新工科背景下實驗教學智能管理系統研究與設計

周錦榮 吳朝榮 周慰君 喻文雨 魏搏濤

摘? 要? 信息化實驗教學和實踐育人的人才培養模式構建是國家高等教育新工科建設的重要組成部分。以提升學生實踐創新能力培養為出發點，對電子信息專業實驗教學環境、教學方式和教學智能化管理的信息化實驗教學模式改革進行探索與實踐，利用無線物聯技術和虛實結合實驗模式對實驗環境、實驗儀器設備互聯共享以及實驗管理方式進行優化利用，進一步推動實驗教學方式和管理信息化。

關鍵詞? 新工科；實驗教學智能管理系統；實驗室

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）12-0030-05

Abstract? The construction of a talent training model based on informatization experimental teaching and practical education is an important part of the construction of new engi-neering disciplines in national higher education. This article takes as the starting point to improve the cultivation of stu-dents practical and innovative ability. It has explored and practiced the reform of the informatization experimental teaching model of the electronic information major experimental teaching environment， teaching methods and teaching intelligent management. The wireless Internet of Things technology and the combined virtual and actual experimental teaching mode are used for the experimental environment， the interconnection and sharing of experimental equipment and equipment， and the integrated design of experimental management methods. This design is used to further improve?experimental teaching methods and management information.

Key words? new engineering; intelligent management sys-tem for experimental teaching; lab

0? 引言

實踐育人是高校落實新工科建設“三全育人”的重要組成部分，是培養應用型、創新型人才的重要手段[1-4]。實驗實踐是工科人才培養過程中實現理論知識理解與實際應用相結合的主要教學途徑之一。隨著新工科建設信息化教學的進一步推進，越來越多高校的電子信息類專業實驗室已由原來的傳統型硬件實驗室轉換為集硬件與仿真為一體的虛實結合的實驗教學體系[5-8]。然而，部分高校原有實驗室始建較早，大部分實驗儀器設備與相關實驗技術更新不及時，設備因老化等原因損壞率逐年增加，對保證實驗教學正常實施和實現良好的實驗教學效果產生一定的影響。近年來，為了增強學生的綜合設計實踐能力，更好進入實踐環境的維度，虛實結合的實驗平臺構建成為實驗室升級改造和教學模式改革的方向。因此，實驗室軟硬件建設提升，以及實驗教學方法、實驗教學模式改革優化成為實現新工科實驗教學信息化轉型發展的重要途徑[9-11]。

《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》《教育信息化2.0行動計劃》《中國教育現代化2035》等一系列戰略規劃的發布，旨在加快推動我國教育信息化升級，助力教育強國建設[9，12-13]。在此背景推動下，智能實驗室建設與管理在電子信息工程、電子科學與技術、電子通信工程等工科專業開設的專業課程實驗教學中得到廣泛應用，實驗教學信息化模式改革持續深化。本文以閩南師范大學物理與信息工程學院與福建利利普光電科技有限公司共同承擔的漳州市重大科技專項以及教育部產學合作協同育人的產教融合研究項目成果為背景，分析基于無線物聯的實驗教學智能管理系統的設計思路和作用，為新工科實驗教學改革實現高效、信息化、智能化提供參考。

1? 實驗教學智能管理系統模式總體構建

在電子信息工程、電氣工程及其自動化等電類學科專業中，電路原理實驗、模擬電子技術實驗、數字電子技術實驗以及相關課程設計是專業實踐教學中極其重要的組成部分。為了更好提升實驗實踐教學信息化管理水平，設計以傳統基礎和專業實驗課、實訓實踐課程常用的示波器、信號發生器、電源、萬用表為核心的四件套組合實驗教學智能管理系統。該系統以實驗教學統一集成管理與師生互動為宗旨，以充分發揮實驗室資源利用效率，服務于師生為目標，進一步滿足實驗室使用者和管理者的需求，同時結合實訓室管控軟件平臺支撐，可拓展到實驗室智能門禁、視頻監控、遠程電控等，整合至一個平臺進行全面動態管理與控制，實現實訓室的有效監控和智能化管理。系統總體設計思路如圖1所示。

實驗教學信息化、智能化和遠程實驗教學實施是當前實驗教學改革研究熱點，特別是近年來國內外疫情影響對傳統實驗實踐教學提出新的挑戰，遠程實驗教學得到快速應用[14-17]。由于工科專業的實驗實踐教學具有較強的CDIO工程教育模式特點[18-20]，要求學生在學習中具備知行合一能力，因此，對學生實驗實踐教學的要求具有較好可操作性和實際場景擬合應用特點。實驗教學智能管理模式設計的總體思路是把不同實驗臺上的測量儀器通過Wi-Fi/LAN及ZigBee都連入互聯網，并可在網絡中的任何一端進行遠程通信。其中擴展部分可實現Wi-Fi/LAN、ZigBee雙連接，局域網可通過教師電腦連接實驗室設備與儀器，也可通過手機APP云服務器對實驗室環境進行監測控制。如圖1所示，系統通過實時發送教學信息到使用設備上，查看并保存數據及測試結果，并可在線編輯提交實驗報告；自動跟蹤記錄儀器使用情況，包括儀器型號、序列號、狀態，統計使用時間和位置信息，了解學生實驗動態和學習情況。

2? 實驗教學智能管理系統構建是教學質量

監測的重要手段

隨著高校新工科建設的不斷深入，學生的實踐能力和創新能力培養越來越受到重視。工科類學生進入實踐學習環節的專業實驗室，智能管理實驗室對培養學生的實踐能力、科學實驗精神以及嚴謹的實踐態度都具有重要作用。智能管理系統分為基礎數據及教學管理兩部分，包括實驗室、教師、學生、課程、項目、設備等基礎信息；可以對學校、學院、專業、班級進行四級機構設置和權限設置；支持人員信息批量導入導出，可以快速部署系統信息。實驗教學管理主要功能如圖2所示。

2.1? 實驗教學管理、教學角色管理人性化

實驗教學管理主要有課程信息管理、預習管理、角色及功能設置等功能，可分別進行教學計劃內實驗排課管理，實驗課表、實驗成績管理、查詢、統計等；也可以根據不同實驗設置預習題，學生實驗前需提前完成習題，分數合格后方可進行實驗。預習題可實現自動批改，無須增加教師負擔，同時讓學生提前熟悉實驗課程，課堂上能專心動手做實驗，減少實驗原理和步驟講解。

教學角色管理主要由管理員端、教師端、學生端三部分組成。其中，管理員端主要功能是配置本校課時，進行課程管理、排課管理，安排做實驗的地點和時間。利用教師端，教師可以自定義實驗模板，為每門課程添加需要做的實驗，查看自己的排班，查看學生的預習情況、實驗過程中提交的數據，并給學生的實驗報告進行評分。教師可以自定義擴展一些內容，以便學生更好地了解和完成實驗，實現實驗教學目的。教師設定預習合格分數，系統會判斷該學生的預習成績是否高于合格分數，以設定他能否直接去做實驗，還是需要重新預習。實驗過程中學生可在線提交實驗數據，每次提交的數據都會和監測點進行范圍比較來判斷對錯，教師在評定該學生的最終實驗成績時也可參考其實驗過程的監測點有沒有達標。實驗課程的信息化管理如圖3所示。利用學生端，學生可查看要上的課程和要做的實驗，查看實驗詳情；查看實驗過程中提交的數據和監測點的比對情況，編輯完成實驗報告填寫；在實驗列表中可以參加預習并查看實驗數據、教師的評分和評語等。實驗報告編輯時可以手工填寫報告正文，上傳數據記錄表、圖片等其他附件，如圖4所示。

2.2? 實驗過程動態管理多樣化

在實驗過程中，學生通過校園卡刷卡開機并與賬號綁定，使用自己賬戶完成實驗，實驗結束后當場提交自己測量的數據，完成實驗報告撰寫。教師可在線進行批閱，并針對學生的實驗預習、實驗操作、實驗報告情況分別進行打分。由教師申請，以管理員審核通過的自主實驗、自擬實驗、指定可選實驗等多種開放模式進行實驗室開放預約管理。通過后臺操作和數據統計，實現靈活管理開放實驗，使得實驗場所、實驗室設備得到有效應用。系統也可以實時進行實驗室運行監控，實時查看各實驗室儀器使用情況，并可以實時觀察儀器狀態，保證儀器設備的正常使用，如圖5所示。

3? 結論

通過構建多功能、智能化實驗教學管理系統，可以進一步提高實驗室設備及場地利用率，借助網絡化、信息化手段進行實驗教學，更好適應新工科實驗室建設需求。在實踐育人中，學生按規定流程執行實驗流程并有過程監控，可以真正有效地進行實驗，既能使實驗實踐較好減少時間和實驗場所的限制，又能在課前課后較好地進行師生互動，解決更多實驗中存在的問題，實現更好的實驗效果。同時，實驗教學智能管理系統能較好滿足開放性、研究性實驗教學需要，為提升學生實踐能力和實現創新人才培養提供虛實結合的實驗教學模式參考。

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