARM處理器接收遠(yuǎn)程控制信號指令，解析后轉(zhuǎn)化為FPGA的控制信號，F(xiàn)PGA配置可重構(gòu)硬件資源，改變實驗電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。同時，ARM處理器采集實驗對象和相關(guān)電路的工作狀態(tài)，反饋給服務(wù)器，記錄實驗過程數(shù)據(jù)，監(jiān)測實驗效果。

圖2 可重構(gòu)硬件資源示意圖

2.2 大數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)是指通過科學(xué)實驗、檢驗、統(tǒng)計等方式所獲得的，用于科學(xué)研究、技術(shù)設(shè)計、查證、決策等目的的數(shù)值。通過全面、準(zhǔn)確、系統(tǒng)地測量、收集、記錄、分類、存儲這些數(shù)據(jù)，再經(jīng)過嚴(yán)格的統(tǒng)計、分析、檢驗這些數(shù)據(jù)，就能得出一些很有說服力的結(jié)論。大規(guī)模、長期地測量、記錄、存儲、統(tǒng)計、分析這些數(shù)據(jù)，所獲得的海量數(shù)據(jù)就是大數(shù)據(jù)［19］。

在實驗教學(xué)中，學(xué)習(xí)者的視頻課件學(xué)習(xí)行為、實驗操作行為、在線時長、結(jié)果正確率、測試成績、與教師互動情況、教學(xué)評價等數(shù)據(jù)，可以很好反映學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)規(guī)律，教師的在線時長、教學(xué)材料反饋、與學(xué)習(xí)者互動情況等數(shù)據(jù)，可以反映教師施教的有效性，反映實驗材料、實驗項目設(shè)置的科學(xué)性。在線實驗后臺運(yùn)行數(shù)據(jù)可以反映平臺的承壓能力、帶載能力、性能缺陷、功能開發(fā)方向等。

數(shù)據(jù)是人工智能的“養(yǎng)料”，因此實驗大數(shù)據(jù)是實驗平臺智能化的基礎(chǔ)，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以通過對教育數(shù)據(jù)的分析，挖掘出教學(xué)、學(xué)習(xí)、評估等符合學(xué)生實際與教學(xué)實際的情況，這樣就可以有的放矢地制定、執(zhí)行教育政策，制定出更符合實際的教育教學(xué)策略；也有利于人工智能技術(shù)在實驗平臺的實施。

2.3 混合云計算

線上實物實驗不同于純軟件虛擬仿真，其依賴的硬件實驗裝置不是標(biāo)準(zhǔn)化的計算機(jī)設(shè)備，無法托管到互聯(lián)網(wǎng)機(jī)房，只能部署在實驗室；軟件系統(tǒng)（管理、預(yù)約、實驗報告）面對的用戶數(shù)量多、分布廣，為了保證訪問速度，需要使用互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器。借助混合云計算技術(shù)，實驗室的實驗裝置硬件可以與互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器（分布在華北、華東、華南）結(jié)合，構(gòu)成混合云服務(wù)，為全國各地用戶提供近乎實時的實驗操作（見圖3）。

圖3 混合云計算部署示意圖

2.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

目前高校實驗室的儀器設(shè)備都可以基于https協(xié)議實現(xiàn)與智慧實驗管理終端的互聯(lián)，可以自動識別并記錄儀器的相關(guān)信息（型號、序列號、位置、使用時長等）；實現(xiàn)實時監(jiān)控所有實驗臺儀器的狀態(tài)（是否在線、儀器是否正常）；可批量設(shè)置實驗室所有儀器的狀態(tài)（上線、下線、統(tǒng)一設(shè)置等）；可在線獲取某個實驗臺測量儀器的詳細(xì)數(shù)據(jù)（測量數(shù)據(jù)、屏幕截圖或主要參數(shù)）；支持學(xué)生在實驗報告中讀取測量儀器的數(shù)據(jù)，這些智慧儀器為本項目提供了很好的物理基礎(chǔ)。

在線實境實驗配套的實驗裝置與儀器設(shè)備功能架構(gòu)各不相同、來自不同的廠商，這些硬件通過物聯(lián)網(wǎng)連接在一起，支持了從基礎(chǔ)到綜合的各類實驗項目，而且裝置的數(shù)量可以按需調(diào)整，實驗內(nèi)容的擴(kuò)充也非常方便。

2.5 人工智能

智慧教育經(jīng)歷了最近2～3年的高速發(fā)展后，為“人工智能＋實驗教學(xué)”的結(jié)合提供有效的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗支持［20］。目前工具型輔助學(xué)習(xí)、人工智能學(xué)科教育和智慧校園是人工智能在教育行業(yè)比較流行的應(yīng)用場景，人工智能的多項技術(shù)被運(yùn)用到教學(xué)和輔助教學(xué)環(huán)節(jié)，已經(jīng)積累了一定的成功經(jīng)驗。人工智能與線上實物實驗的結(jié)合，可以在課程教學(xué)目標(biāo)、教育模式、教學(xué)要求、評價機(jī)制等方面進(jìn)行整合、重構(gòu)，建立全面的智能實驗教學(xué)體系。

基于人工智能的實驗教學(xué)研究包含內(nèi)容研發(fā)、數(shù)據(jù)及技術(shù)開發(fā)，也涉及到數(shù)據(jù)供應(yīng)和底層設(shè)施，如圖4所示。內(nèi)容研發(fā)涉及認(rèn)知科學(xué)、學(xué)習(xí)心理學(xué)、教育測量學(xué)、學(xué)科教研經(jīng)驗等；數(shù)據(jù)及技術(shù)開發(fā)涉及新興的機(jī)器學(xué)習(xí)、計算機(jī)科學(xué)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域；數(shù)據(jù)供應(yīng)端包含在線開放課程、MOOL、傳統(tǒng)課堂等；底層設(shè)施包含智能儀器、計算設(shè)備、實境實驗臺等。這些模塊的跨界協(xié)作和共同摸索，構(gòu)建人工智能實驗教育系統(tǒng)，結(jié)合線下實驗，為在線實驗教學(xué)有目的地提供實踐引導(dǎo)和智能學(xué)習(xí)過程支持，在各類人工智能技術(shù)的支持下，構(gòu)建認(rèn)知模型、知識模型、情境模型，并在此基礎(chǔ)上針對學(xué)習(xí)過程中的各類場景進(jìn)行智能化支持，形成諸如智能學(xué)科工具、個性化在線幫助等支持工具。其中在線幫助分層次供學(xué)習(xí)者選擇，如相關(guān)知識導(dǎo)讀、相關(guān)實驗引導(dǎo)、相關(guān)設(shè)計參考、設(shè)計方案實時評價、相關(guān)技能延伸等，并根據(jù)所選擇的幫助層次制定影響考核成績的評價因子。學(xué)習(xí)者在實驗過程中出現(xiàn)問題、故障，難以繼續(xù)實驗后，人工智能從任務(wù)分析、問題引導(dǎo)、操作指導(dǎo)等不同層次供學(xué)習(xí)者選擇故障在線幫助，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者順利完成學(xué)習(xí)和實驗任務(wù)。

利用人工智能技術(shù)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行診斷和反饋，從每個學(xué)習(xí)者實踐過程的科學(xué)性、完成度、準(zhǔn)確性、實效性（效率）等角度評價學(xué)生實驗成效，分析學(xué)習(xí)者的行為、心理等活動。

通過對實驗設(shè)計方案、過程操作、實驗結(jié)果等數(shù)據(jù)的分析，對學(xué)習(xí)者設(shè)計的實現(xiàn)方案給出評價，分析潛在問題和設(shè)計特點，并對實驗操作過程的合理性、有效性給予反饋。

圖4 基于人工智能的實驗教學(xué)研究

根據(jù)每個實驗的教學(xué)目標(biāo)，對學(xué)生實驗中各個環(huán)節(jié)的實驗行為自動給予個性化的綜合評價。并給出包括學(xué)生問題解決能力的智能評價、心理健康檢測與預(yù)警、學(xué)生成長與學(xué)習(xí)路徑發(fā)展規(guī)劃等形成性報告。

分析實驗群體在實驗進(jìn)程、任務(wù)完成等方面的數(shù)據(jù)狀態(tài)，提供實驗教學(xué)在任務(wù)與要求、教學(xué)與引導(dǎo)、考核與評價、環(huán)境與條件等方面教學(xué)設(shè)計的成效分析數(shù)據(jù)，為教學(xué)設(shè)計者提供完善改進(jìn)參考數(shù)據(jù)。

人工智能技術(shù)的引入，實現(xiàn)一個24 h在線的AI導(dǎo)師，對學(xué)生操作中的問題進(jìn)行解答，幫助教師改善教學(xué)內(nèi)容。

3 系統(tǒng)實施方法

“東南在線實驗”由東南大學(xué)國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心聯(lián)合南京潤眾科技有限公司、南京凌速科技有限公司從2017年聯(lián)合建設(shè)的線上實物實驗平臺。平臺提供的實驗項目都有對應(yīng)的硬件資源實現(xiàn)，而非軟件仿真。實驗系統(tǒng)配置與線下綜合性實驗室相同，用戶的所有操作均映射到可遠(yuǎn)程控制的實驗對象和測量儀器，實驗對象和測量儀器的配置機(jī)柜如圖5所示。

3.1 實施概況

建設(shè)“東南在線實驗”平臺的初衷是為學(xué)生提供一種時空完全開放，自主設(shè)計、自我管理的全新實踐渠道。同時也為社會學(xué)習(xí)者提供終身學(xué)習(xí)實踐的平臺。新冠肺炎疫情期間，高校紛紛采用線上學(xué)習(xí)方式開展教學(xué)。為保障疫情期間高校實驗教學(xué)“停課不停教、停課不停學(xué)”“東南在線實驗”平臺為全國高校免費(fèi)提供線上實物實驗服務(wù)。

需要在線實驗服務(wù)的高校，由責(zé)任教師指定實驗課程，制定教學(xué)計劃，提供學(xué)生信息（學(xué)號）；實驗平臺教師要求為指定學(xué)生建立實驗教學(xué)班，學(xué)生即可自主登錄實驗平臺、預(yù)約實驗時間，然后在預(yù)約時間進(jìn)入平臺進(jìn)行實驗。實驗中學(xué)生可以保存實驗的完整狀態(tài)，包括電路結(jié)構(gòu)狀態(tài)、元器件參數(shù)、要求設(shè)備狀態(tài)，再次進(jìn)入實驗平臺，可以即時恢復(fù)所保存的狀態(tài)。學(xué)生提交的實驗報告可以由責(zé)任教師評閱、評價。

圖5 線上實物實驗板卡和儀器配置機(jī)柜

從2月24日第一個教學(xué)班級開始在線實驗，截至6月7日，共有83所高校220位教師提交了開課信息，開設(shè)了631個實驗教學(xué)班級，共有39 593名學(xué)生開通賬號。累計實驗271 122人次，提交實驗報告41 800份。

“東南在線實驗”平臺無人值守，可24 h全天候開放運(yùn)行，學(xué)生可在家庭、宿舍、教室、圖書館等任何有網(wǎng)絡(luò)的場地進(jìn)行實驗，圖6所示為在線實驗平臺分時段在線使用平均數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖，圖中從9：00～22：00點是使用者的集中時間段，平均每小時使用人數(shù)均超過1 500人次，而在23：00～0：00時段，平均實用人數(shù)在1 000人次左右，即使在凌晨1：00～7：00時間段，也始終保持一定數(shù)量的活躍用戶，因此，由數(shù)據(jù)可見東南在線能夠滿足使用者全天候的實驗需求，為學(xué)生提供了自主設(shè)計、自我管理實踐渠道，為當(dāng)前疫情特殊時期學(xué)生的課程實踐提供了有效途徑。

圖6 線上實物實驗24 h使用人次統(tǒng)計數(shù)據(jù)

3.2 實驗內(nèi)容

“東南在線實驗”現(xiàn)已上線《電路實驗》《模擬電子電路實驗》《數(shù)字邏輯電路實驗》3門課程的30余項實驗，每個實驗都有可遠(yuǎn)程操控的儀器儀表及硬件電路，而非軟件仿真。使用者通過瀏覽器訪問在線實驗平臺，用真實電子元器件、連接導(dǎo)線構(gòu)建電路，設(shè)置儀器工作狀態(tài)，測量參數(shù)觀察波形，分析處理實驗數(shù)據(jù)，撰寫提交實驗報告，完成設(shè)計性、綜合性、探究性實驗。

在線實驗開創(chuàng)了多人遠(yuǎn)程合作實驗、開放式在線觀摩、實驗過程記錄保存、實驗現(xiàn)場快速恢復(fù)再現(xiàn)、實驗時間可碎片化、任意場合調(diào)用實驗資源等前所未有的學(xué)習(xí)模式；有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者自主研學(xué)興趣與積極性，拓展了學(xué)生自主探索、研究性的時空。

以《模擬電子電路實驗》中“單級放大電路”實驗為例，如圖7所示，實驗電路利用硬件可重構(gòu)技術(shù)，學(xué)習(xí)者在線設(shè)計三極管單級放大電路，根據(jù)設(shè)計要求選擇不同的電阻電容器件，設(shè)計合乎需求的電路結(jié)構(gòu)，服務(wù)器接收到相應(yīng)的指令，采用可編程的模擬矩陣開關(guān)陣列、可編程電阻實現(xiàn)學(xué)習(xí)者設(shè)計的電路。學(xué)習(xí)者利用頁面提供的信號源為電路提供激勵信號，利用萬用表和示波器測量電路中感興趣的被測信號，這些儀器在后臺都是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實際的儀器掛在實際的實驗電路中，因此，學(xué)習(xí)者得到的實驗結(jié)果與仿真軟件得到的結(jié)果不同，包含了實際電路噪聲，反映實際電路器件的性能。

圖7 單級放大電路實驗操作界面示意圖

“東南在線實驗”根據(jù)已經(jīng)開設(shè)的3門實驗課程的30余項實驗，收集學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)，如實驗操作數(shù)據(jù)、實驗過程數(shù)據(jù)、設(shè)計方案數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、評測數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)心理數(shù)據(jù)等，為智能考核提供原始數(shù)據(jù)。

3.3 智能考核

大數(shù)據(jù)、云計算、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，能夠智能分析學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)，構(gòu)建認(rèn)知模型、知識模型、情境模型，并在此基礎(chǔ)上為考核評價提供支持。

知識圖譜技術(shù)是人工智能技術(shù)的重要組成部分，其建立的具有語義處理能力與開放互聯(lián)能力的知識庫，在智能搜索、智能問答、個性化推薦等智能信息服務(wù)中廣泛應(yīng)用。

“東南在線實驗”通過知識抽取技術(shù)，從實驗涉及的理論知識、實踐技能等知識點提取出實體、關(guān)系、屬性等知識要素。通過知識融合，消除實體、關(guān)系、屬性等指稱項與事實對象之間的歧義，形成高質(zhì)量的知識庫。利用知識融合和知識加工技術(shù)建立如圖8的知識模型，將簡單的線性化的知識關(guān)系轉(zhuǎn)換成大規(guī)模的復(fù)雜的統(tǒng)一語義連接的高質(zhì)量知識體系。根據(jù)實驗教學(xué)的特點和教學(xué)規(guī)律，總結(jié)推理規(guī)則，采用基于邏輯的知識推理方法，進(jìn)一步挖掘隱含的知識，從而豐富、擴(kuò)展知識庫。

圖8 知識圖譜模型

“東南在線實驗”利用建立的實驗知識體系庫，分析學(xué)習(xí)者的操作行為數(shù)據(jù)，查詢理解操作意義，或者通過語義理解學(xué)習(xí)者解答含義，并分解為多個小的知識點，通過知識檢索，然后逐一去知識庫中抽取匹配的關(guān)系知識點，并自動檢測其在時間與空間上的吻合度等，最后判斷操作或者答案的正確性，并將錯誤操作或者解答以知識點的形式直觀地展現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，以供學(xué)習(xí)者復(fù)習(xí)。

4 結(jié) 語

融合可重構(gòu)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、混合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，線上實物實驗平臺可以提供貼近真實操作、獲得真實實驗現(xiàn)象和實境實驗結(jié)果的在線實驗體驗；提供學(xué)生自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，不受時間地點限制，充分利用碎片時間；可以保存學(xué)生實驗操作，不斷積累實驗大數(shù)據(jù)，進(jìn)一步的引入知識圖譜等人工智能技術(shù)，提供智能考核方法。

截至2020年6月中旬，全國新型冠狀病毒性肺炎疫情的防疫工作取得階段性勝利，線上教學(xué)方法得到長遠(yuǎn)的發(fā)展，“東南在線實驗”經(jīng)歷一個學(xué)期的考驗，為83所高校631個實驗教學(xué)班級、39 593名學(xué)生提供在線實驗學(xué)習(xí)的機(jī)會。由此可見線上實物實驗方式在特殊條件下有著廣闊的應(yīng)用空間，通過在線教學(xué)方法的分析研究，結(jié)合目前在線課程教學(xué)的實施反饋情況，教學(xué)效果普遍受到教師和學(xué)生的認(rèn)可。雖然在線課程教學(xué)也存在不足，如實驗操作的體驗感不足、對在線網(wǎng)絡(luò)要求高、使用人數(shù)過多排隊時間長、不夠智能等問題，但在疫情特殊時期下能保障和提供給學(xué)生良好的教學(xué)效果，是值得長期應(yīng)用和推廣的。