淺談電工電子智慧實驗室的探索和應用

張聲嵐　武斯萌　廖彥淇　江 豪　張烈平　石榮亮　吳 東　

淺談電工電子智慧實驗室的探索和應用

張聲嵐武斯萌廖彥淇江 豪張烈平石榮亮吳 東

（桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西 桂林 541000）

隨著科學技術的發展，越來越多的智能化設備被廣泛應用于教學實踐中，而實驗室作為高校改變傳統教學方式教學的重要場所，在建立和增強大學生科技創作實踐能力和思維創新能力的過程中，智慧實驗室是完成這一目標的重要渠道。文章以《電工電子實驗》課程為例，闡明智慧實驗室在實驗教學環節中的應用，以及較傳統實驗室教學的優勢。

電工電子實驗；智慧實驗室；“混合式”教學

引言

當下，智慧化辦公、智慧化教學等在高校中已經有了一定程度的普及，如何利用智慧化設備來提高學生學習水平，是亟待解決的一個問題。本文著手于智慧實驗室，以提高學生動手能力，降低教師教學負擔、簡化實驗室管理為目的，介紹智慧實驗室的使用情況。

以桂林理工大學電工電子智慧實驗室為例，實現線上資源共享，線下實操訓練，形成一種線上線下相結合的教學方式。建立和完善以培養學生創新精神和創新能力為目標的創新實驗室并使之正常運轉，不僅僅為學生的實踐鍛煉提供了物質條件，更是給他們創造了一個廣闊的思維空間，其結果是使學生的實踐與創新能力得到鍛煉，科學的工作態度和創新精神得以培養，參與科學研究的熱情得到激發，從而達到創新教育的目的。在高校應用型本科生教育中，尤其是以實踐為主的理工科專業，改變機械式的單一教學方法，培養學生改變傳統思維方式的能力，增強動手實踐的能力，在實際操作中開拓新思路、發現新技術，以達到應用型本科的教學目標[1]。

《電工電子實驗》是應用型本科教學中一門最具實踐價值和操作性很強的一門實驗課，它需要將在課堂上掌握的理論知識與課堂外培養的動手能力結合起來。這些理論知識大都在教室中學過，但運用到實際項目中卻略顯困難。為解決這一問題，在教學安排上，可以考慮通過在實驗類課程中的教學來增進對理論知識的理解并達到完全掌握，智慧實驗室可有效培養學生數據分析與誤差處理的能力，同時得到基本實踐操作技術和分析能力的訓練。

1　電工電子實驗室現狀

實驗室是高等學校教學、科研、社會服務的主要基地，是學校各項工作的重點。實驗室的建設須合理規劃﹐根據學科的發展制定實驗室長期和短期的發展規劃與目標，在此基礎之上進行統籌規劃﹑合理布局，再進行安全措施的設計建設[2]。當前，就傳統電工電子實驗室來說，就實驗室管理、實驗室安全、實驗課教學方法等方面存在以下不足[3]。

（1）實驗室設備實用性單一，種類多，管理效率低下。傳統實驗室以人工管理為主，主要依靠教師以及實驗室助理長時間的監管來完成實驗教學和日常管理工作。例如：實驗室的門鎖只能由專員開啟，若教師或實驗室助理未能按時開鎖，將限制需要使用實驗室上課學生的自由進出。

（2）由于教師及實驗室助理精力有限，以及實驗課程安排的時間和地點是固定的，從而導致非教學期間實驗資源長期置閑，課余時間學生想用無處用，資源可用卻沒法用。

（3）實驗設備復雜，不易排查安全隱患。對于老舊的實驗設備，由于電路老化以及實驗磨損，一是做出的實驗數據不具參考性，二是實驗過程中相比新設備更易出現安全問題，威脅實驗人員的人身安全。

（4）實驗室的實驗設備并不豐富，教師實驗演示時間占據了大多學生的實驗環節，導致學生動手實驗的時間減少，對學有余力的學生無法進行擴展實驗。這樣會導致學生實驗時間不足，實驗能力無法得到提升。

（5）局限于課程安排，實驗教學內容及方法單一，學生只是臨時模仿，沒有思考問題，只為了完成任務而完成實驗，不主動預習和設計方案，達不到實驗效果[4]。

2　電工電子智慧實驗室中的教學理念與意義

應用型本科自動化專業非常看重學生的實踐能力和操作能力。以《電工電子實驗》為例，要將課堂的理論知識與實際實驗操作的實踐相結合，使學生更清楚地認識到，理論學習與實踐操作之間存在的差距[5]。因此，實驗室可作為該專業學生的第二課堂。教師在培養學生時，注重對實驗原理、實驗工具、電路原理圖、操作方法的理解與掌握，通過多種途徑提高創新思維，營造有利于創新型人才發展的氛圍及壞境，將智慧實驗室應用于實驗課程教學中，對促進學生探索新事物，改變固有思維，提高創新意識起到潛移默化的作用。

智慧實驗室是基于物聯網技術發展起來的，將先進技術融入高校的教育管理與建設中，具有先進性、統一性、規范性、安全性的特點，符合人性化的設計。實驗室環境及實驗設備之間存在泛在感知，可將實驗室內環境情況、實驗數據上傳至大數據平臺，實現對實驗室的智能化管理。實行線上線下相結合的“混合式”教學，提前在線上開放實驗指導內容，實驗過程中對學生實驗數據進行實時監控與控制，通過網絡技術實現對實驗儀器的控制和學生身份認證，實驗課程后，對實驗數據進行處理計算，并對實驗中的難點進行解答，可極大提高學生在實驗課程中的參與性，增強與教師之間的互動，有助于鞏固知識，增強動手能力，激發其對科學研究的積極性，從而達到建設新時代背景下創新型人才的目的。

3　電工電子智慧實驗室在教學中的具體實施辦法

每次上實驗課時，可將本實驗課的教學安排分為三個環節，分別為課前預習環節、課中實驗環節、課后總結環節。課前預習環節利用已在線上分享的學習資料，以及實驗課之前理論課老師所講內容，對實驗過程及現象有大致了解；課中實驗環節，利用智慧實驗室特有的教學設備，對所有上課學生進行覆蓋式教學；課后總結環節，通過實驗眼APP，將本實驗課后復習內容，發送到學生手機上，線上回答，線上審批。下面，本文將以這三個環節分別進行詳細說明：

3.1　課前預習環節

（1）在這個環節中，學生依照本節課的實驗內容，提前找資料（該課程會安排在理論課之后），回顧該實驗的原理并查找電路原理圖。

（2）學生可登錄智慧實驗室聯動軟件——實驗眼APP，并在該軟件上查看電子版實驗指導書，了解并熟悉所需實驗儀器的使用，記錄所需測量數據的類型。

（3）在實驗課前，教師會發布與該實驗有關的練習題，學生的作答情況會通過實驗眼APP反饋給數據后臺，方便教師對學生知識掌握程度做出一定判斷，在課堂上側重偏弱項進行彌補。如圖1所示。

圖1　課前預習示例

3.2　課中實驗環節

（1）課前十分鐘，學生可以先對實驗臺、示波器、正弦發生器等實驗儀器進行熟悉，針對使用方法、使用場景等問題，可向教師提出疑惑并解決。學生們使用校園卡進行打卡簽到，實驗臺會將打卡數據傳給教師端后臺，方便老師統計學生的出勤率。

（2）教師根據實驗眼APP后臺答題情況，針對不同學生進行分門別類進行指導。教師結合理論知識及相關器材的演示，幫助學生解決課前練習題。

（3）學生以2～3人為一組的小組形式進行組隊，結合實驗室所給指導書和其他相關材料，運用課前預習知識，可嘗試在實驗臺上接線、測量等操作。教師可在教師端，實時監控每個實驗臺的狀態，確保不會發生意外情況。

（4）教師演示環節中，教師通過智慧實驗室特有的錄屏和投影設備，根據實驗指導書上的內容，對實驗操作方法進行規范化、標準化，對正確實驗現象、實驗過程進行展示，以確保部分學生改正錯誤的實驗操作方法，加強實驗的安全性。

（5）教師通過思維引導倡導學生進行“自主性”“擴展式”實驗，在小團隊內通過實驗所得自主設計擴展式實驗內容，仿真并判斷實驗現象，記錄每一組實驗的數據，培養團隊的合作精神。小組成員將實驗內容上傳至數據后臺，教師擇優進行實驗講解。如圖2所示。

圖2　課中實驗示例

3.3　課后總結環節

（1）課后，學生優先提交電子版實驗報告，內容包括：實驗原理、實驗用具、電路原理圖、實驗方法、實驗現象、實驗數據、實驗結論。通過實驗內容可以加深課本中所含概念、曲線圖的理解，以便將實驗過程具體化。

（2）教師根據學生上傳的實驗報告，可通過平臺進行大數據匯總，針對報告中的較弱項，進行循環完善。根據實驗臺上傳到教師端的打卡數據，以及實驗報告的提交結果，對不符合教學指標的學生，進行提醒并幫助其解決相關問題。

（3）學生將《電工電子實驗》課程中每次的實驗報告上傳至實驗眼APP，教師根據每次的實驗情況，對不同情況的學生進行針對性指導，從各個方面考察學生對知識的理解程度，判斷該學生對新知識的理解能力，引導學生對所遺漏的知識進行彌補性學習，增強其自我思考問題的能力。

4　電工電子智慧實驗室實踐教學結果

4.1　實驗課程實施效果

（1）預習環節：由于實驗課程與理論課程之間存在一段時間的間隔，增加這一環節，可保證學生對知識理解的完整性，既能鞏固學生對知識的掌握程度，又能減輕教師上實驗課時的負擔。

（2）實驗課中環節：此環節解決了之前教學過程中存在的演示環節過多占用學生實驗時間以及學生課上對實驗設備不熟悉、不了解的問題，增強了實驗課中教師與學生之間的相互交流。實現了學生和教師在實驗過程中的多種互動，包括文字、語音和視頻等多種互動方式，增加了師生之間的互動，同時也方便了教師實時地記錄每個學生的實驗表現，避免課后遺忘[6]。

（3）實驗結果：為確保實驗數據的真實性，數據后臺會配合實驗臺的操作系統對學生提交的實驗報告進行智能化處理，對學生提交的實驗結果進行判斷，實現系統自動查重的功能。可降低實驗數據雷同的狀況，減輕教師批改時遇到的困難，方便教師對學生水平做出判斷。

（4）預約系統：為了充分利用實驗室資源，方便學生自行安排實驗時間，避免教師因出差等原因實驗室不可用現象。同時保證原有的實驗安排不被影響的情況下。學生可根據自己的時間網上預約實驗室，教師在確定無誤后，同意預約請求，以此提高實驗室的利用率。如圖3所示。

圖3 實驗室預約系統示例

（5）實驗過程的監測與回放：利用智慧實驗室里空氣中的一個監測與回放系統，對整個實驗過程和各個實驗環境都做到了全方位的監測與預警。通過在辦公室內的視頻大熒光屏可以采取固定和輪播等多種形式，對實驗室內所有學生的各種實驗操作過程進行實時的監控，確保學生在實驗過程中操作規范，以防實驗事故等問題的發生。

4.2　教學方法建設成效

將教學方法由“照搬式”改變為“混合式”，在線上，結合各類教學資源，對學生的學習情況進行考察；線下，老師演示并且結合實操，鞏固知識的完整性。

在師資隊伍、教學方式方法、實踐教材建設、管理制度和考核體系進行優化，培養學生具有從事相關專業的必備素質和職業“關鍵能力”，為以后的進一步學習或就業打下堅實的實踐動手能力基礎。對此，《電工電子實驗》課程形成一套完整的流程：課前預習理論知識——完成線上預習題——反饋預習數據——熟悉實驗器材——個性化指導——團隊討論設計方案——教師演示——提交電子實驗報告——跟蹤學習進度，為培養應用性、創新性人才奠定基礎。

學生在課堂上的參與性增強，與團隊的合作中，節約實驗前的準備時間，并且組內成員相互觀察，既加深實驗過程的操作流程，又降低實驗事故的發生率。實驗是建立在理論知識基礎之上的，這不僅需要對理論知識的掌握，更需要對實驗設備及電路原理的理解足夠深刻[7]。

4.3　智慧實驗室在教學上的優勢

對學生來說，使用智慧實驗室上課，可以激發學生探索未知事物的興趣；免去復雜的實驗操作流程；全程參與教師演示環節，對存在疑惑的地方可及時解決；鞏固課堂知識，將理論知識與實際操作聯系起來；以小組形式參與實驗課，培養團隊協作能力；實驗室資源得到合理利用，為非上課期間想用實驗室的同學提供便利條件；同時可最大程度避免安全事故的發生。

對教師來說，時間分配上更加明細，針對普遍存在的難點疑點，側重解決；對學生實驗操作過程實時監測和控制，防止學生的人身安全出現意外，確保實驗用具的安全性；USB攝像頭用來監控實驗室內的情況，還可以拍照保存學生的實驗結果，方便老師遠程或者其他時間做出評價；使用電子版實驗報告，可免去紙質報告不易存放、批改等問題，并對學生的報告數據進行整合統計，方便教師進行統一處理；對學生提出的問題，客觀試題可自動評判，主觀試題人工評判，提高教學管理效率；對已批閱的實驗報告，后臺進行匯總整理，教師可自行導出期末成績分數表格[8]。

在實驗室管理層面上，使用智慧實驗室，方便學生在課堂之外進行實驗室預約，使實驗室資源能夠得到充分利用，避免出現“想用無處用，可用卻沒法用”的浪費現象；通過對實驗過程的監管，可以排查出實驗結果有誤的學生，對這些學生專門化管理，調取實驗過程回放視頻，還原實驗過程，對學生的差錯進行彌補或展示；在安全排查上，實驗室后臺記錄每個實驗臺的使用記錄和使用狀態，在使用者發現安全故障時，可及時停止實驗臺的運行，并通知維修人員進行維修；管理員遠程斷電，智能電源控制系統自動斷電正常工作；實現資源共享，除自動化專業外，其他專業同樣會使用智慧實驗室，但每個專業教學方法不同，資源共享后，可查看其他專業實驗時的數據，以此來調整教學方式，適應學生學習。只有從時間上、空間上、實驗人員上、指導老師上、創新項目上共同實現協調開放，結合人性化的措施，才能更好地培養學生協同工作及創新的能力[9]。

5　結束語

本文闡述的智慧實驗室，是基于當下科技發展水平以及教學需求，為減輕教師教學中的負擔、提高學生學習效率以及實驗設備的利用率而應運而生的。通過學校現有的智慧實驗室的使用以及觀察，得出以上教學方法的改進以及運行結果的描述。智慧實驗室的建設是一項復雜且艱巨的工程，這項工程需要學校的正確策劃和學生的積極實踐配合。在建設過程中還需貼合實際，緊跟教學方向的主流不斷優化實驗室，以適應時代發展帶來變化的要求。

[1]白廣梅. 關于創新實驗室建設的思考[J]. 實驗技術與管理，2007(2): 136-138.

[2]劉莉，李德才. 高校實驗教學環節存在的問題及解決策略研究[J]. 高教學刊，2016(18): 67-68.

[3]張瓊，全練琴. 高校環境實驗室安全管理探討[J]. 實驗技術與管理，2016(7): 227-230.

[4]朱湘萍. 依托創新實驗室的光學實驗教學的探討[J]. 高教學刊，2016(17): 129-130.

[5]劉慧龍，吉冰冰，胡將軍. “引導型、自主式”實驗教學[J]. 高教學刊，2016(21): 143-144.

[6]楊瑩，閔慶旺，王巖. 化學實驗室智能化管理系統的建設與應用研究[J]. 信息記錄材料，2019，20(8): 88-89.

[7]劉伯紅，閻英，方義秋. 高校計算機實踐教學質量保障體系改革探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2012(12): 121-123.

[8]王慧淵. 基于物聯網技術的智能實驗室的研究與實現[D]. 杭州: 杭州電子科技大學，2014.

[9]陳飛，范揚波，魏碧霞. “機器人及智能制造”專業群的工程實踐創新實驗室建設探索[J]. 高教學刊，2017(23): 22-24.

Discussion on Exploration and Application of Electrical and Electronic Smart Laboratory

With the development of science and technology, more and more intelligent devices are widely used in teaching practice. As an important place to change traditional teaching methods in colleges and universities, the smart laboratory is an important channel to achieve this goal in the process of establishing and enhancing college students' scientific and technological creation practice ability and thinking innovation ability. Taking the course ofas an example, this paper expounds the application of smart laboratory in experimental teaching and its advantages over traditional laboratory teaching.

electrical and electronic experiment; intelligent laboratory; "mixed" teaching

G48

A

1008-1151(2022)01-0182-04

2021-11-17

2020年廣西壯族自治區桂林理工大學校級教改項目“ ‘互聯網+’教育背景下電工電子智慧實驗室建設路徑的探索與實踐”（2020B18）；2021年廣西高等教育本科教學改革工程一般項目“基于建構主義導向的‘翻轉課堂’教學法在《電力電子技術》課程教學中的應用研究與實踐”（2021JGB205）；2020年度廣西高等教育本科教學改革工程立項項目“ ‘雙萬計劃’背景下《數字電路》課程混合式教學模式探索與實踐”（2020JGB208）。

張聲嵐（1984－），女，廣西桂林人，桂林理工大學機械與控制工程學院高級實驗師，碩士，研究方向為無線傳感器技術。