线上线下混合式实验教学模式构建与实践

2022-10-30李利，韩东，徐池，贺寅

高教学刊 2022年30期

李利，韩东，徐池，贺寅

（海军大连舰艇学院信息系统系，辽宁大连 116018）

网络技术的发展，网络带宽和速度日益提高，依托互联网或军综网，为军队院校开展远程虚实一体实验教学模式提供了可能。在线实验教学是一种全新的开放式实验教学模式，可以很好地弥补传统实验室在经费、场地、器材及开放性等方面的限制，将有利地推动实验教学体制改革。与线下实验室结合，学员既可在实验室现场实验，也可通过网络进行远程实验，教员可在线上直接进行实验安排、实验指导、报告批改和实验打分等，减少了实验室维护与管理方面的精力投入，节约资源，提高效率，从而构建“线上”+“线下”互补的混合式实验教学模式。

为了探索通信专业基础课混合式实验教学模式，依托线下“通信原理”实验室建设了信息通信在线实验平台，在通信原理、信号与系统等课程的教学过程中实践线上线下混合式实验教学模式。论文给出在线实验平台的构建方案、实验案例对比分析和实践应用效果分析。

一、在线实验平台的建设目的和系统构建

（一）建设目的和解决的教学问题

为推动实验教学体制改革，推进在线实验平台建设是高校实验教学发展的必然趋势，构建线上线下混合式实验教学模式更是实验教学体制改革的重要方向，建设在线实验平台，可以改善和解决以下教学问题。

（1）有效解决突发疫情情况下难以开展线上实验教学的问题。当前新冠肺炎疫情下，为解决停课不停学问题，在线教学成为当前最有效的教学方式，然而目前的网课解决的绝大部分是理论授课部分，而实验教学尤其是实验内容占比较大的课程的教学无法得到保证。依托基于网络的实验平台开展线上线下混合式实验教学可有效解决这一突出问题。

（2）有效解决实验场地承训能力不足与学员实验时间充突的矛盾，学员能在远端随时、随地、随兴完成课程实验，进行设计创新开发，通过分时错峰登陆解决了现场实验保障能力不足的问题；现场实验教学与远端实验教学可并行进行，与项目式课题式实验研究相结合，提升学员实验操作学习自主性。

（3）克服了实验模式单一、实验内容固定的问题，学员可以根据个人的学习进度、学习时间及学习能力，安排实验时间选择扩展实验内容，激发学员实验的积极性，满足个性化发展的教学要求。

（4）混合实验教学方式的建立，减少了教员在实验室维护与管理方面的工作时长，实验室可24 小时无人值守运行，将教员精力解放到为学员指导答疑等方面，提升学员实验课程学习深入程度。

（5）将传统实验内容无法展示的部分通过信息化图形化展示给学员，使学员对知识点掌握速度更快，理解更深刻。

传统的实验教学模式是教员课上教、学员课上学，是一种灌输式的学习模式，其学习效果不佳。而线上线下混合式实验课教学模式则打破了这一学习壁垒，教员利用网络教学平台下放学习任务，学员在课下通过线上教学平台，自主学习、随时学习，对于学习中不理解的问题，线上与教员和同学进行沟通交流。教员能把注意力集中在学员不理解的问题上，这种交流过程不仅提高了学员的自学能力和思维能力，而且也使教员在授课前掌握了本班学员实验教学中的疑难点，从而有针对性地进行备课，提高实验教学效率。

混合式实验教学模式注重提高学员对实验过程的理解能力。通过线上实验课教学，教员有针对性地讲解难点，学员也可以在课堂上更加专注于主动学习，对实验有更深的理解。同时，结合在线实验操作平台，学员在实际实验操作前多次进行在线实验操作，熟悉整个操作过程和实验所需仪器。通过这种教学方法的改革，学员在进行实际实验操作时，基本掌握了整个操作过程，提高了实验的成功率。

（二）信息通信在线实验平台的系统构建

为了探索和实践通信专业课程混合式实验教学模式，立项建设了信息通信在线实验平台。平台基于现有的通信原理实验室升级构建，在现有线下实验基础上增加线上实验功能。只需在现有场地增设机柜一台（内置服务器、硬件实验模块和交换机）、布设网络线路一条。系统可部署运行于实验室局域网、校园网、军综网或互联网。

该在线实验平台采用“硬件设备—服务器（管理平台）—客户端浏览器”的B/S 架构模式，所有硬件电路设备不直接连接客户端，而是由服务器统一管理按需分配给每个用户，客户端在实验过程中测量的数据均由后台硬件电路实际产生，数据真实有效，与实验室实测的数据完全相同，与纯虚拟仿真系统有本质的区别。实验设备采用硬件板卡模式，集成在标准的机箱中，机箱内置于机柜中，占地面积小，方便安装部署及后续课程扩展。在线实验平台系统架构示意图如图1 所示。

图1 在线实验平台系统架构示意图

实验平台采用3U 标准机箱式结构，客户端学生实验均有实际硬件电路对应，硬件资源动态分配，每门课程能并发25 名学生同时实验，系统24 小时无人值守运行，针对用户数量较多的情况可分时登录实验；多个平台可级联。支持信号与系统、通信原理课程，根据需要可进一步扩展数字信号处理、高频电子线路和软件无线电等课程。

操作平台标配多种以实际仪器面板设计的虚拟仪器，学生既能用虚拟仪器实时测量各种电信号，又能训练学生熟练使用实际仪器；实验平台由网管软件和操作平台软件支持，无需单独安装客户端，学员能在电脑终端的浏览器上登陆实验系统、搭建实验电路、配置实验电路各种参数、选择测试点、操作虚拟仪器并实时测量实验数据、截取测试数据和波形和设计并上传电子实验报告，如图2 所示。

图2 搭建电路、配置参数及观测数据

二、传统实验与新实验模式的案例对比

以通信原理课程PCM 编译码实验为例。

传统实验中，PCM 编码用集成芯片实现，需要从信号源获取输入信号，输入到PCM 模块进行编码，后译码，经由双通道示波器显示波形，如图3 所示。

图3 PCM 编译码实验原理图

这个过程需要信号源、对应实验模块、示波器等设备；只能看到输入模拟信号和输出编码数据，芯片完成的带限、抽样、量化及编码过程无法看到，量化原理及PCM 编码规则的具体体现学员也无法很好地与理论衔接，无法确定计算出的编码值是否为输入信号对应的值。学员更多只是看指导书连线，示波器只能观测到原始信号及编码后的信号，中间编码过程无法通过实验进行验证，且大部分学员使用的示波器为双通道示波器，无法同时观测原始信号、编码后信号、译码后还原信号及其他多路信号，学员对于其中原理掌握并不透彻。

新实验方式中，学员可以远程自由选择对应的实验模块进行实验，信号源和示波器可直接远程操作显示，可以将PCM 编码中整个过程中的多个观测点直接进行观测，包括设置输入信号幅度频率、带限输出、抽样脉冲、编码时钟、编码输出、恢复时钟、同步脉冲、滤波信号和译码输出，可通过电子开关切换信号连通状态。内部信号流向简单明了，通俗易懂，且实验操作界面是4 通道示波器，满足同时观测多路信号的需要，示波器可以对任一观测点进行波形展示，示波器界面采用真实示波器面板，操作过程与真实仪器完全一致，达到和学员在实验室操作仪器同样的效果。对抽样、量化和编码过程进行深度分析展示，加深学员对知识点的理解程度。可根据学员实验进度及兴趣，扩展完成二次开发等实验内容，学员可以远程将编写的程序加载到硬件设备上，从系统得到硬件反馈，从而完善调整代码功能。可依据学员学习程度，分层次提供部分二次开发代码，针对性提高学员学习能力。学员完成实验后可在线提交实验报告，教员可在线批改。该实验案例的在线实验过程如图4—7 所示。

图4 在线查阅实验指导书

图5 实验操作连接

图6 实验仪器显示界面

图7 PCM 抽样量化编码过程

三、混合式实验模式的应用效果

2020 年初新冠肺炎疫情爆发后，海军大连舰艇学院舰艇通信指挥专业、舰艇情电指挥专业的通信原理和信号与系统课程依托信息通信在线实验平台开展了网上实验，2021 年，课程组继续针对此2 门课程实践了线上线下混合式实验，实验课采取了一半学员线上一半学员线下的方式进行，通过对比发现：

（1）实验完成度成效明显。自应用新实验教学方式以来，线上实验任务及时完成率100%。而线下实验由于学员不熟悉实验器材及实验箱老旧导致性能不良甚至故障等原因，课堂实验完成率不足50%。

（2）调课补课现象明显减少。由于线下实验室容量有限，即使2 人一组实验，单批次人数也不超30 人，对于50 多人的班次，需要额外调课或补课，而当堂实验任务没有完成，则需要开放实验室学员额外补课完成实验，大大增加了学员和教员的时间投入。线下线上混合实验恰好能弥补此问题，实际授课过程中，指定线上实验项目人为设定对学员限时一周开放，学员只要在限定时间内完成实验即可且不限地点，线上实验错时登陆总体上不限人数，而线下实验任务没有完成的允许做线上实验弥补。由此，混合式实验方式线下补课补做率由60%降为0，同时也大大节约了教员和学员的时间和精力。

（3）学员积极性明显提高，学习深度加深。从实验报告提交质量来看，线下实验学员能勉强完成实验任务且很少有人主动完成拓展实验，而线上实验由于时间较充裕且实验进程更加顺利，使得学员积极性明显提高，有30%的学员能主动完成拓展实验，有10%的学员愿意尝试二次开发功能。

（4）教员精力投入方向明显转变。线下实验教员要维护实验设备，课前保障设备完好率，课后要检查整理设备，大大占用了教员精力。而线上实验24 小时无人值守运行，无需人工维护，教员的精力可大大转向实验指导方向。混合式实验方式可使得教员管理维护时间降至原来的30%，实验指导时间提升至原来的200%以上。