基于新一代信息技术在智慧实训教学改革的应用研究

文/ 广州城市职业学院 杨桂珍

近年来，广大高校积极响应国家政策号召，大力推动校内教育信息化建设，促进信息技术与教育教学深度融合，充分利用信息技术优化人才培养模式和改革教学方法，逐步实现信息化教学受益面的师生全覆盖，开展信息技术支撑下的教育治理能力优化行动，推动计算机互联网信息化手段服务教育教学全过程。

针对高校实验实训过程中存在的问题，提出通过建设智慧实验实训平台，利用以云计算、人工智能、大数据技术、区块链等技术为代表的信息化手段创新改革实验实训教法，实现实训教学全程信息化管理，实现“做中学、学中做、边做边学、边学边做”的教学模式改革，提升实验实训教学质量，提高学生的创新实践动手能力。

一、现状分析

基于对现阶段高校计算机、通信、自动化、电子等工程类专业实训课程的现状分析，当前实验实训教学存在以下困难：

（1）实验实训设备不足

受学校固定资产规划、学生人数规模等客观办学条件影响，高校实验实训设施设备容量有限，仅能满足本校基本的教学安排要求，难以通过纯线下实训的方式提高实践教学比例。

（2）实验实训的时间空间受限

线下实验实训教学必须要到校内专用场地内实施，依赖校内设施设备，因上述设备限制等原因，对教务排课等教学安排的要求也较高。

（3）过程缺乏跟踪监控手段

按照当前教学模式，实验实训课程的结果评价以最终作业或作品评定为主，缺乏对学生实操过程的全方位跟踪监控与教学指导。

二、 基于新一代信息技术探索智慧实训教学改革

1.智慧实训教学改革构想

建设智慧实验实训平台，通过信息化手段创新改革实验实训教学方法，实现全程信息化管理的实验实训教学，其建设与应用将有效促进工程类，尤其是程序设计类课程的远程线上教学，教师能够更加紧密地围绕该类课程群建设，以专业知识为建设模块、以应用技能为建设导向，构建实验教学项目库，加强数字教材、数字课堂建设，实现线上教学资源的开放共享。学生则通过智慧身份认证更加注重学习过程，杜绝了学习中断、找人代替等情况的发生。在大学生掌握专业骨干课程内容基础上开展的岗位实践能力教育，不影响学校正常教学活动，又能达到培养“理论扎实、实践过硬”高级应用人才的培养目标[1]。同时，运用多元化评价机制激发学生的学习积极性，使学生能够根据自身专业知识能力提升需求完成课程考核，有效促进远程线上教育的开展。

2.实训平台模块设计

智慧实训教学平台划分为3 个功能模块：教务管理平台、教师教学平台、学生实训平台。（见下页图1）

图1

（1）教务管理平台的功能模块设计：

a）权限管理

可管理维护账号权限，可设置用户的角色权限，包含子功能：查询数据、添加用户、修改用户信息、删除用户、设置角色、查看全部数据。需包括的数据项：用户名、姓名、用户角色、状态、用户类型。可下载导入模板，可批量导入教师数据。

b）基本配置

可配置维护院系、专业、课程的基础信息。可批量导入院系、专业、课程基础信息。

c）课程资源管理

可添加教材，可录入实训课程的PPT 课件、实训任务、课程习题等。

d）班级管理

可维护管理实训班级信息、学生信息，可查看学生实训报告。

（2）教师教学平台的功能模块设计：

a）智慧课堂：支持教师开展现场授课、远程授课，支持教师布置课程预习任务、随堂练习、课后实验实训任务。包括的子功能：我的班级、开始上课、班级活跃排行榜，可下发课件、布置随堂练习、布置实训任务等。

b）教学互动：支持开展课堂抢答，支持在线答疑，可设置精选问答，可查询学生答卷等。

c）统计空间：可查看各班级的预习统计情况、问答统计情况、习题统计情况、实训统计情况等。

（3）学生实训平台的功能模块设计：

a）学生登录：包括登录本地及远程实验实训环境，支持“本地实验”和“远程实验”模式。可选择“远程实验”模式，直接登录到远程实验环境做实验实训，一键登录到远程云端实验实训环境，随时随地做实验，提升实验实训教学的效率。也可选择“本地实验”模式，使用本地电脑做实验实训。

b）我的实训：支持查看教师分配的实训任务，点击“开始实训”，进入实训界面。可查看实训任务名称、实训目标、实训环境要求、实训内容、实训附件文档。点击继续实训，可进入向导式的实训任务界面，左侧显示实训步骤，右侧显示实训步骤的具体内容，点击提交实训步骤，则自动依据平台教师设定的实训规则，检测学生是否已经按要求完成了实验实训步骤的内容。支持自动截取实训过程的关键步骤截图。支持自动生成实验实训报告书。

c）我要预习：需支持学生在线预习的功能，支持PPT 课件、视频课件，增强课堂效果。

d）我的题库：需支持学生在线做习题，巩固课程的学习效果。

e）我的提问：需支持学生在线提问，需支持上传文档附件、截图、视频，学生端需自带截图功能、一键视频录制的功能，需支持静音录屏、录音录屏的录制模式，方便学生操作。

f）精选问答：教师精选的问答记录，可共享给班级学生查看，提升教学资源利用率。

g）我的答卷：支持查看我的答题记录，支持按教材名称、试卷名称、教师名称查询。

h）系统设置：可设置系统参数，包括：附件下载的临时目录，录制视频的临时存放目录。

3.新模式实训教学的特色

（1）支持多终端数据互通

教师WEB 端/PC 端、学生WEB 端/PC 端、学校管理员WEB端数据互通，充分利用各类型设备资源实现课前、课中、课后教学无缝衔接，全面突破时间空间限制，学生可通过不同设备随时随地做实验实训。

（2）支持远程环境做任务

通过线上远程服务器，提前配置好虚拟实验环境供学生使用，并支持通过WEB 浏览器方式直接远程访问云端平台，学生可以使用任意一台电脑进行实训。

（3）支持线上互动评价

系统内置一键截图、一键录屏工具等，方便师生沟通，支持自动生成实验实训报告，自动批改功能辅助判断实验实训步骤的结果，学生在线提交心得总结，教师批改反馈，学生可查看教师批改结果及评价反馈记录。

（4）支持信息化教务过程管理

依据课前预习数据、实验实训过程数据、习题完成数据，系统可自动生成课程成绩，平台界面可一键导入导出学习轨迹与评估报告，全过程信息化管理，动态留痕，教师和教务管理人员可实时有效监督学生学习进度，包括跨周跨月实验实训任务，方便监督及指导学生学习，教务工作较传统模式更为经济高效，实现无纸化便捷管理。

4.教学改革实施步骤

（1）需求调研

实验实训资源的整合不是简单的结合，而是资源的有机融合，其本质是资源共享，实现资源的最大化利用[2]。在校内及兄弟院校相关二级学院、专业进行走访调研，了解当前计算机、通信、自动化、电子类专业实验实训课程的教学形式、现状、困境与师生需求，形成开发需求分析与可行性报告，明确智慧实验实训平台开发需求清单与目标功能模块，制定项目开发计划。

（2）平台构建

搭建研发系统核心技术架构及功能框架，在平台试运行雏形的基础上逐步完成整个产品框架的研发及测试完善。基于此核心技术架构，全面支持多样化授课方式和学生远程连接虚拟实验实训环境进行课前预习、课中学习及课后练习，为学生随时随地的主动学习提供技术支持。在社会范围内，充分依托各自的优势资源和优势，以互信和合约为基础，以服务经济转型和满足需求为出发点，以协同育人为核心[3]。

（3）教学试点

平台主体功能开发完成后，以校内部分计算机类、通信类、自动化类、电子类专业班级作为教学改革试点，通过新模式的线上实验实训课程增加实操教学比重，并收集师生使用反馈，进一步改进完善系统功能，持续进行智慧实验实训平台的更新迭代。

三、技术实现手段

1.采用的技术创新手段

（1）本系统开发主要采用B/S技术架构，使用JAVA、SpringMVC、Struts2、Mybatis、Ext4Js、C#、HTML5、JavaScript 等新一代互联网技术进行开发设计。容器采用Tomcat、Nginx 做负载均衡，采用大型关系数据库MySQL，同时结合Memcache、分布式缓存等技术，提高了系统性能。

（2）系统采用JAVA 编程语言实现功能模板，教务管理后台的实训课件资源管理模块支持zip 格式的文件上传，系统自动解压并形成课件章节目录。

（3）使用WebSocket 技术跟服务器通讯，支持实时反馈使用状态、减少通信量。（见图2）

图2

2.重点突破的关键问题

（1）自动评判主观题核心算法问题

高校教师教学过程中针对练习、作业、考试的批改工作较多，特别是实训任务，涉及大量的主观题、非标准化的步骤内容，教师逐个批改的工作量特别大、反馈周期更长。本平台采用新一代大数据技术和人工智能深度学习技术改进主观题自主评卷的算法，提升判卷的效率，降低教师批改工作量。

（2）实训跟踪开发工具多版本兼容性问题

前期开发过程中调研各院校所使用的开发软件工具版本，综合考虑评估，所采用的技术方案及架构充分考虑版本兼容性、扩展性，根据不同网络的各层次节点，具备支持多种通信媒体、多种物理接口的能力，提供技术升级、设备更新迭代的灵活性，实现大部分软件工具的兼容适配，确保满足各校实训需求。

（3）高并发访问系统稳定性问题

采用B/S 技术架构、大型关系数据库技术MySQL、主流软件开发技术JAVA 成熟稳定的CentOS7操作系统及现代网络安全通讯技术，并借助分布式区块链技术记录课程成绩，避免系统的单点故障，通过事故监控和网络安全保密等技术措施提高整个平台系统的安全可靠性，实现依据业务访问量实时在线扩容的技术开发运维方案。

（4）本地环境部署过于繁琐的问题

通过WEB 端直接访问已经提前配置好在线实验实训环境的远程云端服务器，通过虚拟机灵活开展实验实训教学，为学生节省安装环境的工作量，预留更多时间研究、思考实验实训本身的任务内容，提升学习效率及质量。

结语

对学校而言，探索新模式线上实验实训教学，可以在增加实操教学比例、提升教学质量、改善实验实训过程跟踪管理的基础上，降低学校固定资产采购与维护压力。对学生而言，通过虚拟仿真实操的方式将理论与实际操作能力相结合，有更加充裕的机会进行实操演练，促进知识的学以致用，加强对本专业相关实际工作能力的培养，避免纸上谈兵，将大大提升毕业后的就业竞争力。基于以云计算、人工智能、大数据技术、区块链等为代表的新一代信息技术，通过开发、应用智慧实训教学平台，可以更好地培养高质量、创新型、动手能力强的高素质专业技术人才。