基于Android Studio 的电工学实验教学辅助平台开发与应用＊

付兴兰，赵士林，曹亮，马驰，李光林

（西南大学工程技术学院，重庆 400715）

2018 年教育部发布的《教育信息化2.0 行动计划》明确提出 “构建网络化、数字化、智能化、个性化、终身化的教育体系，建立人人皆学、处处能学、时时可学的学习型社会，打造适应学生自主学习、自主管理、自主服务需求的智慧实验室，构建功能集约、资源共享、开放充分、运作高效的实验教学平台” 的总体要求[1]。同年，教育部提出了高阶性、创新性、挑战度（“两性一度”）金课建设的标准，号召革新传统教学，不断更新教学理念，丰富教学内容，改革教学方法，最大化地挖掘学生潜力[2]。2021 年12 月，中央印发了《“十四五” 国家信息化规划》，首次明确提出“开展终身数字教育” 的要求，并指明了在 “十四五” 时期要利用信息技术完善教育教学环境、优化教育资源供给、加快教学方式改革，为构建面向每个人、适合每个人、更加开放灵活的教育体系提供强有力支撑[3]。上述的政策和规划为高校教学新模式的发展指出了明确方向。而OBE 作为一种先进的教育理念，已被证明是高等工程教育改革的正确方向[4]。因此，在OBE理念引导下，积极推进教育教学改革，对中国高等教育更好地适应国家及经济社会发展至关重要。

实验教学作为整个教学活动的重要组成部分之一，是指教师以教学项目为基本单元在实验室对学生开展的一项教学活动[5-9]。实验教学的目的是通过实验设备、实验手段及实验现象加深学生对理论知识的理解和掌握[10-13]。因此实验教学环节在整个教学环节中有着举足轻重的作用，既是基础理论知识的内化，也是理论知识的升华。

因此，本文在对传统电工学实验教学现状分析的基础上，剖析传统电工学实验教学存在的主要问题。结合OBE 理念，进一步地提出新的教学模式，同时基于Android Studio 搭建一款电工学实验辅助平台开展新的教学模式，为电工学实验教学建设提供技术参考。

1 电工学实验教学现状分析

“电工学” 是高等教育工科类非电类专业的一门重要的专业技术基础课程。通过本课程的学习，学生获得电工技术方面的基本概念、基本原理、基本分析方法和基本技能，掌握电工学的相关理论和方法。电工学实验作为电工学课程的实践教学环节，通过实验使学生掌握电工学的相关理论和方法[14-15]，培养学生分析问题和解决问题的能力，为以后的学习、创新和科学研究工作打下扎实的理论和实践基础[16-19]。

目前电工学实验课程共包含16 个实验，其中14 个为验证型实验，2 个为设计型实验，具体教学模式如图1 所示。从图1 可见，理论讲授、实验讲解和成绩评定3 个环节由教师主导，实验预习、实验操作和实验报告由学生自主完成，而学生和教师仅在实验操作环节有交叉。因此，该教学模式存在以下问题：①教学模式单一。目前的实验教学以验证型实验为主，教学模式单一，实验项目没有层次划分。②教学资源供需不平衡。受限于实验设备、场地数量，目前只能固定时长以班级为单位安排实验，此外实验设备为集成化、模块化的操作台（如图2 所示），电子元器件损耗快，维修程序复杂、周期长，进一步导致教学资源供需难以平衡。③学生学时受限。受限于实验室开放时间，学生只能在固定的时间段完成实验。实验课外，学生没有自由选择实验时间、实验项目的机会与平台。

图1 目前电工学实验教学模式示意图

图2 电工实验操作台

长此以往，学生的学习积极性和主动性会逐渐降低，违背了实验教学环节培养学生动手能力和创新能力的宗旨。

2 电工学实验教学新模式构建

针对上述问题，结合OBE 教育理念，将电工学实验项目设计为演示型实验（20%）、验证型实验（30%）和综合设计类实验（50%）3 个模块，如图3 所示。具体情况如下：①演示型实验采用集中教学方式开展，教师对课程要求、实验室管理、电子元器件认识等进行讲解，规范学生的实验操作，培养良好的实验习惯；②验证型实验采用多样化教学模式，设置预约制、开放式的实验管理办法，由学生自主灵活安排并完成实验预习、实验预约、实验操作和实验报告；③综合设计型实验教学中，采用分层次、个性化教学模式，依据学生的学习能力、目标和兴趣，自愿组合团队开展综合设计型实验，并在此阶段选择优秀的实验设计，鼓励学生参加竞赛或科研实验，充分发挥学生的创新能力。

图3 电工学实验教学新模式示意图

通过上述3 个教学环节的实施，将学生的电工学实验学习划分为阶梯式的模式，从基础认知过渡到深化理论再到创新应用，提高电工学实验教学的“两性一度”，最终为社会培养出基础扎实、动手操作能力强和综合素质高的优秀人才。

3 电工学实验教学辅助平台设计

为了实现上述的实验教学新模式，将电工学实验教学与网络化、数字化、信息化的教学资源相结合，开发配套的实验教学网络信息平台，实现更灵活、更开放和更丰富的实验教学[20-23]。电工学实验教学辅助平台（电工学实验助手）的功能模块图如图4 所示。该系统包含学生、教师和实验室三大模块，具体情况如下。

图4 电工学实验助手功能模块图

学生模块设计了账号管理、课件共享资源、实验预约、报告提交、交流与讨论、成绩查询等功能。学生根据自己的时间灵活安排实验内容学习、实验时间和进度，完成实验后按要求提交实验分析报告，课程结束后可在系统里查询实验成绩，整个实验过程中均可在交流与讨论模块中与教师互动。这样的方式可以充分发挥学生的自觉性和主观能动性，实现学生随时、随地、按需学习。

教师模块设计了账号管理、实验课件更新、实验项目设计、实验预约更新、讨论与交流、成绩评定等功能。教师在系统中更新课件、共享资源、实验项目内容，根据个人时间和可用实验设备数量设置预约时段和实验台数量。该模式下教师设计实验的时间将更充裕，实验教学的管理也会更高效，突破了时间和空间限制，实时对学生进行监督和指导。

实验室模块设计了用户管理、实验室公告管理、安全管理视频、监控管理等功能。实验室开放时段内均重复播放实验室安全和操作规范，提醒学生注意人身安全和实验安全，监控设备用于观察并记录学生实验操作过程。

通过实验助手的开发，实现教与学的改革与创新，为学生和教师提供更灵活、更自由的实验教学环境，满足每个学生都可以实现动手操作的愿望，保证实验教学的质量。电工学实验助手APP 的功能界面设计如图5 所示。

图5 电工学实验助手功能界面设计图

4 电工学实验教学辅助平台应用效果与分析

基于Android Studio 平台，采用Java 语言完成了电工学实验助手的开发。为了评估新的教学模式的效果，将开发完成的电工学实验助手应用于2021 级电工学实验课程中，开展了基于OBE 理念的电工学实验教学“两性一度” 教学新模式的实施应用。教学年级共计77 名学生，按小班教学模式开展，分为2 个教学班，电工学实验助手部分使用界面举例如图6 所示。从图6可见，学生通过下载APP 程序安装在手机上，注册用户名和密码后就可以登录系统完成报告上传、实验预约、交流讨论、成绩查询、数据统计等操作，不受时间和空间的限制，实验教学和实施更为灵活。

图6 电工学实验辅助APP 操作界面举例

进一步地，通过对本届学生成绩进行分析，得到了如表1 所示的学生成绩分布表。从表1 可见，教学1 班（37 人）的合格率为97%，良好成绩占比16.22%，优秀成绩占比达到8.11%；教学2 班（40 人）的合格率为100%，良好成绩占比30%，优秀成绩占比达到5%。从实施效果可见，在新的教学模式下，学生学习的积极性、参与度、自主性和创新性均得到了较好的改善，这不仅有利于学生学习效率和学习效果的提高，还为电工学实验教学提供了新的信息化技术手段，满足了新时代人才培养的需求。

表1 电工学实验教学班成绩分布表

5 结论

“电工学” 作为工科类非电类专业的一门基础课程，是学生学习后续相关课程的基础和前提，在工科类学生整个学习过程中发挥着重要作用。本文通过分析目前电工学实验教学的现状，发现存在教学模式单一、教学资源供需不平衡、学生学时受限等问题。针对上述问题，提出了基于OBE 理念的电工学实验教学新模式，重构了原来的实验教学内容，实现了多层次分类教学，设计了创新性实验项目，提高了课程的高阶性、创新性，增大了挑战度。为了实现新的教学模式的实施，基于Android Studio 设计开发了教学辅助平台（电工学实验助手），有效解决了目前实验教学存在的问题，实现了分层次、多元性和个性化教学，不仅提升了学生学习自觉性和主动性，还实现了学生学习和实践操作能力的提高，对于达成新工科“厚基础、宽口径、重实践、强能力、高素质” 的培养需求具有重要意义。