線上線下電子技術(shù)實驗教學(xué)模式淺析

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摘要:利用線上實驗資源共享和信息交互方面的特有優(yōu)勢，可以有效彌補現(xiàn)有線下實驗教學(xué)過程管控評價不合理和實操受實驗室時空限制的短板。本文以電子技術(shù)類課程為例，開展線上線下融合式實驗教學(xué)模式的研究和實踐，在實際應(yīng)用中取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞:電子技術(shù);線上實驗;線上線下融合

一、概述

2020年上半年，國內(nèi)廣泛開展線上教學(xué)活動，截至5月8日，全國共有1454所高校、103萬名教員開設(shè)線上課程107萬門，在線學(xué)習(xí)量高達1775萬次［1］。與此同時，線上教學(xué)以其獨特的資源共享和互動靈活性，得到廣大師生的認可，據(jù)統(tǒng)計80．3%教員和84．07%學(xué)員對在線學(xué)習(xí)的感覺良好。全國政協(xié)委員胡衛(wèi)認為:線上線下融合的教學(xué)模式將成為主要發(fā)展趨勢。電子技術(shù)類課程作為專業(yè)背景課，分為理論和實驗兩個模塊，其中實驗?zāi)K占1/3的比重。2020年上半年，電子技術(shù)實驗教學(xué)主要借助電腦和手機仿真軟件來實施，部分班次也依托線上仿真實驗平臺進行了教學(xué)嘗試。通過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，線上實驗雖然缺乏線下實驗的實操感，但其在理論驗證、仿真設(shè)計和教學(xué)評價等全過程管控環(huán)節(jié)中展現(xiàn)出線下實驗所無可比擬的優(yōu)勢。學(xué)員普遍反映線上實驗有更高的參與感，能更好地助力于理論知識的理解吸收［2］。為此，融合線上和線下實驗的共同優(yōu)勢，構(gòu)建全新的電子實驗教學(xué)模式，成為擺在我們面前的全新且極具意義的課題。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)包括清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢大學(xué)、華南理工大學(xué)、浙江大學(xué)、東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、四川大學(xué)、北京理工大學(xué)等在內(nèi)的十余所高校，均已開始展開對線上線下融合實驗教學(xué)的研究和實施。

二、現(xiàn)有線下實驗教學(xué)模式的弊端

電子技術(shù)類課程在我校的開設(shè)歷史已有幾十年，目前線下實驗條件已能滿足單人單組的實驗要求，但過程管控、評價模式以及信息化手段等方面的不足問題依然嚴重。

(一)學(xué)習(xí)過程不能掌控

依賴實驗人力管控是當前線下實驗教學(xué)過程管控的主要方式，這種管控方式有效性差，同時受時空條件約束。以我校電子技術(shù)類線下基礎(chǔ)實驗為例，學(xué)員在課程期間需完成8—10個實驗項目，每個班次可同時容納40人左右實驗，配備1名主講教員和1名輔導(dǎo)人員。學(xué)員在課程學(xué)習(xí)器件的過程管控和實驗室管理主要依賴2名教輔人員。為有效管理，通常將實驗流程分為:預(yù)約、預(yù)習(xí)、設(shè)計、實作、調(diào)試、審核、驗收等七個環(huán)節(jié)。其中預(yù)約和預(yù)習(xí)由學(xué)員在課前完成，教員通過隨機提問和抽查等方式了解預(yù)習(xí)情況，由于無法規(guī)范確切地獲取所有學(xué)員的預(yù)習(xí)數(shù)據(jù)，預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)管控有效性較差［3］。從設(shè)計到審核都在實驗室現(xiàn)場完成，學(xué)員必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成既定實驗項目，教輔人員根據(jù)實驗要求和學(xué)員實做情況穿插答疑，并幫助學(xué)員排除系統(tǒng)故障。電子系統(tǒng)的功能實現(xiàn)涉及器件、儀表和制作工藝等多方面因素，經(jīng)常會出現(xiàn)學(xué)員無法當場完成任務(wù)須利用其他時間加班的情況，受限于實驗室開放時段和人員工作安排因素，學(xué)員在課外的工作一般無法得到教員的實時指導(dǎo)，也無法將過程數(shù)據(jù)真實地展現(xiàn)給教員，此時的過程管控基本是開環(huán)，教員處于有心無力的狀態(tài)［4-5］。另外，由于缺少實時監(jiān)控手段，教員在過程中缺少反映實驗狀態(tài)、技能掌握程度及班級實驗共性問題的學(xué)情信息數(shù)據(jù)，無法對實驗效果做出客觀判斷。

(二)評價方式不夠合理

培養(yǎng)學(xué)員實驗?zāi)芰退仞B(yǎng)的主要途徑是完成實驗的過程，通過學(xué)員在實驗現(xiàn)場的操作情況，可以反映其真實的實驗水平。但是結(jié)果檢測往往比過程檢測容易，所以最終的實驗數(shù)據(jù)是否正確，就理所當然地成為評價學(xué)員實驗學(xué)習(xí)效果的依據(jù)［6］。隨著教學(xué)改革的逐漸深入，課程終結(jié)性評價中須考慮過程評價指標。當前，線下實驗的主要依托人力過程管控的過程評價主要參考每個實驗項目的結(jié)果，比如項目完成度和實驗報告，教員根據(jù)學(xué)員提交的作品和報告給出項目021創(chuàng)新教學(xué)科技風(fēng)2022年2月評定成績，課程的總體過程評價成績則為所有實驗項目成績的平均值。這種過程評價方式，實際還是“結(jié)果導(dǎo)向”評價方式，無法避免走過場、效率低等問題［7］。真正的過程評價還應(yīng)該包含其他量化指標，比如:(1)課堂表現(xiàn)。包括學(xué)員在課堂上參與討論情況、幫助同伴解決問題情況以及實驗室設(shè)備歸置情況。(2)課外表現(xiàn)。學(xué)員預(yù)習(xí)情況、查閱資料的能力、項目探究擴充能力。這些指標的給定需要依托大量學(xué)情數(shù)據(jù)才能得以實現(xiàn)，目前的線下實驗還不足以支撐真正的過程評價。

三、線上實驗教學(xué)模式的優(yōu)勢

(一)打破線下實驗的時空限制

線上實驗只要在互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的地方，學(xué)員都可以進行實驗研究，不受線下實驗室空間和時段的限制［8］。具有實驗項目發(fā)布及時、收集管理學(xué)員信息、全程監(jiān)控實驗過程、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲取和記錄、實驗效果自動評價等功能。實驗完成后，學(xué)員能夠反映實驗過程中的真實體會，并給出實時評價和提出意見建議;系統(tǒng)可以動態(tài)推送優(yōu)質(zhì)實驗項目排行榜，鼓勵高質(zhì)量實驗項目共享，讓實驗項目亮相，打破壁壘，推行共享共建［9］。

(二)實時獲取現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)

線上實驗的“做”體現(xiàn)在:學(xué)員能在調(diào)整電路時，通過網(wǎng)絡(luò)終端的儀器顯示觀察到電路性能參數(shù)的變化，從而獲得線下實驗的現(xiàn)場真實感。線上實驗平臺通過在線獲取數(shù)據(jù)，了解實驗實施情況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。關(guān)鍵數(shù)據(jù)有兩類:(1)實驗測量數(shù)據(jù)。利用學(xué)員在實驗過程中產(chǎn)生的儀器測量數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置協(xié)議，獲取和控制儀器設(shè)備相關(guān)參數(shù)信息。(2)實驗過程狀態(tài)數(shù)據(jù)。包括實驗進行過程中的時間、實驗次數(shù)、試錯及速度等數(shù)據(jù)。采集實驗每一步的時間，并提交至后臺，并按一定的算法對實驗次數(shù)和準確率進行實時更新。

(三)合理精準的過程評價

為了獲取滿足不同教學(xué)觀測視角所需的分析結(jié)果，可以在線上實驗平臺海量學(xué)情大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行挖掘和篩選。通常采取以下步驟:(1)打標簽。將每一類學(xué)情數(shù)據(jù)根據(jù)不同的意義打上不同的“標簽”，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，形成不同權(quán)重的數(shù)據(jù)組織。(2)建立評價模型。通過建立數(shù)據(jù)與評價觀測點的映射關(guān)系，設(shè)計出具有關(guān)鍵效果評價指標的計算模型。(3)推送整定結(jié)果。設(shè)計軟件，將分析結(jié)果自動推送給指定對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從獲取、分析到應(yīng)用的閉環(huán)。

四、線上線下融合實驗教學(xué)模式的實施

(一)構(gòu)建線上實驗平臺

實驗管理平臺關(guān)聯(lián)線上和線下實驗，在配備有示波器、電壓源、信號源和頻譜儀等測量儀器和實驗元器件、電路實物模塊的實驗室內(nèi)設(shè)置終端，學(xué)員可以在任何具備網(wǎng)絡(luò)條件的地方，通過計算機遠程遙控智能實驗平臺的方式完成和實驗室內(nèi)一樣的實驗［10］。通過此系統(tǒng)，可以將關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動存入學(xué)員的賬號下，實現(xiàn)遠程全“真”硬件實驗，實驗室內(nèi)、外大數(shù)據(jù)無死角采集。目前，國內(nèi)有多家企業(yè)進行了線上實驗的開發(fā)，下圖是易星標遠程在線實驗管理系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

(二)建立一套實驗課程體系

實驗教學(xué)中，部分單元實驗以理論驗證功能為主，可以通過遠程線上實驗完成;綜合難度高的實驗項目可以在線上完成設(shè)計驗證，再到線下實驗室制作和調(diào)試，實驗結(jié)果上傳至平臺形成閉環(huán)。平臺實驗項目及實施方式如下表:

五、總結(jié)

線上線下融合的實驗教學(xué)模式通過先采集學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的數(shù)據(jù)，再根據(jù)積累的大數(shù)據(jù)，自動分析學(xué)習(xí)者的知識點掌握情況，并推送相關(guān)內(nèi)容，從而使得知識傳遞效率和過程評價的有效性大大提高。該模式不但解決了師生對傳統(tǒng)硬件實驗室環(huán)境的依賴性問題，同時通過技術(shù)段解決了學(xué)生遠程自主動手實驗的問題，滿足實驗參與度需求，是未來實驗教學(xué)的主要發(fā)展趨勢。

作者:朱旭芳 胡秋月 單位:海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院