COVID-19 疫情期間高校電工電子實驗教學條件的多樣性保障

張曉莉，王鳳華，黃慧春，顧玉軍

（東南大學電工電子實驗中心，南京 211189）

0 引言

2020 年初，新冠肺炎全國蔓延，各高校立即響應國家公共衛(wèi)生事件應急預案，延期開學、控制返校，防止疫情向校園輸入擴散。在嚴峻的疫情背景下，具有實操性、實時性等特點的實驗教學工作難以開展。省教育廳發(fā)布了《普通本科高校疫情防控期間教育教學工作的指導意見》，意見中明確指出，各高校要利用好互聯(lián)網(wǎng)資源，結(jié)合自身的實際情況，因地制宜地開展線上教學。有條件的高校須發(fā)揮示范作用，向兄弟院校提供國家、省精品在線開放課程、線上線下混合式課程、虛擬仿真實驗課程，實現(xiàn)資源共享［2］。

部分仍然依賴傳統(tǒng)實驗教學平臺的高校顯得難于招架，無法有效地開展實驗教學工作。而很多原本處于“多平臺多渠道開放實驗環(huán)境”構(gòu)建階段的高校則提前進入了實戰(zhàn)模式，比如南京航空航天大學［3］、電子科技大學［4］、中國民航大學［5］以及我校等。其中，我校很早就開展并完善了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”“翻轉(zhuǎn)課堂”及“遠程在線實驗”［6］等模式的電工電子類實驗教學平臺建設，具備在疫情期間開展線上電工電子類實驗教學的先決條件。

1 疫情期間國內(nèi)高校實驗教學環(huán)境現(xiàn)狀

1.1 MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂教學模式

采用MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的高校對比傳統(tǒng)教學模式，可以有效解決疫情期間授課資源不足，且學生無法有效開展實驗自學的問題［7-8］。該教學模式是依托豐富的MOOC共享課程資源，在課前利用教師分發(fā)的教學資料自主學習課程，然后在課堂上參與同伴和教師的互動完成練習的一種教學形態(tài)［9-14］。

學生可以通過仿真軟件及“個人實驗室”完成自主學習。“個人實驗室”是一種綜合性的口袋設備，不受時間場所的限制，隨時隨地可以開展電子技術實驗。在疫情發(fā)生前，“個人實驗室”已經(jīng)廣泛應用于各大高校的電工電子類實驗教學［15-16］，比如模擬電子電路實驗、數(shù)字邏輯電路實驗（以下簡稱模電、數(shù)電實驗）等等。疫情發(fā)生后，多所高校為學生提供了“個人實驗室”和FPGA板卡的借用服務，使得學生“在家做電路實驗”成為現(xiàn)實。

該教學模式是疫情期間應用效果較好的一種電子類實驗教學模式，即使處于居家隔離狀態(tài)，學生依然可以通過仿真軟件設計優(yōu)化+“個人實驗室”電路搭接的方式完成練習。然而，整體實施成本過高，不利于全面推廣。并且考慮到學生在家的不可控性，教師在教學活動中的參與度不夠，無法真正掌握學生的學習情況，最終難以達成滿意的教學效果。

1.2 “互聯(lián)網(wǎng)+”線上線下結(jié)合的教學模式

總結(jié)目前典型的電工電子類實驗教學模式的特點，發(fā)現(xiàn)就保障疫情期間師生實驗教學條件這一點上，需要綜合考慮實施成本、教學互動、教學效果等多方面因素。結(jié)合高校實際條件整合各方面的優(yōu)勢資源，完成線上線下的有效融合，盡最大能力滿足教學效果等效目標。

綜上，在疫情期間中心提出并實施了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”線上線下相結(jié)合的新形態(tài)實驗教學模式（見圖1）。該模式充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，基于軟件設計仿真優(yōu)化這“1”種主要的線上實驗形式和“個人實驗室”、在線實境實驗、線下綜合實驗室這“3”種實物實驗平臺（見圖2），通過多人實時會議軟件實施網(wǎng)課，完成整個實驗教學過程。

圖1 “互聯(lián)網(wǎng)+”線上線下結(jié)合的實驗教學模式

圖2 “1 +3”實驗教學形態(tài)

該模式既能保障疫情期間實驗教學工作能夠正常開展，又能避免學生因長期使用仿真軟件學習電子類實驗所造成的認知偏差。教學實施過程靈活多樣，實驗渠道共享開放。

2 實驗教學環(huán)境保障具體實施

2.1 整體思路

立足“互聯(lián)網(wǎng)+”線上線下結(jié)合的實驗教學模式，為保障每個實驗教學環(huán)節(jié)的有效進行，以2019-2020學年度春學期的模電實驗和數(shù)電實驗教學為例，對于疫情期間關于教學條件保障方面的整體實施思路，如圖3 所示。

圖3 疫情期間電工電子類實驗教學環(huán)境保障整體思路

在居家隔離和復學返校這兩個階段，教學環(huán)境保障工作的側(cè)重點略有不同：①學生居家期間主要通過軟件設計仿真與“個人實驗室”、在線實境實驗相結(jié)合的方式開展線上網(wǎng)課實驗學習。這個階段本單位的重點工作在于通過教學保障、在線答疑、實驗管理、技術維護等形式確保線上實驗教學活動的平穩(wěn)運行；②返校后在滿足疫情防控要求的大前提下，可遵循以線下為主，線上為輔的實驗教學原則，綜合各自的優(yōu)勢，靈活安排。這個階段需要將疫情防控作為工作的重中之重，合理安排設備、耗材的維修、供應，合理規(guī)劃實驗授課環(huán)節(jié)及驗收計劃，并做好應急預案。

2.2 實施前準備

在實驗網(wǎng)課開課前1 個月，教研組對本學期的模電、數(shù)電實驗內(nèi)容及教學計劃作了適時的調(diào)整。一方面是為了匹配理論課程的進度；另一方面，面對因疫情防控而導致的返校時間點不斷被調(diào)整的現(xiàn)實，在居家隔離期間既要保障實驗教學正常有序開展，又要盡量達成實驗教學目的這兩者之間反復取舍，做了大量的推演、預案，最后總結(jié)出合理的實驗教學計劃及施教指南，以期達到教學質(zhì)量等效的目的。

在確定了教學計劃的同時，本單位也統(tǒng)一了實施教學活動的主要平臺，包括授課軟件以及線上實驗依托的仿真、實物實驗平臺。在正式開課前，需要任課教師主導學生完成實驗教學環(huán)境相關的基本檢查工作，如表1 所示，按照硬件/網(wǎng)絡環(huán)境檢查→多人實時會議軟件安裝檢查→仿真軟件安裝檢查→個人實驗箱及附件確認的檢查流程，在開課前做好環(huán)境測試，確保實驗網(wǎng)課能夠順利地開展。

表1 電工電子類實驗開課前檢查項及標準

2.3 線上教學、多平臺實驗

學生居家隔離期間，實驗教學的主要形式為線上網(wǎng)課教學，實驗以仿真軟件為主，多個實物實驗平臺作為輔助學習補充。

以模電、數(shù)電實驗教學為例，指導老師在課前布置實驗預習任務，學生可通過MOOC 或班級QQ 群獲取教學參考資源，通過仿真軟件、“個人實驗室”、在線實境實驗等平臺完成預習預搭。課上師生通過“騰訊會議”完成教學互動（內(nèi)容講解、答疑），學生通過共享屏幕或者提交錄屏視頻的方式向老師展示實驗電路，并按要求完成驗收。之后學生自行整理預習設計、數(shù)據(jù)處理、實驗總結(jié)等過程作為實驗報告內(nèi)容，及時提交至統(tǒng)一的電子報告平臺。針對有“個人實驗室”的院系學生，安排期末線上考試。

總結(jié)這個階段本單位的教學條件保障工作，主要體現(xiàn)在：

（1）網(wǎng)課教學環(huán)境保障。由于使用騰訊會議作為授課媒介，為保障實驗網(wǎng)課的正常進行，指導老師需要在課前做好冗余備份，確保課程不中斷。教師可自行準備機器登錄備用賬號，或使用本單位提供的臺式機。

（2）“個人實驗室”設備保障。在開課前1 周，安排并完成一個電類院系共計167 位學生的設備免費借用服務。通過供貨商和本單位工作人員的共同努力，分批次、共計耗費13 d將所有設備寄送到了109 個省市自治區(qū)的學生家中，一并寄出的還有實驗需要用到的一些耗材附件。這部分同學在家就能完成實物電路的搭接調(diào)試操作，并通過在線共享視頻或提交離線視頻作業(yè)的方式反饋給指導教師驗收。

（3）實驗平臺日常維護。組織、安排包括“個人實驗室”、在線實境實驗平臺、電子報告系統(tǒng)在內(nèi)的多個實驗平臺系統(tǒng)的日常維護工作，包括實驗資源分配，入門指導、在線答疑及后臺服務器設備維護等。

（4）在線實境實驗平臺對外開放。聯(lián)合服務商為不能返校上課的學生提供免費的在線實物實驗教學服務平臺—“東南在線實驗”。該平臺通過微信公眾號、QQ群等渠道為使用者提供入門指導及在線幫助，目前已開放的課程有“電路實驗”“模擬電子電路實驗”和“數(shù)字邏輯電路實驗”。其他院校的師生也可以申請賬號使用，達成教學資源共享目的。

（5）線上考試保障。提前制定并演練期末線上考試的具體實施細則，安排教室及考務人員，測試相關設備及網(wǎng)絡等。正式考試時，監(jiān)考教師使用“騰訊會議”監(jiān)察學生的實時狀況，并對考試全程錄屏存檔。

2.4 線下為主、結(jié)合線上

學生返校后，采取以線下驗收為主、結(jié)合線上的方式開展電子類實驗。和居家隔離期間一樣，實驗授課可以充分利用MOOC 資源，結(jié)合線上線下的不同優(yōu)勢、合理安排。根據(jù)實際情況合理安排實驗室資源，分批次分時段開展實物驗收。

（1）設備耗材補充領取。釋放“個人實驗室”庫存，惠及更多的學生。待補發(fā)元器件及連接線等耗材的學生，須在指定的時間范圍內(nèi)于室外過道大廳間隔1 m排隊領取物品，嚴格控制人流密度。

（2）學生自助領用設備耗材。確保各實驗室內(nèi)，每一種儀器設備、附件（探頭、開路電纜等）、芯片器材等有必要的備份。

（3）專員值班，防控任務落實到人。每日8：00～17：00 開啟各實驗室門窗透風；在每日21：00 前完成對每個教室講臺的消毒工作；每日21：00 到次日7：00每個教室開啟紫外線消毒燈（確保學生不在場）。

（4）合理安排實驗教學。交叉安排座次、單人單組實驗。確保每位實驗者的操作面積不少于5 m2；實驗過程中全程通風、全員佩戴口罩，注意相互防護，確保安全；線下分批驗收，結(jié)合線上驗收（共享屏幕或錄屏視頻），靈活機動。

3 實施效果

3.1 教學條件保障達成情況

在整個2019-2020 學年春學期學生居家隔離期間，模電、數(shù)電實驗網(wǎng)課教學活動中，學生整體出勤率高達99%，課內(nèi)實驗驗收率超過90%，使用統(tǒng)一實驗管理平臺提交電子報告的同學也超過了90%。

以本學期參與實驗教學的7 個院系共計1 456 個學生作為樣本，統(tǒng)計學生對各實驗平臺的實際使用情況，結(jié)果呈現(xiàn)多樣性（見圖4）。①從結(jié)果上看，電路仿真軟件使用率最高，其使用不受場地和時間的限制，是疫情期間的主要實驗平臺；②“個人實驗室”實驗教學效果很好，但因投入成本問題，疫情期間只能滿足一部分院系學生的需求；③在線實境實驗平臺作為輔助的實物實驗教學平臺，目前已能正常開展模電、數(shù)電實驗及電工學實驗等課程的教學。但是本學期本單位主要還是針對模電實驗課程使用，沒有將該平臺的價值最大化。課程實際參與使用的學生占比數(shù)令人滿意，但仍未達到飽和，這和平臺的建設成熟度以及學生的實驗積極性正相關。④受條件所限，還是有大部分的學生沒有通過實際硬件電路搭接完成電路實操學習。待恢復線下教學后，應組織對這部分同學補充實操內(nèi)容的學習。

圖4 教學條件保障達成度

3.2 師生滿意度

在實施保障的過程中，就實施效果對1 個教學班級共30 個學生展開了問卷調(diào)查，結(jié)合“東南在線實驗使用問卷調(diào)查”的結(jié)果，從多個維度統(tǒng)計了針對本學期模電、數(shù)電實驗教學條件保障的師生滿意度情況。

如圖5 所示，師生對于疫情防控達成度、實驗平臺的多樣性均表示了肯定；但溝通效率變低，負擔加重也是共識。而對于教學目的達成度，學生和老師從各自的角度則表達不同的意見。由于在線實驗教學的特殊性，教研組對于模電、數(shù)電實驗內(nèi)容的難度、深度均有不同程度地調(diào)節(jié)。從學生角度看，降低實驗難度對學生的自信心有一個促進作用。另外，由于大部分實驗都是使用仿真軟件完成，大大減少了硬件電路容易出現(xiàn)的功能問題，整體實驗的完成難度有降低。但是對于教師而言，很多知識點無法通過虛擬仿真的形式讓學生感知，較為遺憾。

圖5 師生滿意度總覽

而“東南在線實驗”平臺的滿意度統(tǒng)計結(jié)果（圖6），也說明了該實驗平臺自上線以來得到了校內(nèi)外師生的普遍認可。

圖6 在線實境實驗滿意度調(diào)查

4 總結(jié)與展望

本文列舉了新冠肺炎疫情期間在保障電工電子類實驗條件環(huán)境方面所做的工作，體現(xiàn)了立足于“互聯(lián)網(wǎng)+”線上線下相結(jié)合的教學模式，圍繞“1 +3”實驗教學形態(tài)開展實驗教學環(huán)境保障工作的思路。

實踐表明在疫情暴發(fā)前就已經(jīng)具備了在線實驗教學的能力，“個人實驗室”及在線實境實驗有效地彌補了仿真軟件的不足。而多樣性保障措施，有效地支撐了各實驗平臺的有效運行。其中應用經(jīng)驗，在目前疫情未完全解除并且將防控作為常態(tài)化工作的大背景下，對沒有全面開展電工電子類實驗教學工作的兄弟院校有很大的共享經(jīng)驗價值。

總結(jié)本學期對于實驗教學條件的保障工作，應立足已發(fā)現(xiàn)的問題，揚長避短。可以將已有的經(jīng)驗形成規(guī)范，在保障疫情防控這一大前提下，有效降低師生的工作量投入，提高師生的教學達成度及滿意度。

高校電工電子實驗教學的發(fā)展不應只在疫情等特殊情況發(fā)生的時候才開始有新的思考，而應堅持不懈地著力于學生的培養(yǎng)以及實驗教學的建設［17］。以此為契機，應大力推動信息技術與實驗教育教學深度融合，改進實驗教學方法，深入推進實驗教學改革［2］。