依托精細化信息收集與處理的電路實驗課教學質量監控方法研究

李 平，陳 眾，陳李杰

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410114）

當前，中國高校工科的建設規劃是培養理論和實踐動手能力雙優的工程人才，充分發揮專業特長，提升學生的專業素養，從而推動專業技術進步與社會經濟的發展[1]。為適應建設規劃要求，電氣工程專業在對學生專業技能的培養方面也應進行革新和改進，以適應新形勢下新工科專業的需求[2]。

虛擬仿真技術的發展也為實驗課程的線上教學指明了方向，在疫情的刺激下，線上教學也得到了蓬勃的發展。但是無論是線上還是傳統教學，教師能夠及時收到學生的反饋信息是重中之重。

本文提出一種基于“互聯網+”的電路實驗課程教學質量監控方法，能夠將教育信息化2.0 中提出的“互聯網+”教育、教育大數據、人工智能等教育應用理念和技術應用到電路實驗課程中，通過精細化收集實驗數據來全面把控電路實驗課程的教學質量。

1 電路實驗課改革現狀及思考

對電路實驗課的改革一直是高校基礎課程建設的一項重點工作，眾多高校從理念、手段、方法等多個層面進行了一系列的改革研究，取得了很多研究成果。下面主要從實驗教學方式方面和實驗教學管理方面進行闡述。

在實驗教學方式方面，現階段實驗教學方式改革研究的重點是針對傳統實驗教學的缺陷進行改造，優化原有教學體系，如文獻[1，3]提出的基于CDIO 的“電力電子技術”綜合性課程設計方案，將現有的大班形式實驗教學進行精細化的實驗分組教學，著力提高學生的專業能力和團隊意識；文獻[4]針對傳統實驗教學硬件、空間、實驗類型不足開發出了一種新型的實驗裝置來滿足信息化教學的需要；而文獻[5-8]都提出在傳統教學中利用虛擬仿真軟件來對傳統教學方式進行改善。

但在文獻[1，3]提出的CDIO 模式中，教師不能實時掌握學生的各個實驗環節的學習情況，這就有可能會出現課堂對學生約束力不足的問題；而文獻[4，7]等的觀點也只是在傳統的實驗教學中單純地加入了虛擬仿真實驗，雖然用仿真結果去驗證理論知識，但由于兩者之間是通過教師講解進行互動，將影響教學進度、降低課堂效率。結合以上文獻的觀點，本文認為現階段的實驗教學改革可從以下幾點入手：①對學生實驗課程中每一個環節進行實時的監督和掌握，并能在實驗過程中進行提醒糾錯；②保證實驗場景的豐富性和參數化設計，做到不同學生在同一知識點下的實驗要求不同，以達到“一人一題”，杜絕抄襲的現象；③建立完整的實驗教學仿真平臺，確保知識點和實驗場景的無縫連接。

在實驗教學管理方面，本文認為在現階段的實驗教學管理方面還是存在一定的缺陷，現階段實驗教學管理與公共理論科目的教學管理采用一套管理體系，但這是不符合現代實驗教學管理情況的。文獻[5]指出傳統實驗課程的考核一般主要依據預習和實驗報告。但由于這兩項都在課余時間完成，抄襲現象難以避免，只能做參考，而對每堂課每個學生的課堂表現做情況記錄也十分的低效和煩瑣。這也會導致出現如文獻[2]所提出的有部分學生容易出現注意力不集中、依賴抄襲同伴的情況，最后可能導致學習不認真的學生實驗成績與專業素質過硬的學生成績相同甚至是還要好的情況，這會影響學生的學習積極性，產生不良的錯誤想法；也可能會使教師不能正確判斷整個班級的學習情況，對以后的教學作出錯誤的預判。

結合以上文獻的觀點，本文認為實驗教學管理的依據一定要是每個學生的真實學習情況。基于此，需要注重對實驗數據的收集和管理，綜合學生的課堂表現、實驗報告、考試成績來進行量化評估。

從上述文獻中可以看到，對電路實驗課程改革，無論是在實驗教學方式方面想要達到改革目的，還是實驗教學管理方面追求真實準確，其首要目標是提高教學信息反饋的速度和處理效率；無論是傳統教學方式還是現在的線上教學方式，主要問題是實驗室信息化不足，管理水平相對低下。

2 信息反饋系統

2.1 教育控制論的發展與應用

在對教學信息的收集處理方面，本文依托教育信息化2.0 和教育控制論提出信息收集與處理的精細化操作，主要是運用“互聯網+”教育、教育大數據、人工智能等教育應用理念和技術，根據教育控制論的研究思路，搭建新的以“信息反饋系統”為控制因子的頂層設計框架，將其應用在電路實驗課程中。以此來對教學過程中學生出現的各類問題作出響應，在教學管理方面實時收集整理學生的各項數據信息。

教育控制論的基本思想是運用控制論、系統論和信息論的基本原理和方法分析研究教學和教育管理活動，以實現教育過程和成果最優化，其基本結構如圖1的實線部分所示[9]。

圖1 教育控制論基本結構圖

在教育質量把控環節，相關研究者著重強調信息反饋、控制執行2 個支路在教育過程中的重要性。但這些研究都強調教師在信息收集過程中的責任心、時間和精力付出。而控制論在工業革命中的巨大成功，是因為使用各類控制器代替人來完成煩瑣重復的工作，減輕勞動量，并實現產品質量的顯著提升。因此目前教育控制論研究中對教師提出的更高要求本質上是與控制論發展過程相悖的。

2.2 信息化技術的接入點

由于技術的發展不斷拓展教育的時間、空間維度，給教育發展帶來新的契機和挑戰。特別是以互聯網為代表的信息技術，作為一種新的生產力，正在推動生產關系的變革，深刻改變著社會的各個領域。

最早的信息化系統集中在管理體系，例如圖1 的虛線所示C 支路中教師互評、D 支路的學生評教系統。現在教學管理系統的功能也拓展到了各類網絡教學和慕課體系，提高了教師和學生的互動頻率，但仍一定程度上加重了教師的工作量[10]。

本文主要針對電路實驗課探討如何運用互聯網新技術，圖1 中的A 支路有效收集學生能力的反饋信息，進而使用虛擬仿真、人工智能等新技術來輔助教學，減輕教師工作量，做到對學習情況的量化評估和實時管理；同時將C、D 支路的信息收集方式轉移到更合理的位置，切實為教學質量控制提供依據，采用信息化技術接入的教育控制論讓教師通過虛擬仿真教學平臺與學生互動，在實驗教學方面，讓學生能夠通過平臺直接去學習云服務器上的理論知識，并通過虛擬場景進行驗證，加深理論與實驗的聯系。具體設計如圖2所示。

圖2 教育信息化2.0 下的教育控制結構

3 虛擬仿真教學平臺

3.1 平臺建設

針對上述理論分析，本文提出了依據教育信息化2.0 下的教育控制論，建立一個教輔功能全面、數據響應實時的虛擬仿真平臺，根據現階段電路實驗課現狀，本平臺的功能如下：①具有電路實驗課程中各種虛擬場景并能進行實時的虛擬仿真；②能進行智能判別與參數化出題，實現一人一題，杜絕抄襲；③能進行智能統計分析來實現對學生的量化評估。系統具體結構如圖3 所示。

圖3 電力電子虛擬仿真實驗系統構架

在實驗操作方式上：為解決傳統電路實驗受場地和硬件不足的限制，本文提出了純虛擬學習模式，教師和學生可以通過Wi-Fi 等無線網絡訪實驗平臺，讓學生能隨時隨地進行實驗學習；為加強學生對實際電路和儀器裝置的掌握，針對實驗課程教學，開發出了智能電路實驗箱，其能通過有線網絡訪問實驗平臺，并在實際實驗中采用具有通信功能的萬用表、示波器等設備上傳實驗數據，而實驗平臺可以控制調整相關實驗參數，從而實現信息的雙向流動[11]。

同時電路實驗課程教學平臺也具有實驗要求隨機生成、考試與成績統計分析、設備管理等一套完整的教學平臺功能。

目前平臺上可用的課程實驗和實物實驗幾乎涉及到了電路中所有的知識點，與書本上的單一案例講解不同，學生可以通過實驗參數的自主設置和波形類型的自主選擇而得到各種不同的實驗結果，增強對知識點的可視化學習[12]。

3.2 學習考核的參數化設計

本節將以平臺上的習題隨機化生成和自動判別功能為例，展示運用教育應用理念和信息技術搭建的電路實驗教學平臺。

建立題庫，流程如圖4 所示，在云服務器上根據教學大綱搭建習題框架，從章節目錄到具體知識點進行題目的分類，確保每一類題目都有唯一的序列號，這樣也就實現了“一人一題”，從根本上杜絕了學生抄襲的現象。

圖4 題庫建立流程圖

學生習題訓練流程如圖5 所示。

圖5 學生習題訓練流程圖

在純虛擬學習模式，學生在web 端通過賬號訪問平臺，平臺使用Java matlab 接口將云服務器上生成的對應習題調取過來，然后將學生進行虛擬仿真實驗得到結果上傳服務器進行判別。

而在采用智能電路試驗箱進行實驗學習時，學生通過賬號登錄實驗箱，在實驗箱上選擇所對應理論知識的實驗模塊，實驗箱會通過有線網絡來下載云服務器上自動生成習題的參數，然后將學生根據習題參數要求進行實驗，實驗箱會將實驗結果上傳服務器來進行判別。

4 總結

根據學生賬號的唯一性和習題的隨機性可以真正實現文獻[2]提出疫情背景下實驗課程環節線上教學，需要注重對實驗數據的設置和收集，采取“一人一題”的方式，使得每位學生的實驗數據各不相同，能夠很大程度上減少抄襲現象，培養學生獨立完成實驗學習的能力，提高教學質量。

通過平臺對學生實驗信息數據的收集整理，能夠數據化展示學生的學習成績、實驗報告情況、登錄時常、實驗內容等信息，最后對本門課程、班級、學生都做一個整體的量化評估，可以全面把控教學質量，也能為后續的課程改革和調整提供準確的數據信息。