“双一流”建设中实验教学平台构建及应用研究

姜文凤, 张永策, 宿 艳

(大连理工大学 化学学院, 辽宁 大连 116024)

大连理工大学是国家首批“双一流”建设大学,化学学科同时入选世界一流学科建设名单。基础化学实验中心(以下简称“中心”)作为首批国家级实验教学示范中心(2005年)及虚拟实验教学中心(2013年),一直走在国内实验教学和信息化建设的前列。中心早于2006年在国内率先开发了具有“预约—开放”功能的实验预约管理平台,承担全校7个国家级和5个省级实验示范中心的开放预约管理,以及化学、土木2个国家级虚拟实验教学中心的开放共享,注册用户共计69 145人次,累计预约记录超过160万条。

受制于技术手段、PC浏览器端的操作限制等多方面原因,早期开发的实践教学管理平台单纯局限于PC端预约管理层面上的应用。然而,随着信息技术的快速发展,微信是当前最为便捷的即时通信应用,基于微信的移动实验教学平台集成了实验预习、开放预约、虚拟实验、在线测试、操作记录、电子报告等功能的全过程实验教学管理体系,可以实现应用大数据挖掘,循环优化系统,有效改进、提升教学效果,提高人才培养效率;对于深入教学研究、支撑教学改革具有重要作用。

当前正值我国全面启动“双一流”战略的开端之际,实验室建设作为“双一流”建设的重要平台,对于高校的人才培养、科学研究、社会服务功能的实现都是重要的技术支撑和有力保障[1-3]。尤其对于人才的科学作风、实践能力和创新精神的培养具有基础性、全局性的作用。因此,在信息化背景下,构建可循环优化的、可全过程监督实验教学过程的、真正意义上的开放共享实验教学平台,推进其在实验教学中的有效应用,是实验室建设中至关重要的一环。

1 新型实验教学平台构建及应用的必要性

1.1 基础实验教学现状

目前,与理论课和双创活动等教学活动相比,学生对于实验教学普遍重视不够。课前预习书本的教学形式单调,学生的预习效果不佳;课堂上学生对教师和书本的依赖性强,缺乏主动性;课后缺乏深入探究兴趣,学生的学习热情和自主探索精神的缺失,与创新人才的培养目标背道而驰[3-5]。

从教学层面来说,教师主要依据实验结果和纸质报告评定成绩,对于实验操作过程的评价缺乏细致的记录和描述,受主观感受影响较大;同时,学生也很难通过已批阅的实验报告了解自己的错误操作。教学评价环节的科学性、过程性不足。

部分高校实验教学平台的实际应用基本还停留在“预约—开放实验”的单一功能应用阶段,而且许多教学平台各自为政,甚至有些平台被束之高阁的情况也存在。由于设计着眼点与实际教学细节需求未能有效衔接、缺乏易操作性等原因,实验教学平台的有效应用率普遍较低[5]。

1.2 “双一流”建设的需要

1.2.1 培养拔尖创新人才的需要

“双一流”建设对于师资队伍和拔尖创新人才培养都有明确的要求。高度信息化平台的介入将改变学生传统、被动的学习方式,有效激发学生的学习兴趣,对学生思维方式的培养有潜移默化的影响,进而启迪学生后续的创新与科研能力[6-7]。

1.2.2 提升实验教师队伍的需要

在实际教学中,在大幅度压缩实验学时的情况下,实验教师面临着更高强度的教学工作。高度信息化的实验教学平台的应用可以提高教学效率,减轻教师负担。但是部分教师对信息化平台存在“认识误区”和“技术洼地”,加之对软件使用经验不足、不愿改变现状等主观原因,使得教师对于实验内容变革,特别是信息化的应用普遍有畏难情绪。这也对现有平台的易用性、细节处理和用户体验的提升提出了更高要求[8-10]。因此,实验教学平台的有效应用也是提升实验教师队伍、改善传统实验教学效果的迫切需求。

2 新型实验教学平台的构成

2.1 功能框架

中心建设的新型实验教学平台—Mools(massive online open labs)秉承“循环优化、开放共享”的理念,全面覆盖课前、课上、课后整个学习过程, 将平台分为预习、操作、报告3大组成部分,并通过部分交叉将“教”与“学”融为有机整体。平台的内容结构如图1所示,其功能结构如图2所示。

图1 平台内容结构

图2 平台功能结构

2.2 预习模块

提高实验课堂效率最直接有效的方法是做好课前预习,其重要性不言而喻。但预习的形式和方法,以及新技术的普及还有很大的提升空间。实验预习资源大体分为传统文字教材和立体资源(视频、虚拟实验、交互式网页等)。相比传统的文字教材,通过平台引入立体化资源、虚拟实验和交互式网页,以实现交互式预习是行之有效的解决办法。

立体化资源包括视频、动画、文字、虚拟实验等可以全面替代平面纸质教材的资源。微信推文的方式是比较简单有效的，既可以通过腾讯、优酷等免费服务上传共享视频,又能够保证访问速度。新型实验教学平台可以通过链接设置,关联项目预习资源，更为简便的是在平台内提供文章编辑,满足图片特别是视频的上传需求。

相比于被动式的资源学习,虚拟实验是更为有效的预习方式,只有主动的操作模拟才更接近实验的本源。唯一缺点就是开发成本较高。

受目前流行的如易企秀等H5平台系统启发,中心的实验教学平台设计开发了交互式网页预习系统。所谓交互是指条件式触发,通过触发按钮、开关、菜单等对每个实验步骤的细节画面(静态或动态的图片描述)进行设置,还可以通过输入参数的方式予以验证。教师可以通过简单培训自行编辑实现,该模式可实现行为记录和数据分析服务,具有直观的画面感、交互参与性,简单易用。

2.3 操作记录模块

中心4大化学实验课程从2010年起就制定了详细的实验评分标准,印发到每个学生,然而实际应用起来很难把握。使用平板点击记录是目前最为可行的方式。通过交互行为分析,3个点击动作(选择学生、选择错误类型、确认提交)在3～5 s内即可完成。同时,在过程性评价中,新型平台对所设置的数据采集点更为科学连贯,教师可设置操作总分,自定义扣分点和加分点,并通过选择菜单已经设置好的操作点予以打分,实验日程和操作记录截图如图3所示。学生在实验课前就可以明晰考核点,并通过针对性反思问题，总结经验,提高实践能力。严格细化的评分标准有效保障了实验成绩的合理、公正与透明,是课堂教学考核的系统保证。

图3 日程及操作记录截图

2.4 电子报告模块

在平台应用过程中,电子报告是所有环节中争议最大的。争议的焦点之一在于部分教师认为电子报告复制成本低,会造成大面积抄袭,从而失去了独立实验的基本意义。实际上,在数据挖掘和查重技术广泛应用的今天,只有电子报告才能够彻底杜绝抄袭,在大数据分析面前抄袭者将无处遁形。

争议焦点之二在于认为手写报告增强记忆功能更强。而实验的本质意义在于动手实践获得的经验积累,动态、多维度的电子报告更能总结和反映学生的实践过程。

争议焦点之三在于电子报告这一新形式与教务管理规定能否及时对接。部分教师担心电子报告缺乏先例,无法得到教务督导的认可。中心的电子报告模板系统,已经经历了离线pdf提交、在线office控件、在线网页报告、在线网页模板及最新的移动报告模板,4年多的探索经验表明,电子化实验报告是大势所趋，而成为一种主流,各种电子报告形式的对比见表1。

表1 各种电子报告形式对比

最新的电子报告将实验报告抽象为文字、图片、表格3种形式,并对每一部分的分值予以细化,通过预先设置的批注标签,可降低批改过程的工作强度,同时兼顾合理(需要反馈来循环优化)和开放(学生可以清楚地看到自己的问题所在)需求,电子报告模板见图4。图片可记录手写演算过程、部分目的原理或装置图的绘制(从纸质到全面数字化的过渡应用)。由于支持动图上传,可以最大限度地留存一些实验结果的现象,这是电子报告超越传统纸质报告的飞跃。表格用于保存原始数据,设计为一旦保存无法修改,可保证原始数据无法篡改。过去批改需要教师手工计算核算,工作量很大。而原始数据与结果的关联很多时候可通过标准公式计算,通过应用程序可实现自动批改,这就将教师从重复劳动中解放出来。

图4 电子报告截图

2.5 新型平台面向对象

实验平台是很宽泛的概念,同时这些平台在很多院校都是分散甚至是杂乱的。在实验教学示范中心建设过程中，对于信息化平台的要求,促使很多中心都相继自购或开发了各种功能单一的平台系统,到底统一还是分散，存在着不同的声音。基于微信的实验教学平台(moolsnet)实现了实验教学中“教“与”学”的全过程。

2.6 集中与分散

层层的管理审批和对于教学细节的忽略使教务管理端和教学应用端在平台定位上有很大偏差。共享开课情况、一级选课名单、课程成绩等信息是相对容易的,但具体的实验教学情况,如实验项目的预习、虚拟实验、操作标准等教务管理部门难以把握。实际上,借助广泛的数据交换和统一认证,集中与分散是可以实现统一的。

绝对的集中式平台并不存在。过去那种独立用户系统管理比较封闭,且与去中心化的互联网流行趋势相违背。互联网思维是internet，不是intranet,封闭的统一既不灵活,也不绝对安全。

2.7 学校和中心的需求

实验教学平台(moolsnet)作为一个开放的系统,既可实现中心/学校统一管理,又可由单独实验课程的教师独立申请应用。学生可以自行微信注册,也可以通过统一认证注册,系统通过微信认证授权与学校、学号、工号绑定,基于公有云服务,申请注册即可开通,这与过去的平台引入机制有本质的区别。打破了原有的体系模式,甚至可以采用校际联盟或者专业联盟的方式。在此基础上,能够真正实现资源的充分开放与共享,为创新打下坚实基础。“双一流”的开放与共享体现在更大的责任和担当上。

2.8 平台实现的技术路线和技术手段

平台基于微信公众号开发,以php构建后端,引入bootstrap、VUE等框架构建前端,采用当前最主流的MySQL数据库、CentOS操作系统下的Ngix的Web服务,基于阿里云服务器、阿里云视频、阿里云敏感信息检测、腾讯短信系统、旷世人脸及证件识别系统、python构建查重系统,实现大数据分析及机器学习功能,并实时追踪最新技术的发展,及时引入到平台之中。

平台实现的技术路线主要体现在大数据的采集、分析与挖掘。大数据分析的前提是大量的特征数据,而过去的实验教学中唯一有效的数据点只有期末成绩,很难反映出全过程信息。有限的数据源,无法作为深层次、全方位分析及评价实验教学的全过程的依据。

3 新型实验教学平台的优势

3.1 循环进化性

从平台结构上可见,许多关键教学环节都有相应的数据采集和统计分析,最终可以形成教学应用→教学研究→教学改革的循环(见图1),通过分析结果和教育反馈,改进教学设计,发挥大数据“分析、鉴定、导向、诊断、激励”的功能,最终优化教学系统[10]。

3.2 开放共享性

首先,师生之间课程、项目、标准、成绩等信息是完全对等开放的,所有学生按照统一标准进行实验考核。其次,由于所有信息都存储于“数据库”中,可以根据面向的中心、学校、省部、专业群等机构提供真实全面的多层次数据,以促进数据分析及教育反馈。

3.3 “新工科”背景下的通用性

在平台设计构建时就考虑到了多专业的应用需求,在多学科交叉共性的基础上开发设计。目前机械、土木、化学、化工、物理等专业的应用都做到了通用适配,在几所高校的试用过程中,也证明能够满足学校的现状和需求。随着未来更多专业和学校的推广应用,平台会做到更加通用和易用。

从人才培养的层面来看,“新工科”复合型工程人才培养的主要途径在于“继承与创新、交叉与融合、协调与共享”。应用先进的新型实验教学平台,恰好满足了“多元化、创新型”工程人才培养的需求。

3.4 协同高效性

基础实验课程通常需要集全中心之力,通过平台的应用,同事之间可以摆脱过去严格的层级关系,实现课程、项目、日程灵活的协同设置,研讨制定统一的评价标准,清晰统计工作量,协同完成实验教学工作。

3.5 兼容性

平台主推微信方式,移动办公特别适合于实验一线教学团队。与专业教务人员不同,无论是教研室教师,还是专职实验教学人员,通常不会固定在办公桌旁。只需登录微信,实验教学平台就能实时在线,可以随时随地处理教学相关事务。平台同时提供PC网页版,主要开展如联机实验报告处理、复杂课程开放、预习资源编辑等使用计算机处理更为方便的应用场景。

4 研究展望

新型实验教学平台(moolsnet)自2018年6月底试运行,截至目前注册用户12 637人,预约21 006人次,日访问高峰在8 921人次,运行稳定,能够完全替代原有的实验教学管理平台。随着应用的深入,仍然存在很多亟待分析、解决和总结的问题。

(1) 数据安全是平台运行中头等重要的大事。分布式数据库和系统备份时刻运行以保障数据安全,但安全漏洞的发现和解决,需要更多的投入,甚至更为专业的技术人员介入。

(2) 程序和数据库结构的设计需要不断进行优化调整。采用公有云的原因就是基于其强大的功能和性能监控,以及丰富的性能解决方案,可以随时调整配置,适应不断变化的需求。

(3) Python查重、大数据与机器学习系统目前还在配置阶段。虽有参考实例,但真正与应用平台完整对接、实现用户的应用尚需时日。

5 结语

新型实验教学平台是专门面向实验教学全过程的系统软件,其内容囊括了实验教学的运行、管理、成绩、考核、人才培养、教师团队和教学改革等各方面的需求实现。当前,实验信息化介入的深度已经远远超越单纯预约、课件的范畴,是计算机技术、信息学方法全方位、深层次介入教与学的环节,试图产生新的革命性学习的过程。新型实验教学平台的应用重点就是在不断增加、改进人机交互学习的数据点设置及模式,以便构建优化的循环系统,这一系统因对知识的学习者和传授者的双重促进作用而在实验教学中起到至关重要的作用。