电子信息类专业线上实验教学模式的实践探究

姚丽娜 潘杨 李云红 张烨 苏雪平

关键词：电子信息类；线上线下融合；远程访问；实验教学

1 引言

2020年，为了保障高校课堂教学的正常进行，教育部发布了《关于在疫情防控期间做好普通高校在线教学组织与管理工作的指导意见》[1]。全国各个高校积极贯彻落实，学校组织师生有序开展在线教学，师生齐心协力保障课堂及实验教学的正常开展。

实验教学是高校工科专业重要的实践教学环节，能够使学生深入理解理论知识，提高学生理论联系实践的能力、动手操作能力及创新实践能力[2-4]。学校电子信息学院电子信息类专业包括电子信息工程、通信工程、電子信息科学与技术，这类专业的培养目标中，均对学生的实践动手能力有一定的要求[5]。疫情期间，传统的线下实验教学无法正常进行，为此教育部组织在线教学平台免费开放401门国家级虚拟仿真实验课程。但是由于各个高校同一专业同一课程的教材、教学目标及大纲不同，尤其是专业核心课程，因此大部分虚拟仿真实验课程不能完全与各个高校的实验教学大纲匹配[6]。为了保证实验教学按照专业实验教学大纲进行，针对软件仿真类实验，本文提出了腾讯会议+学生远程操控实验室电脑的线上线下融合实验教学模式，实验教师提前调试好实验室电脑，课堂上学生通过网络远程连接实验室电脑完成相应的实验，教师可以实时观测到每个学生的实验情况，教学效果良好。

2 电子信息类专业实验现状

在国家人才培养机构体系中，电子信息类专业是本科专业体系中的重要组成部分[7]。电子信息类专业是工程技术性很强的工科专业，为了使这类专业的毕业生更好地为人类社会服务，必须将理论工程技术转化为相应的电子、通信设备、产品及系统，并对这些设备、产品和系统进行维护[8]。因此，实验教学作为培养电子信息类各专业学生工程实践能力和创新能力的有效途径，必须发挥其有效优势。

2.1 专业课程设置

电子信息类专业的培养目标是在电子工程、信息工程、电磁场与微波技术、应用电子技术和计算机通信等方面培养具有扎实的理论基础、宽广的知识面、较强的创新能力、科学研究能力和工程实践能力的高级工程技术人才[9]。学校电子信息学院电子信息类专业的主要课程包括电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统、微机原理与接口技术、数字信号处理、数字图像处理、通信原理、现代电子系统设计、嵌入式系统、单片机原理及应用、现代DSP技术、信息论基础、FPGA应用及开发技术、电磁场与电磁波、自动控制原理、传感器技术等专业基础课和专业核心课程，同时还设有多种专业综合实践及工程训练课程。

2.2 传统的实验模式

1） 线下课堂教学

电子信息类各专业的实验教学目前最主要的教学模式仍然是线下课堂现场教学，这种模式具有不可替代的地位和优势。线下教学不仅需要一定的场地、空间、仪器设备及实验室管理人员，而且还要保证实验室的安全等，同时随着技术的不断进步，相关的技术理论的不断更新，实验教学也要进行相应的改革创新，这就需要及时更新仪器设备，这样才能使学生更好地适应社会的发展[10]。疫情的暴发使得传统的线下实验不能正常进行，需要采用线上实验教学模式[11-12]。

2） 虚拟仿真实验教学

由于线下实验教学受到场地、空间、经费及设备等方面的限制，虚拟仿真实验为实验教学提供了有效途径[13]。虚拟仿真实验课程建立在一个虚拟的实验环境之上，注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。虚拟实验的实现将有效缓解很多高校在场地、设备等方面面临的困难，突破传统实验对时空的限制，无论是学生还是教师，均可以自由、随时随地进入虚拟实验室进行各种实验，有助于提高实验教学质量。目前全国已建立多个国家级虚拟仿真实验中心，为线上实验教学提供了有效的平台。

3 线上实验教学实践

尽管虚拟仿真实验平台能够实现线上实验教学，但是平台中的实验项目与各个高校的专业实验大纲不匹配，尤其是部分专业核心课程，因此依据学校电子信息类专业实验教学的实际情况，针对软件仿真类实验，本文提出了腾讯会议+学生远程访问实验室电脑的线上线下融合实验教学模式，具体流程如图1所示。

3.1 腾讯会议+远程访问线上实验方案

电子信息类专业的实验大部分均可以使用软件工具进行仿真，针对软件仿真类实验，采用腾讯会议+学生远程访问实验室电脑的线上线下融合实验教学模式，解决了在线教学平台的实验项目与本校实验大纲不匹配的问题，保证了实验教学的正常开展。

课前，首先学生需要在个人电脑安装腾讯会议及远程访问软件，同时实验室电脑安装远程访问软件，实验教师记录每台电脑的远程访问账号和密码。然后根据一定的规则为每个学生分配所访问电脑的账号和密码，学生电脑及实验室电脑必须连接互联网，否则不能实现远程访问。实验室预留部分电脑，预防个别电脑出现系统问题导致实验无法正常进行的情况。实验进行过程中，学生可在个人电脑和实验室电脑中自由切换，通过腾讯会议或其他通信方式与指导老师沟通实验过程中的问题，实验指导教师可根据每个学生的实验操作情况给出客观的评分。课后，学生根据实验结果书写电子版实验报告，教师批改报告给出评分。

3.2 线上实验设计

远程操控软件以Teamviewer为例，课程以信号与系统中连续信号的时域分析实验为例。Teamviewer是全面的远程访问、控制解决方案，能够远程访问位于全国各地的计算机或移动设备，为学生永久免费开放使用[14-15]。该软件可以安装于Windows、Android及macOS版本的设备，操作便捷，安装方便，安装成功界面如图2所示，界面中有分配给本机的账号和密码，需要远程访问此电脑的用户在Teamviewer软件界面中输入此账号和密码，即可远程访问此电脑。

由于学生个人电脑的型号、操作系统等系统兼容问题，Matlab安装版本不同，甚至个别同学不能成功安装该软件，而实验室电脑软件安装版本统一，实验所需的软件均已安装，便于指导老师及时解决实验中的问题，因此远程访问实验室电脑进行实验有利于提高线上实验教学质量。远程访问实验室电脑之前，必须保证实验室电脑全部连接到互联网中，课前每个学生按照分配给自己的电脑远程访问实验室电脑，分配的账号密码如图3所示。

所有学生提前15分钟远程访问实验室电脑，课上实验指导老师利用腾讯会议共享桌面的形式，为学生讲解演示本次实验内容、要求及注意事项，共享过程如图4所示。

实验内容讲解完成后，学生们即可在各自连接的电脑上进行实验，实验室现场情况如图5所示。实验过程中，实验指导教师可以实时观测每个学生的实验过程，并且能够快速解决实验过程中遇到的问题，与学生线下实验过程无异，不同的是学生向老师提出问题的方式是通过腾讯会议、QQ群或者微信群实时提出。同时，指导教师也可远程访问学生的电脑进行其他问题的解决。

待实验结束后，指导教师现场检查实验结果并对存在的问题提出现场指导，同时可对学生进行问题质询，及时得到学生的答复，现场对每个学生的实验操作部分进行打分，保证实验圆满结束。课后学生及时向老师提交电子版实验报告。

4 线上实验教学总结

根据电子信息类专业的主要课程设置可以将实验分为四种：软件仿真类实验、硬件类实验、软件+硬件平台综合类实验、大型设备类实验，针对以上四种类型分别探讨不同的线上仿真实验教学模式。

1） 软件仿真类

例如数字信号处理、信号与系统、数字图像处理等课程，该类课程的实验主要进行相关理论的验证及综合应用设计，该类课程仿真工具使用Matlab软件，Matlab软件同时提供Simulink可视化仿真工具，因此线上实验可以采用腾讯会议+远程访问的线上线下融合实验模式。

2） 硬件类

例如电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术等课程，该类课程传统的线下实验主要是利用实验箱或面包板进行基础定理的验证。EDA技术的发展为该类课程的线上实验提供了有效的平台，常用的仿真工具为Multisim软件，因此线上实验也可以采用腾讯会议+远程访问的线上线下融合实验模式[16]。

3） 软件+硬件综合类

例如现代DSP技术、现代电子系统设计、FPGA应用及开发技术等课程，该类课程涉及实验箱或开发板及对应的软件开发工具，因此线上实验可以利用相应软件开发工具的软件仿真功能进行实验，例如CCS的Simulator功能，Modelsim仿真软件，因此线上实验同样可以采用腾讯会议+远程访问的线上线下融合实验模式。但是，并不是所有的实验都可以利用仿真实验来代替，这类实验可以利用传统的线下教学来补充，或者如果硬件平台不需要复杂的连线，指导教师线下将所需硬件平台连接好，学生远程访问电脑进行软件编程设计。

4） 大型设备类

电子信息类专业大型设备类的实验课程不多，对于大型设备类的实验可以借助虚拟仿真实验平台来进行[17]。

以上类型的实验均可利用虚拟仿真实验课程的平台来进行，但是由于学生的个性差异化，学习自觉性及主动性不同，不能保证一定的实验教学质量，因此仍然需要探索更匹配有效的线上实验教学模式。

5 结束语

电子信息类专业线上实验教学模式的探索与实践，是在疫情及互联网发展的背景下，根据学校电子信息类专业实验的实际情况，针对软件仿真类实验设计并实践的。腾讯会议+学生远程访问实验室电脑的线上线下融合实验教学模式，解决了虚拟仿真平台的实验项目與专业实验大纲不匹配的问题，实验教师在实验室对每一个学生的实验情况可以做到了如指掌，克服学生在家学习的惰性，按照上课时间认真有效地完成实验，深入理解掌握理论基础知识，更好地将理论知识应用到实践中，有效地提高了实验教学质量，提升了学生的学习热情和积极性，实践表明该模式取得了较好的教学效果。