基于信息技术的电工电子基础实验课程线上线下融合教学研究与实践

伍远征 邢毓华 王加祥 刘宇坤 姜玉泉 西安理工大学自动化与信息工程学院

电子技术基础实验、电工电子技术基础实验、模拟电子技术基础实验、数字电子技术基础实验等电工电子基础实验课程是笔者所在学校非电类工科专业的必修专业基础课程，属于独立设置的实验课程，其目的是提高学生理论联系实际的动手实践能力，激发学生创新意识，培养一定的创新能力，为将来从事工程技术工作打好基础。电工电子基础实验教学进度通常与相应理论课程保持一致，但由于其侧重现场实践操作，高度依赖实验场地及实验仪器等教学条件，所以其教学极易受突发因素干扰而中断推迟，与理论课程节奏脱节，严重影响实验教学效果。[1]

然而，教育信息化在互联网、大数据、虚拟现实、人工智能等信息技术的带动下迅速发展，信息技术与教学实践深度融合，混合式教学模式成为一种符合时代要求的新型教学模式。因此，如何有效开展实验教学受到越来越多的关注，其中关注较为广泛的是在线实验教学，针对有效开展在线实验教学所采取的最典型的措施有在线虚拟仿真[2]和基于在线实物实验平台的远程真实实验[3-5]以及线下软件工具虚拟仿真与口袋实验室的虚实结合[6-8]等。基于软件的虚拟仿真是根据理论模型进行计算分析，与实物电路之间存在不可消除的差异，如阻抗频率特性、元件参数差异、电路线缆分布参数、接触电阻、电路环境干扰等。[9]在线实物实验是对真实电路元件进行远程连接、测量、观察实验结果，虽然很大程度上弥补了纯软件仿真带来的实际动手能力训练问题，但其依赖的操作平台需要一定的投入建设，对于实验条件建设经费支持力度较弱的某些高校而言，可推广性不强。因此，基于现有实验教学条件实施且不依赖额外建设投入的电工电子基础实验课程的线上线下融合教学研究与实践具有重要意义。

●教学理念的提出

为提升电工电子基础实验课程教学效果、效率、效益，促进学生主动把学习、兴趣、观察、实践同思考紧密结合起来，全面提升和发展学生核心素养，确保常态化防疫的处境下实验教学实施富有弹性、效果不减，笔者围绕“有效教学”教育理念和“学为中心、目标导向、持续改进”的工程教育专业认证核心理念[10]，融合翻转课堂和BOPPPS（Bridgein，Objective，Pre-assessment，Participatory Learning，Postassessment，Summary）模式[11-13]的内涵，梳理剖析实验教学全过程，解构实验教学各环节，优化重组诸要素，提出了基于实验课程的线上线下融合教学理念。

电工电子基础实验课程教学全过程包括实验准备（或预习）、实验操作采集数据、实验数据验收以及总结等关键要素，贯穿于课前、课中和课后三个环节。在实验课程混合教学中，线上的教学成为必备活动，是实验准备（或预习）落实到位的保障；线下的教学是基于线上的前期预习成果而开展的更加深入的教学活动，是实践操作落地生效的关键；实验数据整理以及总结是理论联系实际、知识吸收内化和实践能力生成的根本保证，可以视“线上”或“线下”的具体情况组织实施。

●教学设计

笔者围绕实验准备、实验数据采集、实验总结等核心要素，将电工电子基础实验课程教学全过程分为“课前”“课中”“课后”三个环节，具体如右图所示。

1.课前

（1）引入

实验课的引入，尤其注重引发学生的兴趣。例如，在单相桥式整流电容滤波及并联稳压电路实验中，提问：日常生活中使用的手机充电器的工作原理是什么？让学生带着疑问和兴趣进行实验，也可将实验结果以图片或视频的方式展示给学生，以明确目标、增强信心、提高效率。引入在课件里体现，引入环节在学生预习课件时实现。

（2）目标

同引入，均在预习课件中体现。

电工电子基础实验课程线上线下融合教学实施流程

教师完成备课和备实验，采集实验数据、实验过程图片（能展示实验板和仪器仪表的接口、开关、旋钮等与操作紧密相关的细节），设计制作课件和测试题卷。上课前一周发布课件。学生参考课件和实验教材，完成实验准备。复习与本次实验有关的理论课内容，根据理论课的分析计算方法，将实验报告中要求的理论计算值及图表预先完成，确保实验测量时心中有数，能对实验结果正确与否做出判断；了解实验中涉及的实验板、仪器仪表，清楚各接口的连接关系、按键旋钮开关的功能，确保动手操作时有条不紊。学生可通过完成课件中设置的测试题，检验预习情况。如遇无法自行解决的疑点，可线上求助教师答疑解惑。教师在答疑的同时，可通过雨课堂、Moodle、智慧树等智慧教学工具或平台了解掌握学生课件预习及自测情况。

2.课中

（1）前测

可在学生动手操作之前，先进行预习测试，通过设置的选择题测试学生对理论知识或者操作中重难点的掌握情况，这样既可以摸清学生的预习情况，又可以提高后续讲解的针对性。

（2）交互

即参与式学习，学生动手做实验，连线、操作仪器，分析结果以及排除故障。教师密切关注学生实验进展情况，非必要尽可能不干预学生。对学生遇到的个性问题，教师进行点拨，与学生进行交互，引导其探究现象背后的原理；对学生的共性问题，教师可归纳总结成注意事项或常见故障排除方法，通过课件呈现给学生，在确保安全的前提下尽量给学生试错摸索的机会，让问题倒逼学生理论结合实验思考如何解决故障，提升自主学习实践能力。教师在学生完成实验任务后，对其实验数据进行验收，点评反馈实验完成情况，帮助学生提升实验能力。在教师验收完实验数据后，学生完成实验报告。实验报告采用电子试卷形式，学生上传提交实验数据表格的照片或截图，显示实验电路连线以及示波器或其他仪器结果的照片。

（3）后测

了解该课程是否达到教学目标，即学生在实践之后是否能充分理解理论、解释实验现象。后测通过客观选择题进行，除实验报告外，学生还需完成思考题等实验总结部分的内容，该部分以客观选择题的形式呈现，考查学生掌握实验操作关键细节、根据理论分析实验结果数据的能力，引导学生梳理归纳实验内容，加深对理论的理解，强化学生对理论的实验验证能力。

（4）小结

对课程知识点进行阶段性总结，整理实验数据，绘制曲线、波形，完成思考题。在思考题中合理设置问题，也可起到承上启下的作用。本次的小结也是下次的引言，实验报告中设置一道与下次实验相关的选择题，作为下一次实验的引子。

3.课后

教师通过智慧教学工具平台在线批阅实验报告，查看试题结果分析；实验教学情况及时反馈，可供学生查漏补缺；教师动态调整、优化教学针对性，持续改进实验教学。

●教学过程性评价

过程性评价是实验课程线上线下融合教学有效性的根本保证和有力抓手，借助雨课堂等智慧教学平台的数据统计功能可以实现实验教学全程数据自动收集汇总统计，教师可以专注于考核点设置、权重分配，关注每位学生在实验学习过程中的具体表现，采取有效策略，保证过程性评价可信度。

过程性评价内容包括实验准备、实验数据采集、实验总结、综合素养等方面，考核标准为：实验准备（20%），主要考核学生实验准备情况、理论计算值是否正确、实验内容与步骤是否明确；实验数据采集（55%），主要考核学生实验操作情况、仪器仪表使用是否熟练、电路搭建与调试是否合理规范、实验结果是否正确；实验总结（15%），主要考核学生理论结合实际解释实验现象与结果的能力；综合素养（10%），主要考核学生出勤情况、规范操作和劳动素养等。

为实现过程评价考核，在实验数据采集环节依据实验任务设计若干个考核点，学生逐个完成实验任务，通过雨课堂试卷形式上传实验数据和波形图像。教师在线同步审阅实验数据和波形图像进行验收并评分，如果分数不达标，学生需重做实验，允许学生多次实验并上传实验结果，但分值将逐次加权（如0.9）。

基于智慧教学平台实现过程评价考核，可将签到考勤、课件预习、课堂表现、实验操作、仪器使用、实验数据整理、思考总结、综合素养等方面纳入考核范围，依托智慧教学平台客观评分，有效提高学生对实验课程的重视程度，提高实验教学的有效性。

●教学实践

实验教学的核心在于“实践”，电工电子基础实验课程线上线下融合教学围绕这一根本原则，除实验数据采集和验收环节学生直接实践之外，在预习课件、预习测试、实验报告和总结测试的内容设置中也充分体现实验实物图示、工程案例以及实测数据，为学生间接实践提供支持。笔者认为，实验课程线上线下融合教学在实践中应关注以下方面。

一是实验教学应注重运用教学课件，提高实验教学效率。针对某些仅配备黑板而没有配备投影等其他电子显示设备的实验室教学环境，教师和学生可使用手机或各类便携式计算机终端，借助智慧教学工具平台实现教学课件交互。在教学课件中除了实验基本原理的回顾，实验课的实验电路、仪器设备也是讲解的重点，通过课件可以将实物图呈现给学生，讲到每一个操作细节，学生都能即时同步观看。学生如果听课有遗漏，可通过课件进行回顾。课件可以详细归纳总结实验原理，与实验衔接对应，也可拓展引申，为学生课前预习完成实验准备提供支撑。

二是实验教学应注重运用预习测试，提高实验教学效率。预习测试可采用雨课堂试卷形式，设置两道选择题，测试内容瞄准实验结果对应的理论值，如戴维南定理实验的开路电压和等效电阻，或者实验操作中的关键操作步骤。交卷时间可设置为两分钟，在现场监督学生完成。教师可参考测试结果数据，掌握学生的预习情况，进而针对学生的疑点进行简明扼要的讲解，为后续学生实践操作做好铺垫。

三是实验教学应注重运用电子实验报告，提高实验教学效益。与纸质实验报告相比，电子实验报告操作更方便，能呈现的实验过程细节内容更丰富、批阅更快捷、反馈更及时。实验数据和总结报告可采用雨课堂试卷的形式实现，统计成绩、资料存档、实验报告分发和回收以及教学数据管理更高效。需要注意的是，电子实验报告的分布和回收应尽量在课内有教师监督的情况下完成，将学生作弊的空间压缩到最小，确保成绩评定的公平公正。

四是实验数据采集通常在实验室现场完成，实验准备和实验总结可以线上方式进行，实验数据采集可根据实际情况采取口袋实验室、虚实结合实验、远程在线实物实验等方式完成；条件不具备的，可先行提供实验数据结果案例素材让学生先行间接实践，实验数据采集随后择机完成，应尽量避免以虚拟仿真软件完全代替实际操作。

五是实验教学应注重运用弹性机制，提高实验教学效率。在学时分配不变的情况下，学生可以在完成必做实验后继续选做实验，或者在预先完成实验准备的前提下超前进行其他必做实验，使实验进度富有弹性，实验操作效率大幅提升。

●教学成效

笔者利用SPSS软件对近三年电子技术基础实验课程成绩数据进行克鲁斯卡尔-沃利斯检验。数据显示，学生成绩等级值为1、2、3、4、5，其标签分别为优秀、良好、中等、及格、不及格；学年分组为2020、2021、2022年春季学期，其中2020年采用的是传统教学模式，2021、2022年采用的是线上线下融合教学模式。分析结果显示，学生成绩等级分布存在差异，显著性水平小于0.05，差异有统计学意义。笔者进一步比较，结果显示2021年与2020年比较、2022年与2020年比较，显著性水平小于0.05，差异有统计学意义；2021年与2022年比较，显著性水平大于0.05，差异无统计学意义。2021年与2022年学生成绩等级的中位数为2（良好），而2020年学生成绩等级的中位数为3（中等），说明电工电子基础实验课程线上线下融合教学模式提高了学生的实验课程总体成绩，一定程度上说明实验教学质量有所改善。