基于Android Studio 的電工學實驗教學輔助平臺開發與應用＊

付興蘭，趙士林，曹亮，馬馳，李光林

（西南大學工程技術學院，重慶 400715）

2018 年教育部發布的《教育信息化2.0 行動計劃》明確提出 “構建網絡化、數字化、智能化、個性化、終身化的教育體系，建立人人皆學、處處能學、時時可學的學習型社會，打造適應學生自主學習、自主管理、自主服務需求的智慧實驗室，構建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學平臺” 的總體要求[1]。同年，教育部提出了高階性、創新性、挑戰度（“兩性一度”）金課建設的標準，號召革新傳統教學，不斷更新教學理念，豐富教學內容，改革教學方法，最大化地挖掘學生潛力[2]。2021 年12 月，中央印發了《“十四五” 國家信息化規劃》，首次明確提出“開展終身數字教育” 的要求，并指明了在 “十四五” 時期要利用信息技術完善教育教學環境、優化教育資源供給、加快教學方式改革，為構建面向每個人、適合每個人、更加開放靈活的教育體系提供強有力支撐[3]。上述的政策和規劃為高校教學新模式的發展指出了明確方向。而OBE 作為一種先進的教育理念，已被證明是高等工程教育改革的正確方向[4]。因此，在OBE理念引導下，積極推進教育教學改革，對中國高等教育更好地適應國家及經濟社會發展至關重要。

實驗教學作為整個教學活動的重要組成部分之一，是指教師以教學項目為基本單元在實驗室對學生開展的一項教學活動[5-9]。實驗教學的目的是通過實驗設備、實驗手段及實驗現象加深學生對理論知識的理解和掌握[10-13]。因此實驗教學環節在整個教學環節中有著舉足輕重的作用，既是基礎理論知識的內化，也是理論知識的升華。

因此，本文在對傳統電工學實驗教學現狀分析的基礎上，剖析傳統電工學實驗教學存在的主要問題。結合OBE 理念，進一步地提出新的教學模式，同時基于Android Studio 搭建一款電工學實驗輔助平臺開展新的教學模式，為電工學實驗教學建設提供技術參考。

1 電工學實驗教學現狀分析

“電工學” 是高等教育工科類非電類專業的一門重要的專業技術基礎課程。通過本課程的學習，學生獲得電工技術方面的基本概念、基本原理、基本分析方法和基本技能，掌握電工學的相關理論和方法。電工學實驗作為電工學課程的實踐教學環節，通過實驗使學生掌握電工學的相關理論和方法[14-15]，培養學生分析問題和解決問題的能力，為以后的學習、創新和科學研究工作打下扎實的理論和實踐基礎[16-19]。

目前電工學實驗課程共包含16 個實驗，其中14 個為驗證型實驗，2 個為設計型實驗，具體教學模式如圖1 所示。從圖1 可見，理論講授、實驗講解和成績評定3 個環節由教師主導，實驗預習、實驗操作和實驗報告由學生自主完成，而學生和教師僅在實驗操作環節有交叉。因此，該教學模式存在以下問題：①教學模式單一。目前的實驗教學以驗證型實驗為主，教學模式單一，實驗項目沒有層次劃分。②教學資源供需不平衡。受限于實驗設備、場地數量，目前只能固定時長以班級為單位安排實驗，此外實驗設備為集成化、模塊化的操作臺（如圖2 所示），電子元器件損耗快，維修程序復雜、周期長，進一步導致教學資源供需難以平衡。③學生學時受限。受限于實驗室開放時間，學生只能在固定的時間段完成實驗。實驗課外，學生沒有自由選擇實驗時間、實驗項目的機會與平臺。

圖1 目前電工學實驗教學模式示意圖

圖2 電工實驗操作臺

長此以往，學生的學習積極性和主動性會逐漸降低，違背了實驗教學環節培養學生動手能力和創新能力的宗旨。

2 電工學實驗教學新模式構建

針對上述問題，結合OBE 教育理念，將電工學實驗項目設計為演示型實驗（20%）、驗證型實驗（30%）和綜合設計類實驗（50%）3 個模塊，如圖3 所示。具體情況如下：①演示型實驗采用集中教學方式開展，教師對課程要求、實驗室管理、電子元器件認識等進行講解，規范學生的實驗操作，培養良好的實驗習慣；②驗證型實驗采用多樣化教學模式，設置預約制、開放式的實驗管理辦法，由學生自主靈活安排并完成實驗預習、實驗預約、實驗操作和實驗報告；③綜合設計型實驗教學中，采用分層次、個性化教學模式，依據學生的學習能力、目標和興趣，自愿組合團隊開展綜合設計型實驗，并在此階段選擇優秀的實驗設計，鼓勵學生參加競賽或科研實驗，充分發揮學生的創新能力。

圖3 電工學實驗教學新模式示意圖

通過上述3 個教學環節的實施，將學生的電工學實驗學習劃分為階梯式的模式，從基礎認知過渡到深化理論再到創新應用，提高電工學實驗教學的“兩性一度”，最終為社會培養出基礎扎實、動手操作能力強和綜合素質高的優秀人才。

3 電工學實驗教學輔助平臺設計

為了實現上述的實驗教學新模式，將電工學實驗教學與網絡化、數字化、信息化的教學資源相結合，開發配套的實驗教學網絡信息平臺，實現更靈活、更開放和更豐富的實驗教學[20-23]。電工學實驗教學輔助平臺（電工學實驗助手）的功能模塊圖如圖4 所示。該系統包含學生、教師和實驗室三大模塊，具體情況如下。

圖4 電工學實驗助手功能模塊圖

學生模塊設計了賬號管理、課件共享資源、實驗預約、報告提交、交流與討論、成績查詢等功能。學生根據自己的時間靈活安排實驗內容學習、實驗時間和進度，完成實驗后按要求提交實驗分析報告，課程結束后可在系統里查詢實驗成績，整個實驗過程中均可在交流與討論模塊中與教師互動。這樣的方式可以充分發揮學生的自覺性和主觀能動性，實現學生隨時、隨地、按需學習。

教師模塊設計了賬號管理、實驗課件更新、實驗項目設計、實驗預約更新、討論與交流、成績評定等功能。教師在系統中更新課件、共享資源、實驗項目內容，根據個人時間和可用實驗設備數量設置預約時段和實驗臺數量。該模式下教師設計實驗的時間將更充裕，實驗教學的管理也會更高效，突破了時間和空間限制，實時對學生進行監督和指導。

實驗室模塊設計了用戶管理、實驗室公告管理、安全管理視頻、監控管理等功能。實驗室開放時段內均重復播放實驗室安全和操作規范，提醒學生注意人身安全和實驗安全，監控設備用于觀察并記錄學生實驗操作過程。

通過實驗助手的開發，實現教與學的改革與創新，為學生和教師提供更靈活、更自由的實驗教學環境，滿足每個學生都可以實現動手操作的愿望，保證實驗教學的質量。電工學實驗助手APP 的功能界面設計如圖5 所示。

圖5 電工學實驗助手功能界面設計圖

4 電工學實驗教學輔助平臺應用效果與分析

基于Android Studio 平臺，采用Java 語言完成了電工學實驗助手的開發。為了評估新的教學模式的效果，將開發完成的電工學實驗助手應用于2021 級電工學實驗課程中，開展了基于OBE 理念的電工學實驗教學“兩性一度” 教學新模式的實施應用。教學年級共計77 名學生，按小班教學模式開展，分為2 個教學班，電工學實驗助手部分使用界面舉例如圖6 所示。從圖6可見，學生通過下載APP 程序安裝在手機上，注冊用戶名和密碼后就可以登錄系統完成報告上傳、實驗預約、交流討論、成績查詢、數據統計等操作，不受時間和空間的限制，實驗教學和實施更為靈活。

圖6 電工學實驗輔助APP 操作界面舉例

進一步地，通過對本屆學生成績進行分析，得到了如表1 所示的學生成績分布表。從表1 可見，教學1 班（37 人）的合格率為97%，良好成績占比16.22%，優秀成績占比達到8.11%；教學2 班（40 人）的合格率為100%，良好成績占比30%，優秀成績占比達到5%。從實施效果可見，在新的教學模式下，學生學習的積極性、參與度、自主性和創新性均得到了較好的改善，這不僅有利于學生學習效率和學習效果的提高，還為電工學實驗教學提供了新的信息化技術手段，滿足了新時代人才培養的需求。

表1 電工學實驗教學班成績分布表

5 結論

“電工學” 作為工科類非電類專業的一門基礎課程，是學生學習后續相關課程的基礎和前提，在工科類學生整個學習過程中發揮著重要作用。本文通過分析目前電工學實驗教學的現狀，發現存在教學模式單一、教學資源供需不平衡、學生學時受限等問題。針對上述問題，提出了基于OBE 理念的電工學實驗教學新模式，重構了原來的實驗教學內容，實現了多層次分類教學，設計了創新性實驗項目，提高了課程的高階性、創新性，增大了挑戰度。為了實現新的教學模式的實施，基于Android Studio 設計開發了教學輔助平臺（電工學實驗助手），有效解決了目前實驗教學存在的問題，實現了分層次、多元性和個性化教學，不僅提升了學生學習自覺性和主動性，還實現了學生學習和實踐操作能力的提高，對于達成新工科“厚基礎、寬口徑、重實踐、強能力、高素質” 的培養需求具有重要意義。