面向電類課程實驗的實踐教學系統開發與應用

吳琦 賴冬寅 曾維兵

摘 ? 要：簡要分析了在電類課程實驗的特點、學生和教師對實踐教學系統的需求，梳理了系統的設計目標，設計了系統的主體架構，給出了系統中前端實驗學習網站和實驗學習數據庫的采用的開發技術和設計思路，介紹了系統在實際教學中的應用效果。

關鍵詞：電類課程實驗 ?實踐教學系統 ?需求分析 ?架構設計

中圖分類號：G718.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0224-03

Abstract：This paper briefly analyses the characteristics of electrical course experiment， the demand of students and teachers for practical teaching system， combs the design goal of the system， designs the main structure of the system， gives the development technology and design idea of the front-end experimental learning website and experimental learning database， and introduces the application effect of the system in practical teaching.

Key Words：Electrical course experiments; Practical teaching system; Demand analysis; Architectural design

實驗教學是培養學生實驗技能和動手能力的主要方式， 對提高學生的綜合素質、培養學生的創新精神與實踐能力具有特殊的作用[1]。目前高職院校電類基礎課程實驗的傳統教學效果差、質量低，不僅難以滿足學生現代化培養的需求，也不適應目前高速發展的智能制造對人才能力的需求。因此，深化實驗課程改革， 提高教學質量，是非常有必要的[2]。隨著教育信息化的快速發展，各高職院校在電類基礎課程實驗過程中，都迫切地需要通過信息化的技術和教學方法，來提升實驗教學質量和效率。

1 ?面向電類課程實驗的實踐教學系統需求分析

1.1 電類課程實驗的特點

高職院校的電類基礎課程主要有電工基礎、電子技術，其中電子技術又包括數字電子技術和模擬電子技術，課程實驗以驗證性實驗和操作性實驗為主，每個實驗都有既定的目標參數，嚴格的操作步驟和流程，強調操作的規范性。例如，電路分析的實驗教學可分為以下3類：（1）電路的基本概念和定律;（2）電路分析常用定律與相關電路的驗證;（3）綜合與設計性實驗[3]。

實驗的操作過程中，需要掌握的知識和技能主要包括：能識別常見的元器件，能讀懂電子電氣線路圖，能根據線路圖、熟練使用常規的工具、按照線路規范操作進行實際線路的連接，能熟練使用檢測設備或儀器對線路的運行結果進行檢測和記錄，能根據實驗結果記錄進行電路分析。

1.2 學生的需求分析

目前，高職學生在電類課程實驗過程中，普遍存在著三大問題：（1）對實驗在未來工作應用場景不清晰、實驗目的不明確，不知道所做的實驗有何實際作用，不知道為什么要做這個實驗;（2）實驗儀器與設備有限、實驗時間短、動手能力跟不上，一般學生多人一組、集中實驗，大部分學生跟不上教師現場操作演示的速度;（3）對實驗結果質量不清楚，更不曉得自己在實驗過程中哪些因素影響了實驗效果。

因此，學生在電類課程實驗中對信息化實踐教學系統的需求主要集中在三點：（1）能明確知曉實驗與實際工作的關聯和區別;（2）能提高自己操作實驗速度;（3）能大致知曉自己在實驗過程中哪些操作影響了實驗效果。

1.3 教師的需求分析

目前，高職教師在電類課程實驗教學過程中，普遍存在著以下問題：（1）同一時段，實驗學生人數多，教師對學生的指導僅能是面上的，不能照顧到所有學生;（2）在實驗指導過程中，會由于經常處理學生同種或類似的操作錯誤，而導致實際教學效率低;（3）缺乏精確掌握學生實踐能力的有效途徑，無論是對學生個體實踐能力的具體情況，還是對整個班級的實踐能力情況都缺乏有效掌握，“因材施教”難以實現;（4）僅能從面上得到學生的實驗效果，無法精準掌握學生對實驗項目的操作過程，無法得到有效數據來支撐實驗項目內容的調整或重新設計。

因此，教師在電類課程實驗中對信息化實踐教學系統的需求主要集中在四點：（1）能擴大對學生實驗指導的范圍;（2）能減少處理學生同類操作錯誤的次數;（3）能相對精確掌握學生的實踐能力，知曉每個學生的實踐能力通過實驗在哪些方面提升了、在哪些方面還欠缺需要通過哪些方法進一步培養;（4）能反饋學生實驗的有效數據，以便輔助教師對實驗項目和實驗內容做針對性調整或重新設計。

2 ?實踐教學系統的開發

2.1 實踐教學系統的設計目標

根據電類基礎課程的實驗特點、學生和教師對實踐教學系統的需求分析，系統的設計目標主要有3點：

（1）覆蓋電工基礎、模擬電子技術、數字電子技術三門課程的實驗。

（2）覆蓋實驗前準備工作、實驗過程中的監測工作、實驗結果的反饋工作三大步驟。

（3）覆蓋每個學生的實驗教學，能反映每個學生個體的實踐能力培養過程。

2.2 實踐教學系統的整體架構設計

面向電類課程實驗的實踐教學系統，整體架構由前端實驗學習網站、實驗教學數據庫、后臺處理軟件三大部分組成，如圖1所示。

其中，前端實驗學習網站主要實現學生自學和實驗上傳、教師實驗成績在線評定、互動交流等功能，實驗教學數據庫主要實現實驗教學過程中文字、圖片、視頻等多種數據的存取功能，后臺處理軟件主要包括通信接口軟件、數據統計和分析軟件，實現學生每個實驗學習和考核數據的處理、實驗數據的統計和分析等功能。

2.3 前端實驗學習網站的設計

前端實驗學習網站緊密圍繞以學生能力提升為中心的理念進行設計，主體架構采用HTML5、PHP、Javascript、jQuery、ECharts、AJAX六大技術進行開發，主要包括了學生界面和教師界面2大模塊，涉及用戶權限登錄、實驗前自學頁面、實驗前考核頁面、實驗數據上傳頁面、實驗成績評定頁面、互動交流頁面、數據統計顯示頁面等7大類交互頁面，能夠為學生提供電類實驗的電氣原理圖、實際線路圖、線路連接操作視頻、設備儀器操作視頻、實驗講解視頻等自學資源，能支持學生在實驗過程中上傳文字、圖片、視頻等形式的實驗數據，能支持教師在線進行實驗成績評定和反饋。

其中，PHP超文本預處理器是服務器端的HTML嵌入式腳本語言，具有開源性、免費性、跨平臺性強、運行高效性、數據庫連接的廣泛性等特點，在本文中用于web網站主體開發;HTML5能支持網站更多視頻、音頻等多媒體元素的建設，在本文中用于各網頁界面設計;JavaScript、jQuery、ECharts等腳本語言，在本文中主要用于網站界面中數據圖表動態顯示、提供網站頁面的動態效果等;AJAX是一種創建交互式網頁應用的網頁開發技術，在本文中主要用于后臺數據操作。此外，網站的主體架構選用PHPStudy和Dreamweaver CS6軟件進行開發。

2.4 實驗教學數據庫的設計

實驗教學數據庫主要包括了實驗自學資源數據庫、學生自學數據庫、實驗操作數據庫、教師評審數據庫、資源共享數據庫等多個數據庫的構建。本文的實驗教學數據庫采用輕量級、開源的數據庫MySQL來開發，該數據庫能支持PHP、相對簡單，能降低開發成本。

其中，實驗自學資源數據庫不僅為學生提供實驗項目、實驗內容、實驗圖片等文字、圖片資源，同時提供實驗操作、實驗講解等視頻資源，以及電路的模擬連接和仿真資源;學生自學數據庫不僅為學生添加了姓名、系別、學號、電話、系部、專業等數據表，同時為了讓學生有更好的體驗，為學生提供了自學進度跟蹤表、自學考核表、自學反饋表等數據表。實驗操作數據庫為學生提供了現場實驗數據的文字、圖片、視頻等信息上傳和存儲的通道。教師評審數據庫為教師提供了不同班級、不同實驗、不同時段的實驗數據，方便教師通過權限登錄，為學生的現場實驗進行評定。

3 ?實踐教學系統的應用

通過實踐教學系統在實際教學中的應用，改變了傳統電類基礎課程的實驗教學過程，提高了電類課程實驗的教學效率和效果，具體如下。

3.1 實驗信息發布方式和學生實驗前學習方式的改變

教師通過登錄前端網站提前數周發布實驗項目和實驗內容，上傳實驗規范操作視頻和實驗過程講解視頻，上傳實驗要點的考核內容。學生通過登錄前端網站自學，不僅可以反復觀看和記憶在實驗操作過程的規范動作、了解容易操作失誤的地方，而且還可以進行實驗電路的模擬連接和仿真，并且必須要通過實驗要點的網絡考核。

根據系統的實際應用結果顯示，實驗前學生在線學習和考核時間平均約48min，相對傳統實驗教學增加了2倍以上的實驗熟悉時間。

3.2 現場實驗教學方式和學習方式的改變

現場實驗過程中，教師不必再進行現場演示，也不需要反復糾正學生容易出錯的操作，教學的關注要點從對學生實驗過程中操作步驟的關注，轉向對學生實驗結果是否符合預期以及影響實驗結果因素的關注;學生在實驗之初，就可以直接上手操作實驗或者通過登錄前端網站，邊觀看視頻邊操作實驗，提高實驗本身的操作速度，使學生有時間關注實驗結果和反復實驗修正結果。

根據系統的實際應用結果顯示，與傳統實驗教學相比，同樣的實驗時長，學生平均完成實驗線路連接和檢測的時間減少一半，速率提高1倍以上，學生與教師之間的交流頻率和時長提高近30%，實驗成功率提高近40%。

3.3 實驗考核和結果反饋方式的改變

學生在整個實驗過程中，不僅需要通過實驗前的要點考核，而且在現場實驗過程中需要嚴格按實驗操作要點，分階段的上傳或更新實驗操作步驟、實驗數據和圖片，因此實驗的考核方式從傳統的現場結果評分、報告評分，改變為實驗前自學結果評分、現場操作步驟評分、實驗結果評分、報告分析評分，特別是考核方式從傳統現場轉到網絡線上的評分和考核。學生實驗結果的反饋也從單一的分數結果，擴展為每個操作步驟正確情況、實驗結果關聯情況、實踐能力提升建議等多項內容。

根據系統的實際應用結果顯示，學生平均在10min之內就可完成實驗數據的上傳，教師平均需要用10～15min完成一個學生的實驗結果在線評測，每個學生都在線查閱每個實驗的步驟和結果的分值和評定。

3.4 實驗項目優化進程的改變

通過系統的應用，教師對實驗項目和內容的優化進程，從傳統的一個學期甚至多個學期獲得多個班次的統計數據后再優化，改變為每個實驗完成都會有具體的統計數據和項目優化建議，教師可以針對不同的班級實踐能力、甚至針對每個學生個體，修改和制定實驗內容。

4 ?結語

通過實踐教學系統的開發和應用，強化了學生對電類實驗的認知，優化了學生的實驗效率，教學質量和效果遠遠優于傳統電類實驗教學，但同時也增加了教師的工作時長，還需要進一步完善實驗步驟和實驗過程，減少人為評定，建立共享評測機制。

參考文獻

[1] 濮霞，陶炳坤，李楠，等.電工電子實驗課程中綜合性實驗的設計與實施[J].西部素質教育，2018，4（18）：167-169.

[2] 黃瑞，曹潔，周紅莉.電工電子實驗精品課程的教學改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2008（7）：76-77.

[3] 張文婷，王紫婷.電路分析實驗課程教學改革的研究與探索[J].實驗室研究與探索，2010，29（5）：146-147，195.