借互联网思维构建电工电子实验教学新模式

吕念玲， 袁炎成， 殷瑞祥， 李 斌

（华南理工大学电子与信息学院，广州510640）

0 引 言

互联网的出现，改变了人们的生活方式，也推动了教育方式的变革。2014年在全国MOOC建设的热潮中，分析了线上课程的特点［1］，思考实验教学的问题，提出了“互联网＋”实验教学的思想；2015年广东省本科高校电子信息类专业教学指导委员会成立，在教指委内部通过1年的充分研讨论证，明晰了“借互联网思维构建电工电子实验教学与管理新模式”的建设路线；2016年广东省本科高校电子信息类专业教学指导委员会主导，联合6所广东高校申报立项“基于互联网＋实验云平台建设”项目，目前项目建设已获阶段性成果。对照教育部2018年本科教育工作“打造中国金课”的要求，该工作方向是完全正确的［2］。

1 高校实验工作的形势转变

在过去较长一段时间里，由于高校实验室建设经费投入不足，实验设备条件比较差，多人共用一套实验设备，学生的实验参与度低；因设备种类不齐，实验项目无法全部开出的情况也时常发生。改善设备条件，曾一度是高校实验工作的重点［3］。随着国家加大对高等教育的投入，高校的设备条件已获极大改善。同时，网络条件改善的速度更快，现在的实验室具备上网条件几乎是标配。在解决了设备问题之后，高校软资源配置不均的问题就凸显出来。软资源（或软实力）包含：实验内容建设、实验过程管理、教学效果评价及课程持续改进等关键问题，是导致高校实验教学质量差异巨大的主要原因。设施条件通过加大资金投入，短时间就可以得到改善，但是软实力却非短时间可以改变。因此，当前高校实验工作的重点应从“硬条件”主导，向“软资源”主导转变。实现优质资源共享一直是追求的目标，借互联网思维构建电工电子实验教学新模式，就是共享探索的一种方式。

2 实验教学存在深层次问题剖析

电工电子实验是电类专业本科生的必修实验环节，学生专业涉面广且学时数多。

2.1 内容缺位

有些高校设置实验课时，照搬了其他高校的实验项目，但是具体实施和过程管理无法模仿，虽然有了同一个实验项目，但教学效果迥异，这就是“形似而韵不在”；随着业界技术的发展，虽然对实验项目作了更新改造，凭经验做一些新东西的堆砌，但实验内涵与培养目标不相匹配，教学效果仍未尽如人意；更令人担心的是，前列高校保持质量主要归因于其长久以来的大质量积累和惯性推动，即老教师的经验仍可用；当老教师退下之后，惯性推动力越来越弱，年轻教师在实践经验方面区别不大的时候，质量问题也会凸显［4］。上述现象的根源，就在于实验内涵模糊，实验内容设计依靠经验。

2.2 内涵模糊

实验实践教学的目标主要是：提高学生专业动手能力，健全学生的专业知识结构，使学生获得解决工程问题的素养。实验教学的主要任务是：①训练学生实施“实验”的能力；② 锻炼学生科学处理“实验”数据形成技术文档的能力；③教会学生组织“实验”解决问题的能力。

实验项目中服务于上述目标的知识，支撑目标达成的技能就是实验内涵［5］。实验课可以多门、实验形式可以多样、实验内容也可以不同，但是它们都是内涵的载体。科学的实验设计方法应是：首先明确实验内涵，再从教学目标出发，对每个实验项目的教学内涵给出预期要求，根据预期要求选择匹配的实验内容。这样，实验课程的内涵与毕业达成目标可以产生量化关联，实现实验内涵与学生能力成长精准对标［6］。这样的实验课，才是“金”课。但是一直以来，高校实验教学基本是由经验丰富的教师和工程师根据自身或他人的经验来规划设计的，由于经验的局限性，实际教学效果存在诸多不确定性，对于学生能力成长的达成贡献往往具有一定的模糊性，不能从根本上确保实验教学内容的科学性［7］。

2.3 过程控制有效性差

实验教学的目标是通过成熟的内容训练学生的能力，因此，实验过程比实验结果更重要。但是主要依赖教师人力实施的过程管理，有效性比较差。比如：教师常常通过翻阅学生的实验预习报告，了解学生是否完成实验预习准备。但是预习报告仅仅表明该学生完成了预习的过程，却无法体现实际的效果；再比如，1或2名主讲教师和实验辅导人员，承担整个实验课堂的答疑、纠错、辅导、安全管理和实验数据审核、验收等工作，无法更到位地辅导学生个体；学生出现操作错误，数据的粗大误差无法及时得到纠正。整个过程管控，老师常感心有意而力不足。同时，在实验过程中无法获取足够多的、反映学生实验状态、技能掌握程度及班级实验共性问题的学情信息数据，无法对实验效果做出客观判断。

目前，GA 系列五轴联动万能加工中心征服了越来越多来自航空航天、工具模具、机械制造等领域客户的芳心。任宏志先生表示，GA 系列销售额在2017到2018年实现了大幅度跨越式增长，2019年还会进一步保持这种势头，在夯实系统机床及自动化交钥匙工程原有市场份额的基础上，加大开发新客户群体的力度。

要解决实验教学的科学性和有效性问题，首先必须明确实验教学的内涵，以及实验教学与工程专业人才培养目标达成之间的关系，找出实验教学内容与目标内涵之间的关联，科学地设计实验内容，并在教学过程中切实地实施监控［8］。这也是杜绝“水”课的有效措施。

2.4 效果评价

实验教学的效果评价包含两个方面：一方面是对学生学习效果的评价，实验过程是培养学生实验能力和实验素养的主要途径，学生在实验现场的操作情况，反映其真实的实验水平，但是结果检测往往比过程检测容易，所以实验数据是否正确，就理所当然地成为评价学生实验学习效果的依据。这种评价方式造成了“重结果，轻过程”的状况，使得实验教学常常走过场、效率低［9］。

另一方面是对实验内容的评价，学生是实验的主体，学生在实验过程中体验和表现是评价实验设计优、劣的依据。学情大数据缺失，就无法对实验实施效果做出客观的判断。

2.5 持续改进机制

教、学相长，所以教学过程中，学生和课程都需要持续改进。学生个体要在学习中及时调整学习策略，才能提高学习效率。课程内容和教学方法及时优化，才能取得好的教学效果。传统的实验预习、实验操作及提交报告是单向、开环的过程，信息流失［10］。必须将实验教学过程设计成闭环系统，把教学设计、过程管理、效果分析与反馈调整等环节紧密关联起来，形成自我完善机制，促成教学内容的持续改进和实验课程的日臻完善。

3 在线教育的问题与实验教学的机遇

3.1 在线教育蓬勃发展与遇到的问题

一方面，建设的MOOC课程大量上线，且注册人数众多；另一方面，真正完成学习的人数寥寥无几；MOOC的可持续发展遇到很大的问题。长期贴钱赚吆喝的做法，能维持到几时？国内高等学校的MOOC多数重建设轻运行，线上支持远远不够，虎头蛇尾现象突出；在线学习认证机制薄弱，结果的可信度降低。归根到底，在线教育必须解决3个问题：① 老师为什么又靠什么坚持做好线上支持？② 学生为什么又靠什么坚持线上学习？③MOOC平台靠什么维持下去？

3.2 实验在线教育状况

在线教育如火如荼，但实验教学乏善可陈，根源在哪里？在于实验教学的特点：设备依赖，没设备无法实施实验。目前的MOOC课程多限于理论教学课程，但是，工程教育不能缺少实验实践教学。而且工程专业认证对实验实践教学的要求很严格，人才能力的培养更需要扎实的实践教育支撑［11］。但是多年来关于实验实践教学资源的共享呼声大、动作少［12］。在线教育的发展模式提示出资源共享的方向，实验实践教学的设备依赖性既是困难又是机遇。

4 互联网思维下的电工电子实验教学新模式架构

基于上述背景，2016年提出在广东省教育厅立项建设“基于互联网＋的实验云平台”项目。建设目标是：①探索地方工科高校实验室开放共享平台构筑的最佳模式，探究可行的实验室运行机制；② 利用现代网络信息技术实现实验室资源的整合、共建、开放、共享，突出“应用型”人才培养；③ 鼓励学生基于互联网学习平台选修外校共享的优质实验课、从而达到学生、课程互选与学分互认在实验课程上的实现。

电工电子实验教学新模式架构，是上述建设项目的主要内容之一。新模式架构主要包括以下几个方面。

4.1 共建共享教学内容

共建共享的前提，是实现实验教学资源的互联互通。通过建设包括应用层、管理层、数据层及基础设施层等4个层次的系统架构，支撑门户平台、内容运营平台、实时服务平台等重点服务，实现可接纳无限多镜像站点接入的容量预期；达成任何时间从任何镜像站点接入，均可获取资源，进行数据交互的建设目标。如图1互联状态图所示，通过区域节点把高校的实验室连起来，满足实验教学和管理在设备互联、共享，器件升级，实验在线教学，数据存储、大数据分析，学生学习过程与学习效果认定，优质实验资源共享等关键需求。

图1 互联状态图

教学内容的建设不是无依据的，要在教学过程中不断实践、总结和凝练，在教学实践中建设才是科学的；教学内容面向更多的学生，对内容完善更有促进作用。利用开放的互联互通架构，实验项目上网，达成学生、课程互选与学分互认；改变各校实验教学的“封闭孤岛”现状，达成内容、要求及评价的深度融合。这样，因地域、时间和师资力量导致的“教育鸿沟”将逐步被缩小甚至被填平，有效加速实验实践教学质量的整体提高。

4.2 实时采集实验过程数据

互联网是迄今为止人类所看到的信息处理成本最低的基础设施，具备开放、平等、透明等特性，使得信息数据得以体现最大的社会价值。形式各异的互联网业态形式，其核心都是数据［13］。纵观实验教学整个流程，实验过程是最重要的，也是管控最不力的环节。以数据获取的视角看，实验过程对设备依赖的特点，恰好为实时采集数据提供了条件，为数据的真实性提供了背书，为动态认证提供了依据。过去曾经是阻碍实验共享的一大障碍，被转化为过程管理的独特优势。实验过程数据包括3种类型。

（1）面部信息。使用摄像头，采集实验现场每张实验台学生的面部信息。可以采用规律触发扫描、条件触发扫描和强制触发扫描相结合的方式；发现人不在或换人，以及上传数据的时候，触发多次扫描或强制扫描，有效实施动态认证。

（2）实验测量数据。采集学生实验过程中的仪器测量值；通过NI-VISA协议使用USB通信，读取和控制仪器设备相关参数信息。数据分为两部分：文本数据和图片数据。文本数据采用JSON格式传输，图片先在本地压缩后再进行传输。

（3）实验过程状态数据。采集实验操作过程中的错误数据、试错次数及完成时间等信息。对于实验过程中每一步的操作时间，使用前端埋点进行缓存后统一提交至后台。提交次数、准确率在后台根据提交的过程数据按一定的算法定时进行计算后更新。

在实验过程中，把某电路节点设为监测点，学生按要求测量，并实时上传测量数据。仅对一个监测点，系统采集并记录了4类数据，包括：第1次上传的测量值、刷新的次数（试错次数）、最后上传的测量值及完成时长。存储原始数据条数大概为2（N＋1）条，N为每个数据的提交次数。

实时数据采集，获得反映实验操作细节的大数据，掌握到传统实验管理过程中无法获取的信息，进而对实验实施的具体情况有全面、客观的认识。实时采集实验过程数据，也是强化实验过程管理的一种有效方式，切实提高了实验结果的可信度。

4.3 大数据分析实验教学效果

传统的实验课堂，老师可以从答疑、辅导和学生的实验报告了解到实验实施的一些情况，但从这些渠道获得的信息量还是太少，而且是碎片化的。要分析足够多的数据信息，才能客观诊断教学设计的问题，有效优化教学内容［14］。

系统采集到的每个原始数据信息都被打上多个“内涵标签”，在不同的数据分析背景下被使用。教师参考上述原始数据记录，根据分析或评价的侧重点，赋予上述数据信息相应的权重，建立数学计算模型，计算机就可以自动计算并生成教学需要的各种分析结果。图2所示是系统基于大数据，自动做出实验项目难、易判断的流程示例。

图2 实验项目难、易判断流程示例

5 电工电子实验在线共享平台主要功能介绍

开发了电类实验台电源智能管理系统和电工电子实验在线共享平台，支撑电工电子实验教学新模式落地。平台功能应用到实验课堂，令实验教学过程管理发生巨大变化。与传统的实验预习、实验操作及提交报告的三环节开环实验教学模式相比，实施互联网在线管理的教学过程是一个闭环系统，主要流程如图3所示［15］。

图3 闭环实验管理流程图

电工电子实验在线共享平台的主要功能：

（1）强制预习。学生开始实验前先进行预习检测，系统随机组卷，15～20 min内，最多可以进行3次检测；满60分，实验台自动上电。推行实验室准入制，预习效果不达标，不允许做实验。

（2）全程识别。实验全过程不定时扫描，异常情况下触发多次扫描，上传数据触发强制扫描，自动记录扫描比对结果，保存为认证依据，杜绝代做实验。

（3）数据采集。实验过程中，实时采集过程数据，现场给予学生出错提醒；实验结束，系统给予该学生实验操作评价。

（4）远程实验。学生可使用ELF-BOX远程智能实验平台及配套器件在实验室外进行硬件实验；在有网络条件的地方，按要求上传数据，数据存入学生账号下。实现远程全“真”硬件实验，实验室内、外大数据采集无死角。

（5）实验上线与评价。各校的实验项目上网，接受本校和外校学生选做，并按照统一标准进行评价，成绩互认；建立实验项目排行榜，切实推动实验内涵建设，共享优质实验资源。

（6）信息反馈。系统通过对预习检测、实验现场操作及学生提交预习报告的数据分析，将教师和学生关注的信息分别予以推送。教师得到实验出错率、实验熟练度，项目实施难、易情况等的大数据分析结果推送，诊断教学设计的问题，优化教学内容。学生则能从系统推送的助学信息，看到实验过程中的不足，完成系统针对薄弱环节推送的附加训练内容，及时而有效地调整实验学习策略。

图4 学生个性学习方案制定流程

（7）基于大数据的分析与评估。第1次实验过后，每个学生都有了自己的实验个性学习方案，图4所示是学生个性学习方案制定流程。如一门实验课计划内共有5个实验项目，若实验项目1的操作不达标，就不能直接做实验项目2，必须完成系统推送的另外一个“附加训练”，补齐短板，再行测试合格，才可以做下一个实验项目。依据该流程，动手能力比较强的学生，最少5次实验，就通过该门实验课；而有的学生要6个实验项目，甚至7、8个实验项目，才达标。系统依据学生在实验过程中的真实表现，为其度身订造实验学习方案。

6 结 语

我国教育正进入到一场基于信息技术的伟大变革中，实验实践教育教学只有顺应这一时代的需求持续不断地进行革命性的创造变化，才能走向新的境界。互联网理念与教育的深度融合，令传统实验教学在体制、理念、方式和方法等方面获得宽广的创新改革路径。在信息技术与互联网思维在实验实践教学的应用领域，做了一点探索，随着互联网技术的不断发展，更多的碰撞灵感，等待我们去探索和发现。