后疫情时代以智慧实验室为依托的混合式实验教学模式探索

杨 祯

（中南财经政法大学，湖北 武汉 430073）

2020年疫情期间，全国上下统筹疫情防控和教育改革发展，各高校积极响应，利用网络教学等手段实现“停课不停教、停课不停学”，达到了“三稳”、实现了“四变”、做到了“实质等效”[1]。以中南财经政法大学为例，共有2563个本科课堂，疫情期间2457个课堂线上授课，开课率达95.86%；实验实践类课程共104个课堂，但只有73个课堂线上授课，开课率仅为70.19%。数据表明，疫情期间实验课程的开课率远远低于总体开课率。

目前，国内疫情防控已进入稳定阶段，我们不可能、也不应该退回到疫情之前的教与学状态，需在疫情前“常态”与疫情中“非常态”的基础上全面重构后疫情时代教育的“新常态”[2]。“互联网+”“智能+”等在线教学已成为高等教育的重要发展方向。高校教育教学将进入教育与技术全面“融合”的新常态，混合式教学将成为高校教育教学的主模式[3]。

但目前混合式实验教学存在实验设备的智能化程度不高、教学管理的信息化程度不足、教学方案设计的合理性有待考量、线上线下混合深度不够、虚拟仿真实验课程建设覆盖面不广、学生自主学习的监控力不强、数据分析决策不到位等问题。探索如何以信息技术为依托构建智慧实验室、教学平台、数字校园等促进教育教学环境信息化、智能化发展，如何保证线上教学与课堂教学的深入有效融合，如何保证混合式教学与线下教学的实质等效，如何打造混合式实验“金课”等，具有深远的现实意义。

一、文献研究与理论框架

（一）混合式教学的理论框架

混合式教学有广义与狭义之分。广义上的混合式教学包括学习理论、教学媒体、教学模式、教学方法等多种意义上的混合。狭义上的混合式教学专指线下和线上教学的混合[4]82。

国内外混合式教学的概念演变经历了3个阶段：技术应用阶段、技术整合阶段（20世纪90年代—2013年），以及“互联网+教育”阶段（2013年至今）[5]13。“互联网+”时代的混合式教学更关注个性化知识的习得与创造性知识的生成，不再是基于信息技术对传统课堂教学的简单搬运或课外延伸，而是为学生创造一种真正高度参与的个性化的学习体验，是“以学生为中心”的学习环境下教学与辅导方式的混合[6]8。

疫情期间，各高校积极开展线上教学，在应对危机的同时也为混合式教学积累了经验。混合式教学应以“金课”所提出的两性一度（高阶性、创新性、挑战度）为出发点，以培养创造性解决问题的专家思维为教学目标，对“教师的教”和“学生的学”提出了更高的要求，必须通过整体性的设计才能充分发挥线上、线下教学的优势[4]83。

混合式教学的本质是为学生创建一种真正高度参与的个性化的学习体验。教师不再是课堂的决策者和唯一传授者，而是学生学习活动的设计者和组织者。教师需针对混合式学习环境下如何促进学生学习进行重新设计，包括对学习目标重新审读，对学习内容与过程重新组织，对教学方式重新调整，对学习模式与策略重新整合，对评价模式重新设计。教师同时也是学生自主学习和小组协作学习的支持者，在学生自主或小组协作开展问题解决或任务探究的过程中从旁协助，为学生搭建学习框架，提供建设性意见[6]9。

（二）混合式教学的研究现状

冯晓英等分析国内外混合式教学的相关文献发现，当前混合式教学存在实证研究少、理论研究落后于实践应用等问题，需要重点关注“互联网+”混合式教学模式研究[7]14。刘徽等通过对多份混合式教学设计方案进行评估，指出当前混合式教学存在的难点，并提出混合式教学设计要有逆向思维、要贯穿全过程、要搭建支架的建议[4]85。李政涛等提出“双线混融”的概念，强调从“混合”走向“融通”，要求线上教学与线下教学“你中有我”“我中有你”，教学设计更加注重“融通思维”，从“历时性”向“共时性”转换[7]。郭婉瑢等指出，智慧学习环境下应对学习者的内部学习动机和技术接受度给予更多的关注，以促进学习者更好地融入智慧学习环境，从而提升学习者的学习效果[8]。冯晓英等从教师教育层面和机构支持层面提出了促进混合式教学改革、提升教师混合式教学准备度的策略建议[9]。阎群等以创新性实验项目为载体，提出了CDIO-OODA工程教育理念与项目驱动相结合的混合实验教学理念，并构建了PBL混合实验教学方法[10]。

上述相关研究为混合式教学设计提供了有力支撑，从目标设计、内容设计、方法设计、资源设计、评价设计多方面给出指导，但目前的研究多以理论课程为主，针对实验实践课程的混合式教学设计研究较少。文章以实验课程的混合式教学为切入点，以智慧实验室为依托，充分利用线上线下混合的优势，探索智慧实验室如何更好地服务于实验教学，通过数据分析如何优化混合式实验教学方案、如何及时获知学生的课堂学习效果，根据反馈信息如何促进智慧实验室建设等，不断优化混合式实验教学模式设计，形成教学质量不断提高的闭环系统。

二、混合式教学模式下智慧实验室的构建

《教育信息化2.0行动计划》提出开展智慧教育创新发展行动，要求以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，积极开展智慧教育创新研究和示范，推动新技术支持下教育模式的变革和生态重构[11]。智慧实验室的构建为开展智慧教育活动提供了有力的环境支撑，是完成教育信息化2.0行动计划的有效途径之一[12]。智慧实验室是在传统实验室的基础上，融合物联网、云计算、大数据等技术，实现实验室环境监测与安全监控自动化、实验设备智能化、实验资源共享化、实验管理有效化、实验教学混合化，达到实验人员、实验资源、实验教学等与信息技术的深度融合。

混合式实验教学一直是混合式教学的短板，为了更好地服务于“教师的教”和“学生的学”，特构建混合式教学模式下的智慧实验室。针对混合式教学面对面学习前、面对面学习中、面对面学习后、实验考核、教学评价5个环节，设计并构建了一套智慧实验室系统，体系架构如图1所示。

图1 混合式教学模式下智慧实验室体系架构

该系统分为感知层、传输层、应用层。感知层通过传感器感知外部环境实现底层数据采集；传输层通过NBIOT/LoRa/ZigBee/Bluetooth、2G/3G/4G/5G等通信技术进行数据传输；应用层使用云技术对数据进行处理，对应服务于设备管理、安全监控、课堂考勤、教学管理、数据分析5个子系统。

设备管理系统主要针对大型仪器采购程序烦琐、实验设备管理混乱、借用维修记录缺损等问题进行设计，实现实验设备的采购、入库、借用、维修、报废、统计等一体化服务。同时实现各专业、各院系，甚至同城高校之间大型仪器设备、正版软件、基础数据的互通共享，无须耗费大量资金进行采购与设备维修，而且可提高设备的利用率，以达到节约资源、控制成本的目的。同时在设备共享的过程中，须考虑数据安全隐私的问题，保证各用户之间数据独立或授权访问。

安全监控系统完成实验室火灾、爆炸、盗窃、漏水等安全事故的监测与预警，在事故发生前自动切断电源、启动消防栓等，将损失降到最低。同时，对温湿度、光照、二氧化碳浓度等环境参数实时监测，并对空调、抽湿机、窗帘等进行控制以保证舒适的实验室环境，更好地服务于“教师的教”与“学生的学”。

课堂考勤系统包括线上与线下教学两部分：线上教学时可直接统计学生上线信息得出考勤结果，但须考虑解决学生“代上线”或“仅上线未学习”等问题；线下教学时采用基于人脸识别的考勤系统，上课开始后由摄像头自动扫描获取视频流，并通过人脸图像的截取与人脸识别系统确定到课学生，缺勤学生一目了然，不占用课堂时间，方便高效[13]。教学管理系统具备实验室预约、师生交流讨论、实验报告管理、实验室督课与巡视、实验课程考核等功能，实现实验课程课前预习、课堂教学、课后分析、扩展训练、课程考核多个阶段的智能化管理，同时嵌入虚拟仿真实验教学平台，保证线上线下教学模式有效结合的同时，还能有效推动虚拟仿真实验课程的建设。

数据分析系统通过对学生学习习惯、话题讨论、课堂表现、实验操作、课程考核、课堂评价等学习行为与学习数据进行实时分析，为教师制定精细化的教学方案、调整讲课内容或模式、教学评价等提供指导依据。

智慧实验室的构建是依托现有校园网络系统配套开发与本校实验课程相适应的教学平台，给实验教学管理和实验教学的全过程提供了技术支持，智慧实验室云平台能全流程介入线上线下教学的各个环节，并进行实时的信息收集、数据抓取与数据分析，有助于把握混合式教学的实际效果。另外，自建的智慧实验室云平台能够确保数据信息安全，完整记录教师授课、学生学习和课堂互动、实验实操、实验考核、课后评价的过程，进而对混合式教学过程中教师和学生的关键行为进行场景捕捉和分析，便于充分挖掘教学数据的价值，为混合式教学质量评价提供有力的数据支撑[14]。

三、混合式实验教学模式探索

以智慧实验室为依托，参考Garrison提出的四阶段串联型设计，即面对面学习前→面对面学习→面对面学习后→下次面对面学习前设计的混合式实验教学模式如图2所示。

图2 以智慧实验室为依托的混合式实验教学

实验教学分为课堂教学、考核评价、分析反馈3个环节，每个环节有线上、线下两种模式；智慧实验室的设备管理、安全监控、课堂考勤、教学管理、数据分析5个子系统贯穿始终，在不同的学习阶段发挥不同的作用。

课堂教学环节分为面对面学习前、面对面学习中、面对面学习后3个阶段。在面对面学习前的线上模式中，教师明确教学目标、收集资源制作视频、引导学生线上学习，学生观看视频完成实验预习，师生通过交流互动平台就实验器材、实验原理、实验操作进行讨论；线下模式中，学生可在课余时间通过教学管理系统进行实验预约与设备借用，熟悉实验仪器设备、了解使用规范。

面对面学习中，教师根据面对面学习前行为数据和论坛答疑情况设计课堂内容与进度、调整教学重难点、解决学生的共性问题，帮助学生把碎片化的知识整理成体系并内化吸收；同时按照教学目标设置实验项目考核，检测学生是否达成教学目标[15]。线上模式中教师通过网络平台完成实验讲解，学生线上打卡考勤，通过云平台完成虚拟仿真实验；线下模式中，教师指导学生完成实验操作，对重难点进行讲解练习，并通过人脸识别系统完成自动化考勤。

面对面学习后，教师根据面对面学习中反馈的数据针对性地、分层次地设计课后实操。线上模式中，学生可通过云平台完成实验并就疑难问题与教师讨论；线下模式中，学生通过实验预约与设备借用进入实验室，完成实验数据的处理，并撰写实验报告。一个实验项目完成后，进入下一个实验项目，即“下次面对面学习前、下次面对面学习中、下次面对面学习后”的循环。在循环教学中，推荐使用“教师为主、助教为辅”的教学模式，配备研究生课程助教，帮助任课教师制作视频脚本、准备课程资源、收集共性问题、课前课后答疑等，一方面丰富课程资源，加强课外指导，更好地提高实验教学质量，另一方面有利于助教自身能力的提升。

考核评价环节分为实验考核与教学评价两个阶段：实验考核发生在课程结束后，线上模式中，学生直接通过虚拟仿真实验完成课程考核；线下模式中，学生在实验室完成实操考核。教学评价发生在实验考核后，线上模式中，师生通过评教系统对所教所学进行评价，最后形成评价报告；线下模式中，师生通过讨论座谈会的形式对所教所学进行总结评价。

分析反馈环节主要是对整个过程获取的各类数据进行分析，包括实验环境是否安全舒适，如何进一步为师生提供更好的服务；实验资源利用是否合理，哪些教学资源需要进一步完善，哪些仪器设备需要更新换代；课堂表现是否良好，“教师的教”“学生的学”是否协调有度；教学设计是否得当，哪些方式需要改善；线上线下混融效果是否良好，哪些环节需要调整。教师通过数据分析，获得反馈，推进智慧实验室建设的逐步完善，促进混合式实验教学模式进一步优化。

文章依托智慧实验室完成混合式实验教学设计，将智慧实验室的设备管理、安全监控、课堂考勤、教学管理、数据分析5个子系统融入到实验教学的课堂教学、考核评价、分析反馈3个环节。同时，文章指出通过智慧实验室云平台，对线上线下教学环境、教学设施、实验设备、教师教学、学生学习等过程数据进行收集分析，可为智慧实验室改造、混合式教学设计的优化提供指导依据，形成一个教学质量不断提高的闭环系统。未来混合式教学与学习分析的结合是一个必然的研究趋势，进而为这两个领域带来突破性的发现与发展。