李 平，陳 眾，陳李杰

（長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

當(dāng)前，中國高校工科的建設(shè)規(guī)劃是培養(yǎng)理論和實(shí)踐動(dòng)手能力雙優(yōu)的工程人才，充分發(fā)揮專業(yè)特長，提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，從而推動(dòng)專業(yè)技術(shù)進(jìn)步與社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。為適應(yīng)建設(shè)規(guī)劃要求，電氣工程專業(yè)在對學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)方面也應(yīng)進(jìn)行革新和改進(jìn)，以適應(yīng)新形勢下新工科專業(yè)的需求[2]。

虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展也為實(shí)驗(yàn)課程的線上教學(xué)指明了方向，在疫情的刺激下，線上教學(xué)也得到了蓬勃的發(fā)展。但是無論是線上還是傳統(tǒng)教學(xué)，教師能夠及時(shí)收到學(xué)生的反饋信息是重中之重。

本文提出一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控方法，能夠?qū)⒔逃畔⒒?.0 中提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”教育、教育大數(shù)據(jù)、人工智能等教育應(yīng)用理念和技術(shù)應(yīng)用到電路實(shí)驗(yàn)課程中，通過精細(xì)化收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來全面把控電路實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量。

1 電路實(shí)驗(yàn)課改革現(xiàn)狀及思考

對電路實(shí)驗(yàn)課的改革一直是高校基礎(chǔ)課程建設(shè)的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，眾多高校從理念、手段、方法等多個(gè)層面進(jìn)行了一系列的改革研究，取得了很多研究成果。下面主要從實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方面和實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理方面進(jìn)行闡述。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方面，現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革研究的重點(diǎn)是針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷進(jìn)行改造，優(yōu)化原有教學(xué)體系，如文獻(xiàn)[1，3]提出的基于CDIO 的“電力電子技術(shù)”綜合性課程設(shè)計(jì)方案，將現(xiàn)有的大班形式實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行精細(xì)化的實(shí)驗(yàn)分組教學(xué)，著力提高學(xué)生的專業(yè)能力和團(tuán)隊(duì)意識；文獻(xiàn)[4]針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件、空間、實(shí)驗(yàn)類型不足開發(fā)出了一種新型的實(shí)驗(yàn)裝置來滿足信息化教學(xué)的需要；而文獻(xiàn)[5-8]都提出在傳統(tǒng)教學(xué)中利用虛擬仿真軟件來對傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行改善。

但在文獻(xiàn)[1，3]提出的CDIO 模式中，教師不能實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況，這就有可能會出現(xiàn)課堂對學(xué)生約束力不足的問題；而文獻(xiàn)[4，7]等的觀點(diǎn)也只是在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中單純地加入了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，雖然用仿真結(jié)果去驗(yàn)證理論知識，但由于兩者之間是通過教師講解進(jìn)行互動(dòng)，將影響教學(xué)進(jìn)度、降低課堂效率。結(jié)合以上文獻(xiàn)的觀點(diǎn)，本文認(rèn)為現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革可從以下幾點(diǎn)入手：①對學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程中每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)督和掌握，并能在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行提醒糾錯(cuò)；②保證實(shí)驗(yàn)場景的豐富性和參數(shù)化設(shè)計(jì)，做到不同學(xué)生在同一知識點(diǎn)下的實(shí)驗(yàn)要求不同，以達(dá)到“一人一題”，杜絕抄襲的現(xiàn)象；③建立完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺，確保知識點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)場景的無縫連接。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理方面，本文認(rèn)為在現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理方面還是存在一定的缺陷，現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與公共理論科目的教學(xué)管理采用一套管理體系，但這是不符合現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理情況的。文獻(xiàn)[5]指出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的考核一般主要依據(jù)預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。但由于這兩項(xiàng)都在課余時(shí)間完成，抄襲現(xiàn)象難以避免，只能做參考，而對每堂課每個(gè)學(xué)生的課堂表現(xiàn)做情況記錄也十分的低效和煩瑣。這也會導(dǎo)致出現(xiàn)如文獻(xiàn)[2]所提出的有部分學(xué)生容易出現(xiàn)注意力不集中、依賴抄襲同伴的情況，最后可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)不認(rèn)真的學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績與專業(yè)素質(zhì)過硬的學(xué)生成績相同甚至是還要好的情況，這會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，產(chǎn)生不良的錯(cuò)誤想法；也可能會使教師不能正確判斷整個(gè)班級的學(xué)習(xí)情況，對以后的教學(xué)作出錯(cuò)誤的預(yù)判。

結(jié)合以上文獻(xiàn)的觀點(diǎn)，本文認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的依據(jù)一定要是每個(gè)學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)情況?；诖?，需要注重對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和管理，綜合學(xué)生的課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、考試成績來進(jìn)行量化評估。

從上述文獻(xiàn)中可以看到，對電路實(shí)驗(yàn)課程改革，無論是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方面想要達(dá)到改革目的，還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理方面追求真實(shí)準(zhǔn)確，其首要目標(biāo)是提高教學(xué)信息反饋的速度和處理效率；無論是傳統(tǒng)教學(xué)方式還是現(xiàn)在的線上教學(xué)方式，主要問題是實(shí)驗(yàn)室信息化不足，管理水平相對低下。

2 信息反饋系統(tǒng)

2.1 教育控制論的發(fā)展與應(yīng)用

在對教學(xué)信息的收集處理方面，本文依托教育信息化2.0 和教育控制論提出信息收集與處理的精細(xì)化操作，主要是運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”教育、教育大數(shù)據(jù)、人工智能等教育應(yīng)用理念和技術(shù)，根據(jù)教育控制論的研究思路，搭建新的以“信息反饋系統(tǒng)”為控制因子的頂層設(shè)計(jì)框架，將其應(yīng)用在電路實(shí)驗(yàn)課程中。以此來對教學(xué)過程中學(xué)生出現(xiàn)的各類問題作出響應(yīng)，在教學(xué)管理方面實(shí)時(shí)收集整理學(xué)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。

教育控制論的基本思想是運(yùn)用控制論、系統(tǒng)論和信息論的基本原理和方法分析研究教學(xué)和教育管理活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)教育過程和成果最優(yōu)化，其基本結(jié)構(gòu)如圖1的實(shí)線部分所示[9]。

圖1 教育控制論基本結(jié)構(gòu)圖

在教育質(zhì)量把控環(huán)節(jié)，相關(guān)研究者著重強(qiáng)調(diào)信息反饋、控制執(zhí)行2 個(gè)支路在教育過程中的重要性。但這些研究都強(qiáng)調(diào)教師在信息收集過程中的責(zé)任心、時(shí)間和精力付出。而控制論在工業(yè)革命中的巨大成功，是因?yàn)槭褂酶黝惪刂破鞔嫒藖硗瓿蔁┈嵵貜?fù)的工作，減輕勞動(dòng)量，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的顯著提升。因此目前教育控制論研究中對教師提出的更高要求本質(zhì)上是與控制論發(fā)展過程相悖的。

2.2 信息化技術(shù)的接入點(diǎn)

由于技術(shù)的發(fā)展不斷拓展教育的時(shí)間、空間維度，給教育發(fā)展帶來新的契機(jī)和挑戰(zhàn)。特別是以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)，作為一種新的生產(chǎn)力，正在推動(dòng)生產(chǎn)關(guān)系的變革，深刻改變著社會的各個(gè)領(lǐng)域。

最早的信息化系統(tǒng)集中在管理體系，例如圖1 的虛線所示C 支路中教師互評、D 支路的學(xué)生評教系統(tǒng)。現(xiàn)在教學(xué)管理系統(tǒng)的功能也拓展到了各類網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和慕課體系，提高了教師和學(xué)生的互動(dòng)頻率，但仍一定程度上加重了教師的工作量[10]。

本文主要針對電路實(shí)驗(yàn)課探討如何運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，圖1 中的A 支路有效收集學(xué)生能力的反饋信息，進(jìn)而使用虛擬仿真、人工智能等新技術(shù)來輔助教學(xué)，減輕教師工作量，做到對學(xué)習(xí)情況的量化評估和實(shí)時(shí)管理；同時(shí)將C、D 支路的信息收集方式轉(zhuǎn)移到更合理的位置，切實(shí)為教學(xué)質(zhì)量控制提供依據(jù)，采用信息化技術(shù)接入的教育控制論讓教師通過虛擬仿真教學(xué)平臺與學(xué)生互動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，讓學(xué)生能夠通過平臺直接去學(xué)習(xí)云服務(wù)器上的理論知識，并通過虛擬場景進(jìn)行驗(yàn)證，加深理論與實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系。具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 教育信息化2.0 下的教育控制結(jié)構(gòu)

3 虛擬仿真教學(xué)平臺

3.1 平臺建設(shè)

針對上述理論分析，本文提出了依據(jù)教育信息化2.0 下的教育控制論，建立一個(gè)教輔功能全面、數(shù)據(jù)響應(yīng)實(shí)時(shí)的虛擬仿真平臺，根據(jù)現(xiàn)階段電路實(shí)驗(yàn)課現(xiàn)狀，本平臺的功能如下：①具有電路實(shí)驗(yàn)課程中各種虛擬場景并能進(jìn)行實(shí)時(shí)的虛擬仿真；②能進(jìn)行智能判別與參數(shù)化出題，實(shí)現(xiàn)一人一題，杜絕抄襲；③能進(jìn)行智能統(tǒng)計(jì)分析來實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的量化評估。系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 電力電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)架

在實(shí)驗(yàn)操作方式上：為解決傳統(tǒng)電路實(shí)驗(yàn)受場地和硬件不足的限制，本文提出了純虛擬學(xué)習(xí)模式，教師和學(xué)生可以通過Wi-Fi 等無線網(wǎng)絡(luò)訪實(shí)驗(yàn)平臺，讓學(xué)生能隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)；為加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)際電路和儀器裝置的掌握，針對實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，開發(fā)出了智能電路實(shí)驗(yàn)箱，其能通過有線網(wǎng)絡(luò)訪問實(shí)驗(yàn)平臺，并在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中采用具有通信功能的萬用表、示波器等設(shè)備上傳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而實(shí)驗(yàn)平臺可以控制調(diào)整相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)信息的雙向流動(dòng)[11]。

同時(shí)電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)平臺也具有實(shí)驗(yàn)要求隨機(jī)生成、考試與成績統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備管理等一套完整的教學(xué)平臺功能。

目前平臺上可用的課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)幾乎涉及到了電路中所有的知識點(diǎn)，與書本上的單一案例講解不同，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)的自主設(shè)置和波形類型的自主選擇而得到各種不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，增強(qiáng)對知識點(diǎn)的可視化學(xué)習(xí)[12]。

3.2 學(xué)習(xí)考核的參數(shù)化設(shè)計(jì)

本節(jié)將以平臺上的習(xí)題隨機(jī)化生成和自動(dòng)判別功能為例，展示運(yùn)用教育應(yīng)用理念和信息技術(shù)搭建的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

建立題庫，流程如圖4 所示，在云服務(wù)器上根據(jù)教學(xué)大綱搭建習(xí)題框架，從章節(jié)目錄到具體知識點(diǎn)進(jìn)行題目的分類，確保每一類題目都有唯一的序列號，這樣也就實(shí)現(xiàn)了“一人一題”，從根本上杜絕了學(xué)生抄襲的現(xiàn)象。

圖4 題庫建立流程圖

學(xué)生習(xí)題訓(xùn)練流程如圖5 所示。

圖5 學(xué)生習(xí)題訓(xùn)練流程圖

在純虛擬學(xué)習(xí)模式，學(xué)生在web 端通過賬號訪問平臺，平臺使用Java matlab 接口將云服務(wù)器上生成的對應(yīng)習(xí)題調(diào)取過來，然后將學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果上傳服務(wù)器進(jìn)行判別。

而在采用智能電路試驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生通過賬號登錄實(shí)驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)箱上選擇所對應(yīng)理論知識的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，實(shí)驗(yàn)箱會通過有線網(wǎng)絡(luò)來下載云服務(wù)器上自動(dòng)生成習(xí)題的參數(shù)，然后將學(xué)生根據(jù)習(xí)題參數(shù)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)箱會將實(shí)驗(yàn)結(jié)果上傳服務(wù)器來進(jìn)行判別。

4 總結(jié)

根據(jù)學(xué)生賬號的唯一性和習(xí)題的隨機(jī)性可以真正實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)[2]提出疫情背景下實(shí)驗(yàn)課程環(huán)節(jié)線上教學(xué)，需要注重對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的設(shè)置和收集，采取“一人一題”的方式，使得每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)各不相同，能夠很大程度上減少抄襲現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

通過平臺對學(xué)生實(shí)驗(yàn)信息數(shù)據(jù)的收集整理，能夠數(shù)據(jù)化展示學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況、登錄時(shí)常、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等信息，最后對本門課程、班級、學(xué)生都做一個(gè)整體的量化評估，可以全面把控教學(xué)質(zhì)量，也能為后續(xù)的課程改革和調(diào)整提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。