工科实验课教育控制过程中的精细化信息收集与处理

陈 众，张兵兵

（长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙410114）

一、引言

教育控制论始于上世纪60年代初，当时在日臻成熟和完善的控制论、信息论和系统论的影响下，出现了以柏林师范大学教授H·弗兰克和前苏联心理学家兰达为代表的研究和发展教育控制论的力量。其基本思想是运用控制论、系统论和信息论的基本原理和方法，分析和研究教育、教学和教育管理活动，以求实现教育过程和成果最优化，其基本结构如图1所示。在我国也有李诚忠、查有梁等研究教育控制论的代表。[1]目前在教育控制论的研究中，大部分还停留在思想、结构或过程与控制论进行类别的阶段。例如文献[2]、[3]分别讨论了如何在古文、英语教学中借鉴控制论的方法。

图1 教育控制论基本思想

在教育质量把控环节，研究者已经认识到学生信息收集的重要性，但这些研究中都强调教师在信息收集过程中的责任心、时间和精力付出。而控制论在工业革命中的巨大成功，是因为使用各类控制器代替人来完成繁琐重复的工作，减轻劳动量，并实现产品质量的显著提升。因此，目前教育控制论研究中对教师提出的更高要求，本质是与控制论发展过程相悖的。

因此总体而言，教育控制论尚属一门不成熟的交叉学科，由于研究方法上的不足，也未取得振奋人心的突破性成果。但技术的发展不断拓展教育的时间维度和空间维度，给教育发展带来新的契机和挑战。特别是以互联网为代表的信息技术，作为一种新的生产力，正在推动生产关系的变革，深刻改变着社会的各个领域。各类教学和管理网络平台已经广泛应用在教学活动中，例如图1中A支路教师的教学材料系统和慕课体系，B支路的同行评价系统，C支路的学生评教系统。

本文主要针对工科实验课，探讨运用互联网新技术，在图1的D支路有效收集学生能力的反馈信息，进而使用虚拟仿真、人工智能等新技术来辅助教学，减轻教师工作量，同时将B、C支路的信息收集方式转移到更合理的位置，为教学质量控制提供依据。论文以《电路》、《MATLAB及应用》、《可编程逻辑控制器PLC》等课程为例，来说明反馈信息的收集方法和应用过程。

二、信息反馈环节存在的问题

信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。通俗地说，信息反馈就是指由控制系统把信息输送出去，又把其作用结果返送回来，并对信息的再输出发生影响，起到控制的作用，以达到预定的目的。但目前教学反馈存在以下问题：

1.不准确信息存在

随着教育信息化的推进，大量高校开始使用各类网络平台对教学过程进行质量监控，采集学生评教、同行互评、督导听课等评价类数据，存在恶意评价、应付式评价、人情评价等实际问题，不能正确反映教学质量。例如部分学生对教学严格的教师采用你为难我、我为难你的态度，从而使部分教师放低了对学生的要求，起到反作用。

2.信息内容粗犷化

目前的MOOC系统大量收集学生在线学习时长、完成习题数量、学生和教师参与教学互动次数等信息。这一类信息有助于教学管理方了解慕课的应用情况，增强推广慕课课程的信念，但本质上并不能真实反映学生对知识的掌握程度。由于监督手段的缺陷，依然存在传统教学过程中的作业抄袭、代做、人在心不在等问题，甚至更为便利（采用开机刷学时、雇人填写系统定时提问等手段），而处于网络隔离后面的老师难以察觉。

3.信息海量化

教育控制论中将老师类比为控制器，这个 “控制器”，不仅要做控制，还要负责收集信息，比较与给定目标的偏差，同时还是一对多的信息收集和控制模式。由精英化教育转向大众化教育后，很多课程大班上课，人数动辄上百。如果要控制好每一个目标，老师在各环节所需要处理的信息是海量的，老师的责任心和时间等精力付出可想而知。

4.信息应用局部化

传统的教学信息反馈，一般以师生互动为主要途径，通过作业批改、平时测验和考试等环节进行教学评估。网络化时代，许多高校已经开始尝试将《大学英语》等人数众多的科目考试，放入到机房，以减轻老师判断客观题的工作量。但这种考试时才用到计算机技术的方式，只能起到局部减轻教师工作量和对教学质量提供数据评估，并无法贯彻在整个教学活动中。

2013年 《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》等一批关于建设虚拟仿真实验教学中心的国家政策出台，实验课引入了虚拟仿真、VR等相关技术来加强学生的认知过程，但不够重视原理级仿真，在实验过程的反馈信息收集和评估方面工作也做得不多。部分实验教师因需要花费更多的时间和精力来学习和掌握新的实验工具，未能有效提高教学效率，反而产生抵触情绪，削弱了建设效果。

三、实验课的控制论方法应用实践

实验课的主要环节为：①实验预习与准备；②实验操作过程；③实验结果检查。本文将讨论把控制论中相关概念融入到这三个环节中，并讨论现代信息技术和计算机技术在三个环节中的具体实施方案和作用。

1.反馈手段和内容精细化

“互联网+教育”作为一种新型的教育形态，与传统教育相比，在教学组织方式、师生地位、教学资源应用等方面有着很大的不同。尤其是教育大数据概念的出现，未来教育获得学生全息数据的可能性增大。我们在工科实验课中探索和实践部分新方法。包括：

（1）实验虚拟化

目前虚拟仿真技术已经可以将实验的内容（无论是外观认知类还是模型原理类）完全展现，例如电路原理实验中，元器件的连接，万用表、示波器等仪表的使用都能在网络上虚拟化实现，而以微分方程形式表达的元器件动态响应过程，也能通过数学模型计算以曲线、图表和动画的形式表现出来。

使用虚拟仿真等技术可以将实验过程的预习和实验结果的填写在网络上完全实现，将实验虚拟化可以使学生在进入实验室前，了解实验的全过程，缩短实验老师在实验室的讲解时间，并可以使每个学生都能够先行认知某些台数较少或占地面积大的实验设备的操作过程，提高实际装置的使用效率。

（2）实验装置网络化

使用物理实验装置进行实验时，每一个实验步骤和操作过程的网络化，则需要根据实际情况对实验室的设备进行相关改造。以电路课程为例，实验室的万用表等仪器需具备通过有线或无线的方式将数据上传至网络后台的功能。

一个典型的设计思路，就是使用手机APP或其他便携设备通过蓝牙连接实验仪器，在实验过程中测得的实际物理量，最终能够上传到后台实验操作界面和数据库中。

（3）参数化设计的考核模式

传统考试系统存在的问题是题库容量有限，本文提出采用参数化的思想来设计题目，其实现过程为：①同一知识点的考核有若干题目，同一次测试时对不同学生随机发题；②题干一样，但其参数是随机生成的，例如题目要求计算一个电路结构中的某位置电压，而题干中电源、电阻、电容、电感等参数却是计算机在一定数值范围内随机生成的。

由此，每个学生在进入练习模式时，面对的是不同的题目。从应用上来讲，这样做的好处是学生必须在清楚了解基本原理或计算过程后才有可能完成，从而可以有效应对抄袭作业和实验报告的行为，以解决虚假性反馈信息进入“控制系统”。

（4）反馈信息的精细化处理

MOOC等网络教学平台可以收集学生登录时间、在线学习时间长度等信息，也可以通过题库来对学生学习效果进行测试，但却没有很好地应对学生的“小技巧”。同时对学习效率而言，尤其是实验环节，显然并非在线时间越长越好。

在完成前述实验虚拟化和实验装置网络化的系统设计后，可以进一步将反馈信息细化，例如学生从登录开始，到进行虚拟网络实验或实物操作实验，到完成提交实验结果的时间均可以分段记录，实验的错误与正确过程均有计算机记录，实验效率和正确率是有效评估学生学习能力和教师教学质量的关键信息。

2.反馈评价算法化

随着“互联网+”教育、教育大数据、人工智能等教育应用理念和技术的迅速普及，开展了近30年的教育信息化工程，以党的十九大胜利召开为标志开始进入教育信息化2.0时代。[5]教育部副部长杜占元指出，新时代背景下要注重教学的智能化，推动教育教学的深层变革。[6]

传统实验课中，教师经常需要对学生的实验情况进行检查，以确定学生掌握情况。然而实验过程步骤多、学生人数多，要完全性监督每个台次/学生的掌握情况就要耗费指导老师大量的时间和精力。

目前语音识别和语义分析技术的进步，使人工智能可以自动批改作业，帮助教师从“机械劳动”中解脱出来，让教师有更多的时间和精力关注教与学的过程。因此可采用人工智能等先进技术手段来辅助教师进行实验过程监督。这部分工作由于实验内容的差异化，人工智能技术引入实验课堂必然存在差异，但也存在相互借鉴价值，需要根据实际情况来进行设计和开发。

例如在MATLAB这样的计算机编程实验课中，对一次动辄上百人的上机实验进行检查或完全靠学习自觉性来达到教学目的就有些不切实际（学生往往在上机过程中浏览新闻或做其它事情，从而无法达成教学目标）。项目组以类似编译器的原理开发了用于自动判别学生在学习MATLAB时提交答案的计算机软件，从基本的赋值语句、矩阵操作到赋值的循环过程、自定义函数等功能，系统采用随机出题的方式给使用者就考核内容进行训练并自动判别结果。

对PLC控制等逻辑控制过程，项目组在前期科研项目的积累下，运用基于离散事件系统（DES）理论的专利技术[7]，对每一个控制类实验建立可行状态集和异常状态集，通过事件驱动实现状态跳转，在实验过程中，监控学生发出的控制事件，比对正确状态链，即可判断操作过程的正确性。

四、结束语

优达学城副总裁Clarissa Shen关于 “MOOC已死”的说法引起了学界的广泛争论。研究者从MOOC高辍学率和教学质量层次不齐现象中看到了MOOC逐渐式微的“前兆”。[5]传统的MOOC形式以大量的在线视频内容为主，学习视频是人们主要的任务，是为了满足具有非常强需求的自主学习者的要求。高校教育的育人任务是有教无类的，教育方式也要针对被动学习者。

因此，我们寄希望于通过大量涌现的新技术施加于教育教学过程，传统教与学的各要素就能从“量”的转变走向“质”的变革。本文提出的实验网络化过程可以归属于MOOE（大规模在线开放实验），强调通过“互联网+”教育、教育大数据、人工智能等教育应用理念和技术来加强高校对学生学习情况的了解和督促，弥补目前MOOC教学的某些不足，提升教学质量。

本文提出的反馈信息精细化和应用方法，也为教育控制论研究和应用提供了一个具体思路。