依托精细化信息收集与处理的电路实验课教学质量监控方法研究

李 平，陈 众，陈李杰

（长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114）

当前，中国高校工科的建设规划是培养理论和实践动手能力双优的工程人才，充分发挥专业特长，提升学生的专业素养，从而推动专业技术进步与社会经济的发展[1]。为适应建设规划要求，电气工程专业在对学生专业技能的培养方面也应进行革新和改进，以适应新形势下新工科专业的需求[2]。

虚拟仿真技术的发展也为实验课程的线上教学指明了方向，在疫情的刺激下，线上教学也得到了蓬勃的发展。但是无论是线上还是传统教学，教师能够及时收到学生的反馈信息是重中之重。

本文提出一种基于“互联网+”的电路实验课程教学质量监控方法，能够将教育信息化2.0 中提出的“互联网+”教育、教育大数据、人工智能等教育应用理念和技术应用到电路实验课程中，通过精细化收集实验数据来全面把控电路实验课程的教学质量。

1 电路实验课改革现状及思考

对电路实验课的改革一直是高校基础课程建设的一项重点工作，众多高校从理念、手段、方法等多个层面进行了一系列的改革研究，取得了很多研究成果。下面主要从实验教学方式方面和实验教学管理方面进行阐述。

在实验教学方式方面，现阶段实验教学方式改革研究的重点是针对传统实验教学的缺陷进行改造，优化原有教学体系，如文献[1，3]提出的基于CDIO 的“电力电子技术”综合性课程设计方案，将现有的大班形式实验教学进行精细化的实验分组教学，着力提高学生的专业能力和团队意识；文献[4]针对传统实验教学硬件、空间、实验类型不足开发出了一种新型的实验装置来满足信息化教学的需要；而文献[5-8]都提出在传统教学中利用虚拟仿真软件来对传统教学方式进行改善。

但在文献[1，3]提出的CDIO 模式中，教师不能实时掌握学生的各个实验环节的学习情况，这就有可能会出现课堂对学生约束力不足的问题；而文献[4，7]等的观点也只是在传统的实验教学中单纯地加入了虚拟仿真实验，虽然用仿真结果去验证理论知识，但由于两者之间是通过教师讲解进行互动，将影响教学进度、降低课堂效率。结合以上文献的观点，本文认为现阶段的实验教学改革可从以下几点入手：①对学生实验课程中每一个环节进行实时的监督和掌握，并能在实验过程中进行提醒纠错；②保证实验场景的丰富性和参数化设计，做到不同学生在同一知识点下的实验要求不同，以达到“一人一题”，杜绝抄袭的现象；③建立完整的实验教学仿真平台，确保知识点和实验场景的无缝连接。

在实验教学管理方面，本文认为在现阶段的实验教学管理方面还是存在一定的缺陷，现阶段实验教学管理与公共理论科目的教学管理采用一套管理体系，但这是不符合现代实验教学管理情况的。文献[5]指出传统实验课程的考核一般主要依据预习和实验报告。但由于这两项都在课余时间完成，抄袭现象难以避免，只能做参考，而对每堂课每个学生的课堂表现做情况记录也十分的低效和烦琐。这也会导致出现如文献[2]所提出的有部分学生容易出现注意力不集中、依赖抄袭同伴的情况，最后可能导致学习不认真的学生实验成绩与专业素质过硬的学生成绩相同甚至是还要好的情况，这会影响学生的学习积极性，产生不良的错误想法；也可能会使教师不能正确判断整个班级的学习情况，对以后的教学作出错误的预判。

结合以上文献的观点，本文认为实验教学管理的依据一定要是每个学生的真实学习情况。基于此，需要注重对实验数据的收集和管理，综合学生的课堂表现、实验报告、考试成绩来进行量化评估。

从上述文献中可以看到，对电路实验课程改革，无论是在实验教学方式方面想要达到改革目的，还是实验教学管理方面追求真实准确，其首要目标是提高教学信息反馈的速度和处理效率；无论是传统教学方式还是现在的线上教学方式，主要问题是实验室信息化不足，管理水平相对低下。

2 信息反馈系统

2.1 教育控制论的发展与应用

在对教学信息的收集处理方面，本文依托教育信息化2.0 和教育控制论提出信息收集与处理的精细化操作，主要是运用“互联网+”教育、教育大数据、人工智能等教育应用理念和技术，根据教育控制论的研究思路，搭建新的以“信息反馈系统”为控制因子的顶层设计框架，将其应用在电路实验课程中。以此来对教学过程中学生出现的各类问题作出响应，在教学管理方面实时收集整理学生的各项数据信息。

教育控制论的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研究教学和教育管理活动，以实现教育过程和成果最优化，其基本结构如图1的实线部分所示[9]。

图1 教育控制论基本结构图

在教育质量把控环节，相关研究者着重强调信息反馈、控制执行2 个支路在教育过程中的重要性。但这些研究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烦琐重复的工作，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上是与控制论发展过程相悖的。

2.2 信息化技术的接入点

由于技术的发展不断拓展教育的时间、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。

最早的信息化系统集中在管理体系，例如图1 的虚线所示C 支路中教师互评、D 支路的学生评教系统。现在教学管理系统的功能也拓展到了各类网络教学和慕课体系，提高了教师和学生的互动频率，但仍一定程度上加重了教师的工作量[10]。

本文主要针对电路实验课探讨如何运用互联网新技术，图1 中的A 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，做到对学习情况的量化评估和实时管理；同时将C、D 支路的信息收集方式转移到更合理的位置，切实为教学质量控制提供依据，采用信息化技术接入的教育控制论让教师通过虚拟仿真教学平台与学生互动，在实验教学方面，让学生能够通过平台直接去学习云服务器上的理论知识，并通过虚拟场景进行验证，加深理论与实验的联系。具体设计如图2所示。

图2 教育信息化2.0 下的教育控制结构

3 虚拟仿真教学平台

3.1 平台建设

针对上述理论分析，本文提出了依据教育信息化2.0 下的教育控制论，建立一个教辅功能全面、数据响应实时的虚拟仿真平台，根据现阶段电路实验课现状，本平台的功能如下：①具有电路实验课程中各种虚拟场景并能进行实时的虚拟仿真；②能进行智能判别与参数化出题，实现一人一题，杜绝抄袭；③能进行智能统计分析来实现对学生的量化评估。系统具体结构如图3 所示。

图3 电力电子虚拟仿真实验系统构架

在实验操作方式上：为解决传统电路实验受场地和硬件不足的限制，本文提出了纯虚拟学习模式，教师和学生可以通过Wi-Fi 等无线网络访实验平台，让学生能随时随地进行实验学习；为加强学生对实际电路和仪器装置的掌握，针对实验课程教学，开发出了智能电路实验箱，其能通过有线网络访问实验平台，并在实际实验中采用具有通信功能的万用表、示波器等设备上传实验数据，而实验平台可以控制调整相关实验参数，从而实现信息的双向流动[11]。

同时电路实验课程教学平台也具有实验要求随机生成、考试与成绩统计分析、设备管理等一套完整的教学平台功能。

目前平台上可用的课程实验和实物实验几乎涉及到了电路中所有的知识点，与书本上的单一案例讲解不同，学生可以通过实验参数的自主设置和波形类型的自主选择而得到各种不同的实验结果，增强对知识点的可视化学习[12]。

3.2 学习考核的参数化设计

本节将以平台上的习题随机化生成和自动判别功能为例，展示运用教育应用理念和信息技术搭建的电路实验教学平台。

建立题库，流程如图4 所示，在云服务器上根据教学大纲搭建习题框架，从章节目录到具体知识点进行题目的分类，确保每一类题目都有唯一的序列号，这样也就实现了“一人一题”，从根本上杜绝了学生抄袭的现象。

图4 题库建立流程图

学生习题训练流程如图5 所示。

图5 学生习题训练流程图

在纯虚拟学习模式，学生在web 端通过账号访问平台，平台使用Java matlab 接口将云服务器上生成的对应习题调取过来，然后将学生进行虚拟仿真实验得到结果上传服务器进行判别。

而在采用智能电路试验箱进行实验学习时，学生通过账号登录实验箱，在实验箱上选择所对应理论知识的实验模块，实验箱会通过有线网络来下载云服务器上自动生成习题的参数，然后将学生根据习题参数要求进行实验，实验箱会将实验结果上传服务器来进行判别。

4 总结

根据学生账号的唯一性和习题的随机性可以真正实现文献[2]提出疫情背景下实验课程环节线上教学，需要注重对实验数据的设置和收集，采取“一人一题”的方式，使得每位学生的实验数据各不相同，能够很大程度上减少抄袭现象，培养学生独立完成实验学习的能力，提高教学质量。

通过平台对学生实验信息数据的收集整理，能够数据化展示学生的学习成绩、实验报告情况、登录时常、实验内容等信息，最后对本门课程、班级、学生都做一个整体的量化评估，可以全面把控教学质量，也能为后续的课程改革和调整提供准确的数据信息。