在線教育在高等學校實驗教學中的實現

呂念玲， 秦慧平， 殷瑞祥， 李 斌

（華南理工大學電子與信息學院，廣州510640）

0 引 言

我國從2005年開始開展工程教育認證，并于2013年6月加入了世界上最具影響力的國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》，有力地推動了我國構建與國際實質等效的工程教育認證體系，培養面向世界的中國工程師［1］。2017年，教育部發布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》，對人才的工程能力培養提出“理念新、要求新和途徑新”的要求［2］。實驗教學作為工程教育的重要組成部分，如何突破技術瓶頸和管理障礙，尋求實驗教學質量的再提升，是當前教學研究的焦點所在。本文就是取在線教育之長，補傳統實驗教學之短的思考與實踐。

1 在線教育的發展及其特點

互聯網的出現改變了人們的生活，也推動教育方式的革新。2011年第一門MOOC課程——斯坦福大學Sebastian Thrun教授的研究生課程《人工智能導論》上線；2012年開始，Coursera、Edx及Udacity三大MOOC平臺向全世界提供世界著名高校的相關專業課程［3-4］。國內高校于2013年開始，也出現了MOOC熱潮；相關的主管部門、學校、教師對在線課程、MOOC、微課表現出極大興趣。以MOOC（Massive open online course，大規模開放在線課程）為代表的在線教育，成為高校實施在線教育的主要模式［5-7］。

經過多年發展，現階段在線教育具有以下特點：

（1）互聯互通的廣泛性。對于學習者而言，通過互聯網，MOOC讓世界上每一個學生都有機會選修最頂尖大學的優秀課程，擺脫了時間和地點的限制，使得高質量的課程資源可以觸及任何一個能接入互聯網的終端設備，優質課程資源的易獲得性，平衡了教學資源分配、提高了高質量教學資源的受益面［8］。

（2）受眾的自由性。由于基于寬帶網絡、智能手機和移動技術的迅速普及，在線教育受眾面越來越廣泛。任何人都可以通過互聯網完成在線教育的注冊，并且學習者的數量和時空不受限制，可以按照自己的情況合理安排學習過程和內容，靈活選擇不同學校的課程資源，降低了課程的進入門檻，時空和經費對學習的影響降到極小。

（3）過程與行為記錄的實時性。在MOOC平臺上，學生提了哪些問題，做了哪些練習，練習題做得怎樣等都被在線實時記錄下來，成為觀察學習過程、評價學習效果的依據。在線記錄學習的過程與行為，是在線教育有別于傳統課堂教學的最顯著特點［9］。

（4）效果評價的透明性。在線課程面向更為廣泛的學生和教師群體，有可能獲取更大數量、更客觀的反饋與評價。課程好不好，上網去亮亮相；學生說好，才是真的好！在線課程讓某一高校的課程與教學質量不再是本校的事情，教學質量的評估在全國甚至全球范圍內變得具體而透明。優質課程的提高與進步，獲得強大助推力。

2 高等教育實驗教學的特點與突出問題

高校的實驗教學是以培養工程實踐能力為目標，與面向知識傳授的理論課程教學存在較大的差異性，而現階段的實驗教學具有以下幾個特點和問題。

2.1 對資源的依賴性強

實驗教學與理論教學不同，實驗課對資源的依賴非常強，即實驗教學往往需要在特定地點（實驗室），借助特定工具（儀器設備），才能完成對特定實驗對象（元件、器件或系統）的研究［10］。學生很難突破時空的制約，在實驗室之外的宿舍和自習室得到完備的實驗條件。課外實驗實踐教學的開展舉步維艱，是目前不爭的事實。近年來，雖然虛擬仿真實驗軟件研發不斷進步，但其“仿”的效果，遠不能替代從實驗現場獲取“真”經驗。

2.2 過程管理有效性差

實驗課教學的目標是通過成熟的內容，訓練學生的動手能力。因此，獲取實驗結果不是高校實驗教學的目標；通過實驗操作過程，訓練學生的實驗思維、提升動手能力才是實驗教學的重點關注。因此，實驗過程比實驗結果更重要［11］。

傳統實驗過程通常由實驗預習、實驗實施和提交實驗報告3個環節組成，主要工作內容包括：閱讀預習報告或以提問方式檢查預習情況；實驗課堂上輔導、答疑及糾正錯誤操作；課后批改實驗報告。該過程主要依靠教師人力實施管理，且存在不足。

（1）管不過來。實驗課上，主講教師和實驗輔導人員承擔整個實驗課幾十個學生的答疑、糾錯、輔導、數據審核或實驗驗收等工作，其注意力幾乎都投放在幫助實驗出現故障問題或實驗失敗的學生身上；實驗過程不提問的學生就沒有問題么？顯然不是，只是老師們顧不過來。

（2）教不到位。實驗課上集中講授，只解決實驗共性問題；過程中，學生個體出現操作錯誤，數據誤差無法得到及時糾正，過程管理無法體現因材施教。

（3）了解不足。教師僅知道學生是否做了預習、實驗測量結果是否正確等“表面現象”，而學生實驗技能是否掌握、熟練程度及應用能力等反映學習效果的“深層次信息”了解不全面，對實驗的實際效果心里沒數。所以，高校實驗教學過程管理有效性比較差。

2.3 缺乏自整定機制

教、學相長，實驗教學也一樣。教學過程中，學生和課程都需要持續改進。學生要在學習中及時調整學習策略，才能提高學習效率。課程內容和教學方法及時優化，才能取得好的教學效果。傳統的實驗預習、實驗操作及提交報告是單向、開環的過程，有價值的學情信息流失。效果評價需要足夠多的客觀依據，必須強化教學過程大數據收集，并以其為紐帶，把教學設計、過程管理、效果分析與反饋調整等環節緊密關聯起來，形成閉環的、直接作用于教師與學生的實驗課程信息處理系統，才能實現實驗課程有效的自我整定和質量的持續提升。

2.4 發展不平衡，孤島現象嚴重

實驗實踐教學水平，直接影響人才培養質量。但實驗教學隊伍偏弱，水平提升受理念、內容、資源、管理等諸多因素共同作用。發達地區、前列高校，集中較多的優質實驗教學資源；而邊遠地區，推動教學改革存在較大困難，理念、內容及手段滯后。在缺乏校際交流，同行間信息不暢的當下，各干各的。加速實驗實踐教學質量整體提升的呼聲大，實招少。所以需要采取有效方式，切實推動優秀實驗課程資源校際共享，改變各校實驗教學的“孤島”現狀，實現高校實驗室在基礎設施、管理及資源應用層面的“動態融入”，達成實驗教學與先進理念的“緊密跟隨”；縮小甚至填平傳統的因地域、時間和師資力量導致的教育鴻溝［12］。

3 在線教育在實驗教學中的實現方法［13-15］

工程教育不能缺少實驗實踐教學，而且工程專業認證對實驗實踐教學的要求很嚴格，人才能力的培養更需要扎實的實踐教育支撐。但是當下如火如荼的MOOC課程多限于理論教學課程，實驗在線教育呼聲大、動作少。在線教育的發展模式提示需資源共享方向，實驗在線教育必須克服困難，把握機遇，有所作為。

電工電子實驗的主要測量對象是電參數，電參數具備易于在線獲取、存儲的特點，因此電子技術實驗教學實施在線教學與管理，擁有更多有利的條件。現結合電子技術實驗教學領域介紹在線教學方法。

3.1 實驗上網，發揮共享效益

實驗是用來“做”的?；ヂ摼W覆蓋的地方，學生都可進行實驗研究。優質實驗項目共享才能達到效益最大化，讓身處不同地方的學生都能保質保量完成同一個實驗，是一項大工程，必須創造以下條件：

（1）在線管理條件。具備發布實驗項目，學生信息收集管理、在線監控實驗全過程、獲取并記錄關鍵數據、自動進行效果評價等功能。

（2）提供實施實驗所必需的軟件、硬件條件。采用計算機終端操控硬件設備，開展遠程實物實驗。

（3）具備信息反饋通道。實驗完成，學生有機會反映其真實體會及評價，并提出意見與建議；系統動態推送優質實驗項目排行榜，鼓勵優質實驗項目共享。

讓實驗項目亮相，打破壁壘，推行共享共建。

3.2 將資源依賴變為在線認證優勢

高等教育承擔學生知識傳授與能力培養的同時，也承擔認證職能。實驗學習過程中的抄襲、代做、代考等行為，都有悖于認證的真實性原則。實驗教學對資源的依賴性，主要是指必須借實驗設備和實驗室空間才能進行實驗學習和訓練的教學特點。這曾是阻礙資源共享的短板，但學生身處獨一無二物理空間的真實性和充足的設備支撐條件，恰好為實時采集數據提供了可能；為數據的真實性做了背書；為動態認證提供了依據。只要利用技術手段，將特征數據收集起來，就可成為認證優勢。關鍵環節有2個：

（1）人臉識別登錄。學生進入實驗室，刷臉登錄實驗管理系統。改進刷學生卡進入實驗室，身份真實性存疑的問題，也為后續監控的開展提供比對依據。

（2）全過程的不定時掃描。使用攝像頭，不定時采集實驗現場每張實驗臺學生的面部信息，與登錄人的面部信息比較?？梢圆捎靡幝捎|發掃描、條件觸發掃描和強制觸發掃描相結合的方式；發現人不在、換人及上傳數據的時候，觸發多次掃描和強制掃描，有效實施動態認證。

3.3 在線獲取實驗實施大數據，提升管理有效性

實驗現場反映的問題，是做出教學效果研判的最可靠依據；在線獲取數據，是了解實驗實施情況最真實、最便捷的方法。關鍵數據有2類：

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

（2）實驗過程狀態數據。采集實驗操作過程中重復次數、時間、試錯及速度等數據。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一提交至后臺。學生提交次數、實驗準確率，以及提交的過程數據在系統后臺按一定算法定時進行計算后更新。

3.4 精準分析推送，達成閉環整定

在海量學情大數據基礎上，通過挖掘和篩選，可以獲得滿足不同教學觀測視角所需的分析結果。達成這個目標，需要3個步驟：

（1）打標簽。每一類的學情數據都被打上多個“標簽”，即被賦予了多重的意義；在不同的應用場景下，形成各有權重的數據組合。

（2）建立數據與評價觀測點的映射關系。設計關鍵效果評價指標的數學計算模型。

（3）軟件編程。通過軟件設計，自動將分析結果推送給指定對象，實現數據獲取、分析及應用的閉環。

4 在線實驗教學系統的實現與應用

學校開發了電工電子實驗在線共享管理平臺，借助技術工具，推動實驗在線教育的實施。

4.1 系統實現要解決的主要問題

4.1.1 解決電源條件控制問題

配合管理過程中實驗臺條件供電的需要，開發了電類實驗臺電源智能控制系統。包括控制開關硬件，以及實現實驗預習自動組卷、自動評分、滿足條件時命令控制開關自動接通的軟件系統。電源智能控制的具體實現，如圖1所示。采用B／S＋C／S結合使用的模式解決瀏覽器的限制問題。系統數據都存儲在遠程服務器，考慮到實際的應用場景系統采用B／S架構進行開發，為了實現智能電源的控制效果和解決瀏覽器的限制問題，引入基于C＃開發的客戶端程序。系統在服務端設定了多重邏輯條件，當滿足特定條件的要求時，客戶端作為服務器和電源通信的中間橋梁，傳達著彼此的指令信息。

圖1 電源智能控制的具體實現

4.1.2 解決在線做實驗的問題

開發遠程在線實驗管理系統，其中ELF-BOX遠程智能實驗平臺包含真實的實驗元器件、電路實物模塊及實驗用示波器、電壓源、信號源和頻譜儀等真實測量儀器；學生可以在實驗室外具備網絡條件的任何地方，通過計算機遠程操控智能實驗平臺上的實物電路和測量儀表，實現如在現場操作一樣的電路元件調整效果和測量結果。借助此系統，按要求上傳的關鍵數據被自動存入學生賬號。實現遠程全“真”硬件實驗，實驗室內、外大數據采集無死角。圖2是遠程在線實驗管理系統構成示意圖。

圖2 遠程在線實驗管理系統構成示意圖

4.1.3 解決數據在線獲取的問題

系統必須支持不同品牌測試儀器接入，滿足根據課前老師設置的實驗監測點，學生完成實驗的同時提交數據，系統自動采集，確保數據真實性、不可作弊的要求。除了實驗測量數據采集之外，學生實驗的過程數據全部在采集范圍之內，例如：試錯因數、速度因數等，用于課后學情分析。由于瀏覽器應用無法直接訪問本地設備，需要在本地安裝一個Windows服務，用來提供本地Web服務，作為連接瀏覽器應用與本地硬件控制應用的橋梁。將VISA控制模塊內置到本地服務中，這時瀏覽器通過http請求本地Web服務，即可實現對本地儀器控制。圖3為在線數據獲取示意圖。

4.2 應用亮點

4.2.1 有效推行實驗準入制

學生進入實驗室，強制進行預習檢測：系統隨機組卷，在15～20 min內，最多可以進行3次檢測；只有達到60分條件，實驗臺才自動上電：預習效果不達標，該次將無法做實驗。系統對所有用戶一視同仁，做出的判斷客觀而嚴謹；人機對話，避免了師生面對面可能引發沖突，使嚴格的實驗室準入制度，以學生可以接受的方式柔性落地。強制預習帶來學習風氣的改變，學生投入實驗預習和準備的積極性和主動性被激發，實驗質量和效率大大提高。圖4是我校電信學院2018級創新班進行“儀器與測量”實驗項目時，現場預習檢測的情況統計截圖。

圖3 在線數據獲取實現示意圖

4.2.2 全過程自動監控，無死角獲取數據

圖4 實驗現場預習檢測情況統計截圖

實驗臺計算機熒光屏上方的攝像頭不定時對實驗操作者進行掃描，確認實驗者為本人；實驗開始前，教師按照實驗要求，設置關鍵檢測點；實驗過程中，系統自動記錄學生上傳的數據和刷新的次數，如圖5所示是系統后臺實驗過程數據的原始記錄表截圖；表中記錄了學生實驗過程中首次上傳數據錯誤數量、最后一次上傳數據正確數量以及每個數據被刷新（試錯）次數，并自動做出正／誤比率統計。以上是實驗室現場數據獲取情況。實驗室外操控ELF-BOX的過程記錄由遠程實驗系統獲取，記錄到后臺數據庫。課內課外過程監控與數據收集無一遺漏。

圖5 系統后臺實驗過程數據的原始記錄表

4.2.3 大數據分析結果精準推送

系統通過對預習檢測、實驗現場操作及學生提交實驗報告的數據分析，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、易程度等的大數據分析結果推送，診斷教學設計的問題，優化教學內容。學生則能從系統推送信息，看到自己實驗過程出錯的詳細記錄，獲得教師對于改進不足之處的點評與建議（關聯推送）等個性化學習指導，明確每次實驗存在的優勢與不足，及時調整學習策略。

4.2.4 實現雙閉環整定

在線實驗教學流程，形成了基于學情信息獲取、分析及反饋的雙閉環系統，達成實驗項目與實驗課程的自整定。圖6是在線實驗教學雙閉環整定過程的示意圖。小閉環，將傳統的“實驗預習—實驗實施—提交報告”的單向開環實驗學習過程，變為“實驗實施—達標評價—附加訓練（補短）—再評價…直至達標”的過程控制，及時發現實驗問題，引導學生及時調整學習策略，實現個性化教學。大閉環，則基于實驗課程的實施數據綜合分析，調整優化課程中各實驗項目的設計，從而實現實驗課程的持續改進。

圖6 在線實驗教學雙閉環整定過程示意圖

5 結 語

“互聯網＋”與教育教學的深度融合，令傳統實驗教學在教學體制、教學理念和教學方式方法等方面獲得更為寬廣的創新改革路徑。在信息技術支持下，挖掘數據價值，改革運行機制，消除實驗資源共享壁壘，切實提升教學質量，我們要做的探索還有很多。