呂念玲， 袁炎成， 殷瑞祥， 李 斌

（華南理工大學電子與信息學院，廣州510640）

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，改變了人們的生活方式，也推動了教育方式的變革。2014年在全國MOOC建設的熱潮中，分析了線上課程的特點［1］，思考實驗教學的問題，提出了“互聯(lián)網(wǎng)＋”實驗教學的思想；2015年廣東省本科高校電子信息類專業(yè)教學指導委員會成立，在教指委內(nèi)部通過1年的充分研討論證，明晰了“借互聯(lián)網(wǎng)思維構(gòu)建電工電子實驗教學與管理新模式”的建設路線；2016年廣東省本科高校電子信息類專業(yè)教學指導委員會主導，聯(lián)合6所廣東高校申報立項“基于互聯(lián)網(wǎng)＋實驗云平臺建設”項目，目前項目建設已獲階段性成果。對照教育部2018年本科教育工作“打造中國金課”的要求，該工作方向是完全正確的［2］。

1 高校實驗工作的形勢轉(zhuǎn)變

在過去較長一段時間里，由于高校實驗室建設經(jīng)費投入不足，實驗設備條件比較差，多人共用一套實驗設備，學生的實驗參與度低；因設備種類不齊，實驗項目無法全部開出的情況也時常發(fā)生。改善設備條件，曾一度是高校實驗工作的重點［3］。隨著國家加大對高等教育的投入，高校的設備條件已獲極大改善。同時，網(wǎng)絡條件改善的速度更快，現(xiàn)在的實驗室具備上網(wǎng)條件幾乎是標配。在解決了設備問題之后，高校軟資源配置不均的問題就凸顯出來。軟資源（或軟實力）包含：實驗內(nèi)容建設、實驗過程管理、教學效果評價及課程持續(xù)改進等關鍵問題，是導致高校實驗教學質(zhì)量差異巨大的主要原因。設施條件通過加大資金投入，短時間就可以得到改善，但是軟實力卻非短時間可以改變。因此，當前高校實驗工作的重點應從“硬條件”主導，向“軟資源”主導轉(zhuǎn)變。實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享一直是追求的目標，借互聯(lián)網(wǎng)思維構(gòu)建電工電子實驗教學新模式，就是共享探索的一種方式。

2 實驗教學存在深層次問題剖析

電工電子實驗是電類專業(yè)本科生的必修實驗環(huán)節(jié)，學生專業(yè)涉面廣且學時數(shù)多。

2.1 內(nèi)容缺位

有些高校設置實驗課時，照搬了其他高校的實驗項目，但是具體實施和過程管理無法模仿，雖然有了同一個實驗項目，但教學效果迥異，這就是“形似而韻不在”；隨著業(yè)界技術的發(fā)展，雖然對實驗項目作了更新改造，憑經(jīng)驗做一些新東西的堆砌，但實驗內(nèi)涵與培養(yǎng)目標不相匹配，教學效果仍未盡如人意；更令人擔心的是，前列高校保持質(zhì)量主要歸因于其長久以來的大質(zhì)量積累和慣性推動，即老教師的經(jīng)驗仍可用；當老教師退下之后，慣性推動力越來越弱，年輕教師在實踐經(jīng)驗方面區(qū)別不大的時候，質(zhì)量問題也會凸顯［4］。上述現(xiàn)象的根源，就在于實驗內(nèi)涵模糊，實驗內(nèi)容設計依靠經(jīng)驗。

2.2 內(nèi)涵模糊

實驗實踐教學的目標主要是：提高學生專業(yè)動手能力，健全學生的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)，使學生獲得解決工程問題的素養(yǎng)。實驗教學的主要任務是：①訓練學生實施“實驗”的能力；② 鍛煉學生科學處理“實驗”數(shù)據(jù)形成技術文檔的能力；③教會學生組織“實驗”解決問題的能力。

實驗項目中服務于上述目標的知識，支撐目標達成的技能就是實驗內(nèi)涵［5］。實驗課可以多門、實驗形式可以多樣、實驗內(nèi)容也可以不同，但是它們都是內(nèi)涵的載體?？茖W的實驗設計方法應是：首先明確實驗內(nèi)涵，再從教學目標出發(fā)，對每個實驗項目的教學內(nèi)涵給出預期要求，根據(jù)預期要求選擇匹配的實驗內(nèi)容。這樣，實驗課程的內(nèi)涵與畢業(yè)達成目標可以產(chǎn)生量化關聯(lián)，實現(xiàn)實驗內(nèi)涵與學生能力成長精準對標［6］。這樣的實驗課，才是“金”課。但是一直以來，高校實驗教學基本是由經(jīng)驗豐富的教師和工程師根據(jù)自身或他人的經(jīng)驗來規(guī)劃設計的，由于經(jīng)驗的局限性，實際教學效果存在諸多不確定性，對于學生能力成長的達成貢獻往往具有一定的模糊性，不能從根本上確保實驗教學內(nèi)容的科學性［7］。

2.3 過程控制有效性差

實驗教學的目標是通過成熟的內(nèi)容訓練學生的能力，因此，實驗過程比實驗結(jié)果更重要。但是主要依賴教師人力實施的過程管理，有效性比較差。比如：教師常常通過翻閱學生的實驗預習報告，了解學生是否完成實驗預習準備。但是預習報告僅僅表明該學生完成了預習的過程，卻無法體現(xiàn)實際的效果；再比如，1或2名主講教師和實驗輔導人員，承擔整個實驗課堂的答疑、糾錯、輔導、安全管理和實驗數(shù)據(jù)審核、驗收等工作，無法更到位地輔導學生個體；學生出現(xiàn)操作錯誤，數(shù)據(jù)的粗大誤差無法及時得到糾正。整個過程管控，老師常感心有意而力不足。同時，在實驗過程中無法獲取足夠多的、反映學生實驗狀態(tài)、技能掌握程度及班級實驗共性問題的學情信息數(shù)據(jù)，無法對實驗效果做出客觀判斷。

目前，GA?系列五軸聯(lián)動萬能加工中心征服了越來越多來自航空航天、工具模具、機械制造等領域客戶的芳心。任宏志先生表示，GA?系列銷售額在2017到2018年實現(xiàn)了大幅度跨越式增長，2019年還會進一步保持這種勢頭，在夯實系統(tǒng)機床及自動化交鑰匙工程原有市場份額的基礎上，加大開發(fā)新客戶群體的力度。

要解決實驗教學的科學性和有效性問題，首先必須明確實驗教學的內(nèi)涵，以及實驗教學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標達成之間的關系，找出實驗教學內(nèi)容與目標內(nèi)涵之間的關聯(lián)，科學地設計實驗內(nèi)容，并在教學過程中切實地實施監(jiān)控［8］。這也是杜絕“水”課的有效措施。

2.4 效果評價

實驗教學的效果評價包含兩個方面：一方面是對學生學習效果的評價，實驗過程是培養(yǎng)學生實驗能力和實驗素養(yǎng)的主要途徑，學生在實驗現(xiàn)場的操作情況，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，所以實驗數(shù)據(jù)是否正確，就理所當然地成為評價學生實驗學習效果的依據(jù)。這種評價方式造成了“重結(jié)果，輕過程”的狀況，使得實驗教學常常走過場、效率低［9］。

另一方面是對實驗內(nèi)容的評價，學生是實驗的主體，學生在實驗過程中體驗和表現(xiàn)是評價實驗設計優(yōu)、劣的依據(jù)。學情大數(shù)據(jù)缺失，就無法對實驗實施效果做出客觀的判斷。

2.5 持續(xù)改進機制

教、學相長，所以教學過程中，學生和課程都需要持續(xù)改進。學生個體要在學習中及時調(diào)整學習策略，才能提高學習效率。課程內(nèi)容和教學方法及時優(yōu)化，才能取得好的教學效果。傳統(tǒng)的實驗預習、實驗操作及提交報告是單向、開環(huán)的過程，信息流失［10］。必須將實驗教學過程設計成閉環(huán)系統(tǒng)，把教學設計、過程管理、效果分析與反饋調(diào)整等環(huán)節(jié)緊密關聯(lián)起來，形成自我完善機制，促成教學內(nèi)容的持續(xù)改進和實驗課程的日臻完善。

3 在線教育的問題與實驗教學的機遇

3.1 在線教育蓬勃發(fā)展與遇到的問題

一方面，建設的MOOC課程大量上線，且注冊人數(shù)眾多；另一方面，真正完成學習的人數(shù)寥寥無幾；MOOC的可持續(xù)發(fā)展遇到很大的問題。長期貼錢賺吆喝的做法，能維持到幾時？國內(nèi)高等學校的MOOC多數(shù)重建設輕運行，線上支持遠遠不夠，虎頭蛇尾現(xiàn)象突出；在線學習認證機制薄弱，結(jié)果的可信度降低。歸根到底，在線教育必須解決3個問題：① 老師為什么又靠什么堅持做好線上支持？② 學生為什么又靠什么堅持線上學習？③MOOC平臺靠什么維持下去？

3.2 實驗在線教育狀況

在線教育如火如荼，但實驗教學乏善可陳，根源在哪里？在于實驗教學的特點：設備依賴，沒設備無法實施實驗。目前的MOOC課程多限于理論教學課程，但是，工程教育不能缺少實驗實踐教學。而且工程專業(yè)認證對實驗實踐教學的要求很嚴格，人才能力的培養(yǎng)更需要扎實的實踐教育支撐［11］。但是多年來關于實驗實踐教學資源的共享呼聲大、動作少［12］。在線教育的發(fā)展模式提示出資源共享的方向，實驗實踐教學的設備依賴性既是困難又是機遇。

4 互聯(lián)網(wǎng)思維下的電工電子實驗教學新模式架構(gòu)

基于上述背景，2016年提出在廣東省教育廳立項建設“基于互聯(lián)網(wǎng)＋的實驗云平臺”項目。建設目標是：①探索地方工科高校實驗室開放共享平臺構(gòu)筑的最佳模式，探究可行的實驗室運行機制；② 利用現(xiàn)代網(wǎng)絡信息技術實現(xiàn)實驗室資源的整合、共建、開放、共享，突出“應用型”人才培養(yǎng)；③ 鼓勵學生基于互聯(lián)網(wǎng)學習平臺選修外校共享的優(yōu)質(zhì)實驗課、從而達到學生、課程互選與學分互認在實驗課程上的實現(xiàn)。

電工電子實驗教學新模式架構(gòu)，是上述建設項目的主要內(nèi)容之一。新模式架構(gòu)主要包括以下幾個方面。

4.1 共建共享教學內(nèi)容

共建共享的前提，是實現(xiàn)實驗教學資源的互聯(lián)互通。通過建設包括應用層、管理層、數(shù)據(jù)層及基礎設施層等4個層次的系統(tǒng)架構(gòu)，支撐門戶平臺、內(nèi)容運營平臺、實時服務平臺等重點服務，實現(xiàn)可接納無限多鏡像站點接入的容量預期；達成任何時間從任何鏡像站點接入，均可獲取資源，進行數(shù)據(jù)交互的建設目標。如圖1互聯(lián)狀態(tài)圖所示，通過區(qū)域節(jié)點把高校的實驗室連起來，滿足實驗教學和管理在設備互聯(lián)、共享，器件升級，實驗在線教學，數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析，學生學習過程與學習效果認定，優(yōu)質(zhì)實驗資源共享等關鍵需求。

圖1 互聯(lián)狀態(tài)圖

教學內(nèi)容的建設不是無依據(jù)的，要在教學過程中不斷實踐、總結(jié)和凝練，在教學實踐中建設才是科學的；教學內(nèi)容面向更多的學生，對內(nèi)容完善更有促進作用。利用開放的互聯(lián)互通架構(gòu)，實驗項目上網(wǎng)，達成學生、課程互選與學分互認；改變各校實驗教學的“封閉孤島”現(xiàn)狀，達成內(nèi)容、要求及評價的深度融合。這樣，因地域、時間和師資力量導致的“教育鴻溝”將逐步被縮小甚至被填平，有效加速實驗實踐教學質(zhì)量的整體提高。

4.2 實時采集實驗過程數(shù)據(jù)

互聯(lián)網(wǎng)是迄今為止人類所看到的信息處理成本最低的基礎設施，具備開放、平等、透明等特性，使得信息數(shù)據(jù)得以體現(xiàn)最大的社會價值。形式各異的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)形式，其核心都是數(shù)據(jù)［13］?？v觀實驗教學整個流程，實驗過程是最重要的，也是管控最不力的環(huán)節(jié)。以數(shù)據(jù)獲取的視角看，實驗過程對設備依賴的特點，恰好為實時采集數(shù)據(jù)提供了條件，為數(shù)據(jù)的真實性提供了背書，為動態(tài)認證提供了依據(jù)。過去曾經(jīng)是阻礙實驗共享的一大障礙，被轉(zhuǎn)化為過程管理的獨特優(yōu)勢。實驗過程數(shù)據(jù)包括3種類型。

（1）面部信息。使用攝像頭，采集實驗現(xiàn)場每張實驗臺學生的面部信息。可以采用規(guī)律觸發(fā)掃描、條件觸發(fā)掃描和強制觸發(fā)掃描相結(jié)合的方式；發(fā)現(xiàn)人不在或換人，以及上傳數(shù)據(jù)的時候，觸發(fā)多次掃描或強制掃描，有效實施動態(tài)認證。

（2）實驗測量數(shù)據(jù)。采集學生實驗過程中的儀器測量值；通過NI-VISA協(xié)議使用USB通信，讀取和控制儀器設備相關參數(shù)信息。數(shù)據(jù)分為兩部分：文本數(shù)據(jù)和圖片數(shù)據(jù)。文本數(shù)據(jù)采用JSON格式傳輸，圖片先在本地壓縮后再進行傳輸。

（3）實驗過程狀態(tài)數(shù)據(jù)。采集實驗操作過程中的錯誤數(shù)據(jù)、試錯次數(shù)及完成時間等信息。對于實驗過程中每一步的操作時間，使用前端埋點進行緩存后統(tǒng)一提交至后臺。提交次數(shù)、準確率在后臺根據(jù)提交的過程數(shù)據(jù)按一定的算法定時進行計算后更新。

在實驗過程中，把某電路節(jié)點設為監(jiān)測點，學生按要求測量，并實時上傳測量數(shù)據(jù)。僅對一個監(jiān)測點，系統(tǒng)采集并記錄了4類數(shù)據(jù)，包括：第1次上傳的測量值、刷新的次數(shù)（試錯次數(shù)）、最后上傳的測量值及完成時長。存儲原始數(shù)據(jù)條數(shù)大概為2（N＋1）條，N為每個數(shù)據(jù)的提交次數(shù)。

實時數(shù)據(jù)采集，獲得反映實驗操作細節(jié)的大數(shù)據(jù)，掌握到傳統(tǒng)實驗管理過程中無法獲取的信息，進而對實驗實施的具體情況有全面、客觀的認識。實時采集實驗過程數(shù)據(jù)，也是強化實驗過程管理的一種有效方式，切實提高了實驗結(jié)果的可信度。

4.3 大數(shù)據(jù)分析實驗教學效果

傳統(tǒng)的實驗課堂，老師可以從答疑、輔導和學生的實驗報告了解到實驗實施的一些情況，但從這些渠道獲得的信息量還是太少，而且是碎片化的。要分析足夠多的數(shù)據(jù)信息，才能客觀診斷教學設計的問題，有效優(yōu)化教學內(nèi)容［14］。

系統(tǒng)采集到的每個原始數(shù)據(jù)信息都被打上多個“內(nèi)涵標簽”，在不同的數(shù)據(jù)分析背景下被使用。教師參考上述原始數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)分析或評價的側(cè)重點，賦予上述數(shù)據(jù)信息相應的權重，建立數(shù)學計算模型，計算機就可以自動計算并生成教學需要的各種分析結(jié)果。圖2所示是系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)，自動做出實驗項目難、易判斷的流程示例。

圖2 實驗項目難、易判斷流程示例

5 電工電子實驗在線共享平臺主要功能介紹

開發(fā)了電類實驗臺電源智能管理系統(tǒng)和電工電子實驗在線共享平臺，支撐電工電子實驗教學新模式落地。平臺功能應用到實驗課堂，令實驗教學過程管理發(fā)生巨大變化。與傳統(tǒng)的實驗預習、實驗操作及提交報告的三環(huán)節(jié)開環(huán)實驗教學模式相比，實施互聯(lián)網(wǎng)在線管理的教學過程是一個閉環(huán)系統(tǒng)，主要流程如圖3所示［15］。

圖3 閉環(huán)實驗管理流程圖

電工電子實驗在線共享平臺的主要功能：

（1）強制預習。學生開始實驗前先進行預習檢測，系統(tǒng)隨機組卷，15～20 min內(nèi)，最多可以進行3次檢測；滿60分，實驗臺自動上電。推行實驗室準入制，預習效果不達標，不允許做實驗。

（2）全程識別。實驗全過程不定時掃描，異常情況下觸發(fā)多次掃描，上傳數(shù)據(jù)觸發(fā)強制掃描，自動記錄掃描比對結(jié)果，保存為認證依據(jù)，杜絕代做實驗。

（3）數(shù)據(jù)采集。實驗過程中，實時采集過程數(shù)據(jù)，現(xiàn)場給予學生出錯提醒；實驗結(jié)束，系統(tǒng)給予該學生實驗操作評價。

（4）遠程實驗。學生可使用ELF-BOX遠程智能實驗平臺及配套器件在實驗室外進行硬件實驗；在有網(wǎng)絡條件的地方，按要求上傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存入學生賬號下。實現(xiàn)遠程全“真”硬件實驗，實驗室內(nèi)、外大數(shù)據(jù)采集無死角。

（5）實驗上線與評價。各校的實驗項目上網(wǎng)，接受本校和外校學生選做，并按照統(tǒng)一標準進行評價，成績互認；建立實驗項目排行榜，切實推動實驗內(nèi)涵建設，共享優(yōu)質(zhì)實驗資源。

（6）信息反饋。系統(tǒng)通過對預習檢測、實驗現(xiàn)場操作及學生提交預習報告的數(shù)據(jù)分析，將教師和學生關注的信息分別予以推送。教師得到實驗出錯率、實驗熟練度，項目實施難、易情況等的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果推送，診斷教學設計的問題，優(yōu)化教學內(nèi)容。學生則能從系統(tǒng)推送的助學信息，看到實驗過程中的不足，完成系統(tǒng)針對薄弱環(huán)節(jié)推送的附加訓練內(nèi)容，及時而有效地調(diào)整實驗學習策略。

圖4 學生個性學習方案制定流程

（7）基于大數(shù)據(jù)的分析與評估。第1次實驗過后，每個學生都有了自己的實驗個性學習方案，圖4所示是學生個性學習方案制定流程。如一門實驗課計劃內(nèi)共有5個實驗項目，若實驗項目1的操作不達標，就不能直接做實驗項目2，必須完成系統(tǒng)推送的另外一個“附加訓練”，補齊短板，再行測試合格，才可以做下一個實驗項目。依據(jù)該流程，動手能力比較強的學生，最少5次實驗，就通過該門實驗課；而有的學生要6個實驗項目，甚至7、8個實驗項目，才達標。系統(tǒng)依據(jù)學生在實驗過程中的真實表現(xiàn)，為其度身訂造實驗學習方案。

6 結(jié) 語

我國教育正進入到一場基于信息技術的偉大變革中，實驗實踐教育教學只有順應這一時代的需求持續(xù)不斷地進行革命性的創(chuàng)造變化，才能走向新的境界。互聯(lián)網(wǎng)理念與教育的深度融合，令傳統(tǒng)實驗教學在體制、理念、方式和方法等方面獲得寬廣的創(chuàng)新改革路徑。在信息技術與互聯(lián)網(wǎng)思維在實驗實踐教學的應用領域，做了一點探索，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，更多的碰撞靈感，等待我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。