電路實驗遠程在線教學模式探索

馮 濤，楊 旭，崔家瑞，林 穎，李 擎

（北京科技大學a.自然科學基礎實驗中心；b.自動化學院，北京 100083）

0 引言

2020年1 月，一場突如其來的新冠病毒疫情席卷全國并且迅速肆虐全球，是繼2003 年非典后又一個極為重大的公共衛生事件，給國家生產及人們生活各方面帶來了極為嚴重的影響［1］。為保證疫情防控，教育部發布了《關于2020 年春季學期延期開學的通知》，要求適當推遲春季學期開學時間，鼓勵各地利用互聯網和信息化教育資源為學生提供學習支持，保證“停課不停教、停課不停學”［2-4］。在這樣的背景下，我校開展了大規模的線上理論課程教學，通過雨課堂、騰訊會議等教學工具，針對線上教學與線下授課的不同特點，靈活采取直播授課、在線答疑、在線考試等環節，共計開設893 門、1 688 門次本科生理論課程，取得了較好的教學效果［5］。然而，因為需要線下實操的特殊性，大部分實驗課程無法開展在線教學，相應的教學計劃被推遲到復課之后進行權宜安排。

電路實驗是面向我校自動化學院、計算機與通信工程學院開設的電類專業基礎實驗課程，為后續電路分析基礎、模擬電子技術基礎、數字電子技術基礎等理論課程起到基礎性的支撐作用［6］。每年約有30 個班1 000 余名學生學習這門課程，授課學時為16 學時。專業覆蓋面廣、授課人數多、排課密度高，是該門課程的顯著特點。本學期電路實驗課程的授課對象是大一下學期本科生，選課人數共計403 名學生。如果將課程推遲到暑假或者下半年來補課，會給學生帶來較為嚴重的排課沖突，加大學生學習壓力，同時也會因為課程全年的上課任務被全部集中到下半學期開展，從而使得實驗室場地和設備資源變得格外緊張，排課密度和上課人數大幅增加，實驗室超負載運轉，無法滿足疫情防控常態化下的實驗室人員密度要求，造成實驗室安全隱患。考慮到這些因素，我校電工電子實驗中心電路實驗課程的教學團隊努力克服疫情環境下實驗教學面臨的各種困難，成功開展了電路實驗課程的在線教學工作，探索出了疫情防控特殊背景下的遠程在線實驗教學新模式。新的實驗教學模式以學生能力提高為中心，靈活采用多種前沿教學技術和實驗手段，盡可能彌補學生無法現場操作的不足，最大化地激發學生思考，促進學生對理論知識的理解，加強學生分析思考能力和綜合創新素質的培養，取得了與線下實驗教學實質等效的教學效果。

1 電路實驗遠程在線教學實施的可行性

與理論課堂相比，實驗課堂的遠程在線教學面臨的最大問題是學生不能來到實驗室進行實際的接線和測量，無法有效地訓練學生的電路搭建和調試、排錯能力，也無法進行現場授課、答疑、指導，師生、學生之間無法面對面交流和討論。因此電路實驗遠程在線教學的實施需要克服多方面困難，需要遠程實驗工具、直播授課軟件、在線教學資源、網絡基礎條件等多方面密切配合。經過探索與實踐，如圖1 所示幾個方面的現有條件為本次疫情防控背景下的電路實驗遠程在線教學實施提供了可行性。

（1）網絡基礎條件的普及以及學生在線學習習慣的具備。據我校教務處給出的數據統計，本學期電路實驗的授課學生人數總計為403 人，其中只有2 名學生因為家庭地處偏遠不具備在線授課的網絡條件而需要特殊考慮，其他學生均具有順利實施遠程在線實驗教學的軟硬件環境。同時，本課程面對的是95 后學生，他們生長在一個信息技術飛速發展的年代，被稱為互聯網“原住民”，具有極強的好奇心和學習能力，早已經適應了理論課堂上的直播授課和MOOC 課程的在線學習形式，對于網絡授課的接受程度較高，不會對電路實驗課程的遠程在線教學方式產生心理上的抗拒和習慣上的不適應。

（2）虛擬仿真和遠程在線實驗教學手段的發展。新冠疫情給電路實驗教學造成的最大問題是學生無法來到實驗室進行現場接線和數據測量，使得原有的實驗項目無法正常開展。但是，隨著電路仿真技術的不斷發展，現有的電路仿真軟件（如Multisim等）已經具有了極為逼真的儀器界面和操作體驗，操作過程具有極強的真實感，并且還充分地考慮到了電路元件和測量儀器的非理想實際特性，使得仿真數據越來越接近于真實電路的測量結果。同時，這些軟件還具有完善的分析和統計功能，學生輕點鼠標就能夠方便地進行元件參數掃描、瞬態分析等多樣化的電路特性分析，比真實的線下實驗更加快捷方便，能夠讓學生更直觀地觀察到參數變化對電路輸出的影響，使得實驗現象更能反映理論本質，從而更好地促進學生對理論知識的理解。此外，近年來還出現了可以對真實電路元件進行遠程連接、遠程測量、遠程觀察實驗結果的遠程在線真實實驗操作平臺，給用戶帶來極強的操作臨場感，很大程度上彌補了純軟件仿真帶來的實際動手能力訓練不足的問題。

（3）在線教學資源庫的持續建設保障。多年來在電路實驗教學資源庫上進行著持續建設和積累，編寫了多部學習階梯平緩、易于自學的多媒體實驗講義和實驗教材，錄制了幾十余部操作演示視頻和儀器使用教學視頻，并搭建了相應的在線單元測驗試題庫，在中國大學MOOC 網上建設了成型的獨立SPOC 課程，構建了完整的面向實驗課堂的線上線下混合式教學模式，為疫情防控背景下的在線實驗教學提供了強有力的教學資源保障。通過對遠程實驗教學工具、在線教學資源庫的合理組合和精心設計，可以揚長避短，突破時空限制，較大程度上克服學生無法來實驗室進行現場聽課和實操的難題，還可以利用軟件靈活方便的優勢，設計和開展更加復雜的綜合性實驗項目，實現探究式、討論式教學，使得學生真正成為實驗的主人，實現知識的內化。

（4）直播授課教學工具的穩定成熟。由于學生無法到校上課，師生不能面對面交流，不得不采用遠程直播的方式來進行在線授課。隨著智慧教學理念的興起，已經出現了雨課堂、騰訊課堂、騰訊會議等多款成熟穩定的遠程授課工具，能夠滿足大規模、高并發的網絡直播授課，在理論課程的在線教學中已經得到了廣泛應用和充分驗證。經過調研比較，這些軟件除了具有正常的直播授課功能之外，還可以實現在線考勤、隨堂測驗、數據統計等多樣化的功能，使得教師對學情的把握更為精準。同時這些軟件還可以支持課程回放，方便學生課下自行回看、自主學習，這對細節繁多、側重于動手操作的實驗教學尤為有利。這些成熟的工具為電路實驗的遠程在線教學實施打下了良好的基礎。

（5）課程授課團隊具有較強的主觀能動性。在我校響應教育部號召、發出“停課不停教、停課不停學”的倡議之初，本課程授課團隊各位老師便迅速行動，本著保證人才培養質量不縮水、保障教學計劃影響最小化的大局觀，積極探索實驗課程的遠程教學新模式，廣泛試用各種虛擬仿真軟件和遠程在線實驗平臺，著力調研多種在線教學工具和教學手段，重新設計適應于遠程在線教學場景的實驗內容和實驗項目，并且在沒有專業視頻制作公司支持的情況下，自行學習多種新的信息化手段和軟硬件工具，自行錄制和剪輯制作教學視頻，變“危”為“機”，主動求變，表現出了極高的主觀能動性和主人翁精神，為本次電路實驗的遠程在線實驗教學順利實施起到了決定性的作用。

2 電路實驗遠程在線實驗教學模式構建

針對新冠疫情背景下電路實驗遠程教學所存在的問題，根據相關專業對學生能力培養的要求，構建了電路實驗遠程在線實驗教學模式，如圖2 所示。相對于傳統教學模式，疫情背景下電路實驗遠程在線實驗教學的授課形式和實驗手段發生了較大變化，課程的學習重點不再是實際的元器件接線、真實的儀器儀表操作和實際數據測量，而是轉變成了虛擬仿真軟件的使用及遠程在線真實實驗平臺的操作，與之相應的，實驗教學流程、實驗內容、實驗項目也要作出大幅調整，這些都要由授課教師在課前完成。教師還要根據新的實驗內容編寫新的實驗講義和演示課件，并將相應的軟件操作和較為復雜的實驗原理都錄制成短視頻上傳到SPOC課程平臺，完成教學資源的推送，引導學生居家進行個性化自主學習。在直播授課環節，教師采用騰訊課堂、雨課堂等工具，通過語音直播、屏幕共享、PPT推送等方式進行實驗原理講解、重點操作演示等，并進行預習測驗、課堂測驗、課堂調查，發起學生間的交流與討論，對教學過程進行有序指導。之后，學生在虛擬仿真軟件和遠程在線真實實驗平臺上進行實驗操作，完成指定實驗任務。盡管學生不能夠來到實驗室現場進行真實元件和儀器的實驗操作，但是電路仿真軟件的炫酷界面和強大功能也能調動學生自主學習的興趣，遠程在線真實實驗平臺的真實操作體驗和滿滿的科技感，更能激發學生主動探索的熱情，再配合精心設計的實驗內容和準備詳盡的SPOC視頻等豐富教學資源，同樣能夠讓學生手腦并用、有序學習，使得遠程在線實驗教學與線下實驗室教學實質等效成為可能。

圖2 電路實驗遠程在線實驗教學模式

3 電路實驗遠程在線教學實施流程

3.1 課前準備階段

課前準備階段是整個電路實驗遠程在線教學流程能否順利實施的關鍵。在疫情防控背景下，電路實驗的授課形式和實驗手段均發生了巨大的變化，因此課程的各個環節需要重新設計，需要教師重新規劃實驗教學流程，重新設計實驗教學內容，重新準備實驗教學資源等。

（1）理清電路實驗在線教學實施脈絡，重新規劃實驗教學流程。要以學生能力培養為目標，根據理論課的授課進度和在線實驗教學的特點，明確實驗目的，確定實驗內容，分配實驗學時，并合理安排直播授課和SPOC視頻中的知識點講解，確定教學重點，預估教學難點，制訂考核指標，對在線實驗教學的整個過程進行全盤把控，幫助學生在疫情防控特殊背景下實現知識內化和能力成長。

（2）實驗內容的準備。新的實驗內容要適應遠程在線實驗教學的要求，在無法使用實際電路和儀器進行真實實驗的情況下，充分發揮電路虛擬仿真軟件和遠程在線真實實驗平臺直觀易用、功能強大的優勢，設計比真實實驗更具有探究性的實驗項目，提高實驗的創新性和高階性。通過實驗內容和實驗環節的合理安排，做到邏輯嚴密、環環相扣、層層遞進，引導學生自主實驗、自主探究，加深學生對實驗內容的理解，實現學生分析思考和實踐能力的培養。

（3）豐富在線教學資源，為學生創造多樣化的自主學習環境。在明確實驗目標和教學知識點的前提下，根據學生現有的理論知識結構和實踐能力水平，綜合利用各種軟件工具，將與工程應用緊密相關的背景知識制作成演示文稿、多媒體講義；自行搭建簡易攝影攝像棚，錄制實驗原理講解視頻、實驗操作演示視頻、仿真軟件和在線實驗平臺詳細使用視頻等，以直觀和生動有趣的方式將知識點呈現給學生。教學資源準備完成后，教師在課前將其上傳到SPOC課程平臺，向學生明確學習任務，方便學生居家自主學習。

學生在課前準備階段主要通過教師提供的教學資源進行實驗預習。學生自行安排時間，通過實驗講義、預習視頻了解實驗背景，回顧理論知識內容，樹立實驗目標，并回答預習思考題，為正式實驗操作做好充分的理論和背景知識準備。

3.2 線上直播授課階段

因為疫情期間學生無法來到實驗室進行線下授課，因此采用線上直播的形式取而代之。經過反復試用和對比，選用雨課堂和騰訊課堂兩種工具結合使用來進行線上直播授課，同時使用微信群來組織答疑和互動，3 種工具起到的作用如圖3 所示。“雨課堂”是學堂在線推出的智慧教學工具，它以插件的形式存在于Power Point軟件中，可以與微信端融合，實現學生點名與簽到、PPT頁面推送與分享、隨堂測驗與問卷調查等功能，在理論課的在線教學實踐中已經得到廣泛應用［7-8］。但是理論課堂絕大部分情況下教師只需要進行PPT講解和推送即可，而在實驗課堂中，還需要對虛擬仿真軟件和在線實驗平臺進行操作演示，也就是需要有完善的屏幕分享功能。雨課堂在屏幕分享與語音直播方面做得不盡人意，經常出現直播卡頓現象，因此不適合實驗課堂在線直播講解，故采用了騰訊課堂來進行補充。“騰訊課堂”在課堂管理、隨堂測驗等方面的功能與“雨課堂”差距較大，但是它能實現流暢的屏幕分享和直播教學功能，將兩者互補，融合使用，能實現完善的PPT 講解、實驗平臺操作演示、課堂點名簽到、隨堂測驗與問卷調查等功能，還可以以彈幕互動和討論區的形式來隨時發起課堂討論，而微信群則能實現更高效便捷的師生和學生間互動［9］。此外，使用騰訊課堂所講授的內容還可以隨時回看，學生課下可以對實驗難點和疑點進行自行回顧，實現自主學習。因此從功能性上來說，直播授課的教學效果已經超越了線下面對面的傳統授課方式。

圖3 線上直播授課工具選擇及其功能

直播授課環節講授的內容包括實驗目的、實驗要求、實驗基本內容，還有相關的實驗原理和操作注意事項等。考慮到學生基礎水平和接收能力的差異性，為了實現精細化、個性化教學，在直播授課環節只是對實驗的重點和難點進行提綱挈領的梳理和講解，而把復雜深入的實驗原理和涉及大量操作細節的實驗步驟都錄制成視頻上傳到了SPOC 平臺，由學生在后面的自主實驗環節進行自行觀看，以提高直播授課環節的教學效率，實現課堂的翻轉。此外，在直播授課階段還對學生進行點名簽到，實施預習測驗和隨堂測驗，并發起互動討論，對學生遇到的具體問題進行答疑解惑。

3.3 自主實驗階段

經過預習階段的背景知識準備和直播授課階段的實驗重難點講解，學生已經初步了解了實驗目的和實驗要求，并對遠程在線實驗操作產生了強烈的好奇心和探索欲望，之后便進入自主實驗階段。這一階段是電路實驗在線教學的重點，是學生知識內化、能力成長的重要階段。自主實驗階段由3 個環節組成，分別是SPOC視頻觀看、在線虛擬仿真、遠程真實實驗，如圖4所示。

圖4 學生遠程自主實驗流程

3.3.1 SPOC視頻觀看

考慮到學生能力的個體化差異，將復雜抽象的實驗原理講解和詳盡具體的實驗操作演示都提前錄制成了視頻上傳到了SPOC平臺，由學生居家自行觀看、自主學習。與MOOC準入門檻低、面向廣泛的社會學習者不同，SPOC 課程只有經過本校認證的學生才能夠選課，因此學生來源可控，學生基礎基本一致，更有利于學習進度管理［10］。應用SPOC 課程可以組織學生在線觀看教學視頻、多媒體課件等學習資源，參與討論和答疑，進行考核和拓展學習等線上教學活動，并且SPOC課程更加注重線上學習與線下教學的結合，師生互動更為緊密，能夠保證學習進度的統一，確保課程的學習完成度。基于SPOC的線上線下混合式教學模式已經在國內外多所高校的教學改革中得到探索和應用，在疫情防控背景下，這種教學模式更顯現出了它在遠程在線實驗教學場景中的應用價值［11-14］。

SPOC 課程包括同步SPOC、異步SPOC 和獨立SPOC 3 種類型，同步SPOC 是完全跟隨一門平臺上正在開課的MOOC 課程，老師僅可補充內容，不能刪減和修改源課程內容，靈活性較低［15］。異步SPOC 是拷貝一門已經結課的MOOC課程，在此基礎上老師可以修改課程內容、增加本校課程資源，還可以調整教學進度，以便于根據本校專業培養具體要求來實施教學，并對學生進行進度管理和學情分析。獨立SPOC是單獨創建一門SPOC課程，與平臺現有的MOOC課程獨立，其課程資源、教學內容均是自行建設，因此教學視頻需要自行錄制，教學課件需要重新編寫，試題庫需要單獨構建，對于教師的工作量要求最大。但是它具有最高的操作靈活性和自主性，可完全根據本校課程內容進行設計和搭建，不受現有MOOC 課程內容的掣肘。由于目前各大MOOC 平臺上電路實驗MOOC 資源還較為稀缺，而與本校電路實驗教學設備和資源完全匹配的MOOC課程更是基本沒有，為了建設完全貼合我校課程內容的在線教學資源，依托中國大學MOOC 網上的北京科技大學學校云，于2019 年下半年著手創建了電路實驗技術獨立SPOC 課程，并已經在中國大學MOOC網正式上線運行。在今年新冠疫情突發、整個教育系統反應時間極為有限的情況下，獨立SPOC 課程靈活可控的優勢更加凸顯。根據在線實驗教學的特殊要求，對原有SPOC課程進行內容調整和補充，共計上傳多媒體講義和課件10 個、實驗教學視頻33 部、討論內容12 個、章節測試題50 題、學習導航等教學資源，內容包括復雜實驗原理的講解、實驗室真實儀器的操作演示、在線仿真軟件的使用、遠程真實實驗平臺的操作等，為學生疫情期間的居家自主學習提供了堅實的在線教學資源保障。SPOC 課程內容安排如圖5所示。

圖5 SPOC課程內容安排

在以上SPOC 平臺資源支撐下，學生的自主學習在居家環境中展開，根據自己的理解和吸收能力，自定步調，自選時間，自行觀看，并可以一邊觀看，一邊動手操作，以充分理解實驗原理，反復練習實驗操作，完成所要求的實驗項目。對于疑難問題可以反復回看，還可以自行上網查找解決方案，或者通過微信群、SPOC討論區等方式與同學間展開討論，也可以向老師尋求幫助，從而實現個性化、針對性、探究式實驗教學。為了確保學生注意力不被分散，每個教學視頻只集中于一個知識點進行講解，并將視頻時長盡量控制在10 min以內。同時為了避免學生居家學習時無人監督、流于形式，被動的看和聽，將實驗的重點、難點都設置成單元測驗題，引導學生帶著問題學習，在解決問題的過程中激發學生自主學習的熱情，實現了“學生為主體、教師為輔助”的翻轉式教學。

同時，使用SPOC平臺來組織在線教學，可以得到多維度、可視化的精確學情數據統計，包括學生的視頻觀看時長、觀看頻次、單元測驗成績、熱點討論問題等，如圖6、7 所示。利用SPOC 平臺的互動、討論和單元測驗等功能模塊，可生成學生日常學習的過程性評價報告，然后據此分析在線教學過程中學生的學習狀態、學習效果等相關度，可為教師進行教學持續改進和優化提供有效參考，有助于提高實驗教學效果和人才培養質量。

圖6 SPOC視頻觀看人數統計

圖7 SPOC平臺單元測驗人數統計

3.3.2 在線虛擬仿真

由于學生在家無法搭建真實的電路來完成實驗項目，因此這里使用虛擬仿真軟件來進行部分代替。選用了兩種虛擬仿真軟件來進行電路實驗教學，分別是Multisim 14.2 和Circuit JS1。Multisim 是美國國家儀器（NI）有限公司推出的基于SPICE 標準的電路仿真工具，適用于板級的模擬／數字電路板的設計工作［16-17］。Multisim內置有豐富的元件庫和齊備的儀器儀表，并帶有參數掃描、瞬態分析、穩態分析等多樣化的分析方法，可以方便、高效地搭建電路進行仿真，獲取各種電量數據、波形圖和分析圖表，以驗證電路定理。更重要的是，隨著功能的完善和版本的升級，Multisim中的萬用表、信號發生器、示波器等虛擬儀表的操作界面和操作方法已經越來越趨近于真實儀表，如圖8 所示，是軟件自帶的虛擬信號發生器和虛擬示波器，其儀表面板和按鍵功能均與真實的安捷倫33120A函數信號發生器和54622D 示波器極為接近。以示波器為例，學生需要與真實示波器一樣，調節時間基準、電壓擋位、耦合方式、觸發電平等參數，如果參數設置不正確，儀器屏幕上會出現與真實示波器類似的混亂波形。因此，需要學生對儀器上各個參數設置的含義和設置方法具有深刻的理解，才能得到正確的實驗波形，這就給實驗操作帶來了極強的真實感，在很大程度上克服了仿真實驗過“虛”的局限性，鍛煉了學生的動手實操能力，為學生在疫情過后對常用儀器的操作從“虛”到“實”進行過渡打下了良好的基礎。

圖8 Multisim自帶的虛擬儀表操作面板

為了開拓學生眼界，除了Multisim軟件之外，還使用了Circuit JS1 這款仿真軟件（見圖9）。Circuit JS1是一款開源的在線仿真軟件，無需安裝，小巧精悍，在瀏覽器中即可在線運行［18］。與Multisim相比，它的元器件數量和仿真分析功能稍弱，但是它勝在操作簡單、界面直觀。它使用流動的亮點來動態展示電路各支路電流的大小和方向，使用不同的顏色來區分電路各節點電位的高低。與Multisim 不一樣，它不是極力去模擬實際電路的真實特性和儀表的真實操作，而是剝離掉真實儀表繁瑣的操作步驟，以極簡的方式快捷地得到電路現象和電路波形，以更加簡單直觀的方式體現理論本質，因此非常適合電路初學者來對電路定理進行驗證和現象觀察，加深對理論知識的理解。

圖9 Circuit JS1軟件界面

在實驗項目中將兩者進行結合使用，先要求學生使用Circuit JS1 對電路進行快捷的理論驗證和現象觀察，然后使用Multisim軟件，與真實實驗的操作步驟一樣，搭建實驗電路、設置和調整儀器參數，最終得到與真實實驗極為接近的仿真數據和波形，這樣給初學電路的學生搭建了一個平緩的從理論向實踐過渡的階梯，為疫情背景下學生的居家自主實驗探索出了一個可操作的實施方案。

3.3.3 遠程在線真實實驗

為了進一步加強學生實驗操作臨場感，充分鍛煉他們的動手操作能力和分析思考能力，還引入了遠程在線真實實驗操作環節。使用的是深圳易星標技術有限公司與華南理工大學聯合開發的“ELF-LAB 遠程真實驗系統”，該系統由“遠程實驗共享系統”和“ELFBOX”在線實驗硬件組成，系統架構如圖10 所示［19］。

圖10 “ELF-LAB遠程真實驗系統”架構

其中“ELF-BOX”是一個可編程門陣列系統，教師提前在其中部署好元器件實物和示波器、萬用表等真實測量儀器，在“遠程實驗共享系統”控制下，“ELFBOX”能夠改變其中的真實物理元件和儀器的管腳連接關系，從而進行遠程電路搭建，如圖11 所示。

圖11 “ELF-BOX”外觀及使用

同時，現場真實儀器的測量數據和真實示波器的屏幕波形也會通過網絡傳輸到遠程操作界面。學生在電腦上安裝相關軟件后，就可以在家遠程控制實驗硬件，進行實驗電路搭接、電路參數調整、電路指標測量等操作，并可以通過攝像頭遠程觀察示波器上的實際波形，由此獲得與實境實驗一樣的操控訓練和操控體驗，實現遠程真實實驗的操作功能。平臺還具有較強的過程管理功能，會記錄學生的實驗操作步驟，統計和判斷實測數據并生成實驗報告，防止數據抄襲，保證實驗教學質量。

遠程在線真實實驗平臺全天候開放，學生可以自由預約時間來完成實驗，從而突破時空限制，為疫情背景下的電路實驗遠程教學提供了較好的實踐動手平臺。基于此平臺，能夠完成電路實驗中的大多數實驗項目，包括相位差測量、RLC 電路串聯諧振現象的觀察、一階電路過渡過程的研究等。圖12 所示是進行相位差測量的實驗界面和遠程示波器的真實波形顯示。

圖12 基于ELF-LAB的相位差測量實驗

當學生在家中通過電腦遠程控制實驗室內的電路連接并觀察到實際示波器顯示的電路波形時，心中的成就感、欣喜感和操作真實感是難以言喻的。使用此平臺，一方面能夠對學生進行真實實驗操作的動手訓練，另一方面，能讓他們體會到物聯網、大數據、云計算等行業發展前沿“硬科技”，激發他們進行后續專業學習的興趣和熱情，進一步提高疫情背景下的電路實驗教學效果。

3.4 課后總結與反思階段

在課后總結與反思階段，學生對實驗測量的數據進行分析、處理，并與理論值進行比較，分析誤差產生的原因，回答相應的實驗思考題，反思實驗中遇到的問題及產生的原因，總結實驗得到的收獲，然后撰寫并提交實驗報告，在這個過程中完成對知識的梳理、鞏固和內化。教師通過實驗報告的批閱，了解學生的真實實驗狀態，獲取學生對實驗的反饋，對課程資源和內容進行補充和修正，并在下一次的直播授課過程中對學生的問題進行統一的答疑和講解，由此完成整個實驗教學的循環。

4 考核方式

在疫情防控特殊背景下，電路實驗線上實驗教學的多個環節均為學生居家自主完成，缺乏教師現場監督。為了確保學生自主完成實驗，保證遠程在線實驗的教學效果，實驗考核方式也隨之作出了相應的改變，更注重過程性考核，結合學生在課前預習、直播授課、SPOC平臺的活躍程度、軟件虛擬仿真和遠程真實實驗操作等多個環節中的表現綜合評價學生的學習積極性、主動性和創造性，對學生進行精細化的測評考核。各考核環節的分數占比如圖13 所示。

圖13 各環節考核分數占比

其中，預習與隨堂測驗是在直播授課過程中進行的。在每次直播課堂開始的前10 min，通過雨課堂的在線測驗功能向學生發放預習測驗題，以對他們的課前預習情況進行考核。之后，在直播課程進行過程中，適時地加入隨堂測驗部分，防止學生居家上課不認真，加強直播授課效果。SPOC 討論及視頻觀看數據由SPOC平臺自動統計給出，由教師根據評分標準進行統一換算。在自主操作環節，學生將虛擬仿真實驗、遠程真實實驗這兩個環節的實驗接線圖、測量數據、分析圖表都記錄在實驗報告中，并進行相應的數據分析、實驗總結和拓展思考，教師據此評判學生在此環節的操作表現。每次課程均安排有SPOC 單元測驗，以客觀題的方式對實驗講義、直播授課、SPOC 視頻、自主實驗等各環節的重點和難點進行考查，并且允許進行兩次答題，取最高分作為本次實驗的測驗得分，這樣激勵學生以認真的態度反復閱讀實驗講義、回看直播視頻、觀看SPOC視頻講解，以達到預期的知識內化效果。

5 教學效果及課程評價

為了驗證電路實驗遠程在線實驗教學模式的有效性，課程結束后，對實際參加學習的總共392 名學生進行了課程成績分布統計，結果如圖14 所示。

圖14 課程最終成績分布統計

從圖14 可見，大部分學生的課程最終成績集中在80 分以上，總共占比73.47%，課程不及格的人數共計有10 名，只占總人數的2.55%。這種成績分布說明絕大部分學生都能夠順利實現本次在線實驗教學的各個環節，并且能夠按要求完成實驗內容，實現知識內化，獲得能力成長，達到了本課程的教學目的。

為了獲得學生對課程的總體反饋，在課程結束之后還對學生進行了問卷調查，共收回有效問卷366 份。問卷從實驗難度、實驗時長、課程內容、實驗形式、考核方式、總體評價等方面進行了調查。關于本次課程的實驗難度以及平均每次實驗花費的時間統計如圖15所示。

圖15 學生對課程反饋的調查情況

從圖15（a）可見，有79.51%的學生認為實驗內容的難度設置偏高，同時圖15（b）顯示有74.86%的學生每次實驗花費時間在4 h以上，這些數據與圖14 中80 分以上人數占比為73.47%的成績分布相吻合，這說明了本次實驗課程盡管是在線教學，但是也設置了一定的課程難度，具有相當的挑戰度，需要投入足夠的時間和精力才能夠按要求完成各個實驗環節和實驗內容，并沒有放松課程要求成為能夠渾水摸魚的“水”課，進而說明了這種線上實驗教學方式在激發學生思考、鍛煉學生分析及理論聯系實際能力方面具有與線下實驗近乎同等的促進作用，取得了預期的教學效果。

關于課程內容安排、實驗形式、考核方式、總體評價、教師用心程度等方面的問卷調查結果如圖16 所示。由圖16 可見，96%以上的學生對課程的總體評價較好，認為實驗內容安排合理，實驗形式體驗較好，考核方式較為全面，并且100%的學生認為老師對實驗的準備比較用心或者是非常用心，通信1901 班的楊同學在第3 次實驗報告中寫到：“本次實驗測量的數據較多，進行了約4 h多的時間，雖然時間并不短，但我十分喜歡這次實驗，十分佩服老師能夠在如此短的時間內設計出如此高質量的實驗，思路清晰、目的明確。總而言之，本次實驗十分成功！”這說明這種遠程在線的實驗教學模式得到了學生的認可，精心設計的實驗內容和實驗環節使得學生在實驗過程中能夠保持著極大的熱情。計算機科學與技術專業1902 班的馬同學在實驗報告中寫到：“這幾次實驗課讓我真正體會到了只有在‘實驗室’才能體會到的成就感。我喜歡科研，一直想嘗試，但苦于沒有條件，多虧這幾節實驗課給我創造了機會，雖然形式有點特殊，但還是讓我對科研的興趣變得更加濃厚，更加希望去學習新的感興趣的東西！”這些真切的反饋表明，本次電路實驗的在線教學不僅給學生傳授了知識、培養了能力，同時也讓學生感受到了科研的魅力，激發了學生投身于科研和專業學習的興趣和決心，從多方面提升了學生的綜合素養。

圖16 問卷調查結果統計

6 課程總結及反思

為了應對新冠肺炎疫情，我校教學團隊應用多樣化的教學手段，構建了豐富的教學資源，順利實施了電路實驗的遠程在線實驗教學。這是一個大膽而有益的嘗試，產生了以下幾方面的積極效果：

（1）較大程度上消解了延期開學對實驗室人員、場地和設備造成的巨大運轉壓力和防控風險。通過遠程在線形式的實驗教學，使得原本被延誤的實驗課程得以按計劃執行，有效地避免了復課后因為要補課而導致的實驗室超負載運轉以及帶來的疫情防控風險，有力地保障了實驗室的安全穩定運行和教學秩序的有序開展。

（2）極大地促進了教師自身信息化素養的提升和信息化教學能力的提高。為了應對此次疫情，保證“停課不停教”，教師團隊主動學習使用多種新的智慧教學工具，深入挖掘新的仿真軟件功能，廣泛試用多種遠程實驗手段，還自學視頻拍攝、視頻剪輯、多媒體講義制作，這些新技能的加持為后疫情時代的實驗教學信息化改革提供了強有力的支撐。

（3）有力地推動了“以學生為中心”的教學理念深入，推進了“教與學”方式的變革。本次電路實驗的在線教學，從各個實驗環節制定、實驗內容安排，到實驗手段選擇、教學環節實施，都充分考慮到了學生居家學習的特殊情況和學生在知識、能力以及接受程度方面的差別，充分依托智慧化在線教學工具，構建豐富的在線教學資源，以學生能力提升為目標，真正將工程教育專業認證的反向設計思想融入實驗設計的各個環節，實現了學生知識、能力、素養的全方位培養。

然而，本次實驗課程的在線教學嘗試也暴露出了一些問題，比如對直播授課的節奏把握還有待改進，在某些操作細節方面過于糾纏，導致整體授課效率下降，使得有些學生反映直播授課略顯拖沓；還有對學生的Office 軟件應用水平考慮不夠全面，導致不少學生在實驗報告中使用Excel進行數據分析和圖表繪制時遇到了較大困難和障礙。此外，還可以進一步開發和設計更多富于創新性、探究性的綜合實驗項目，針對不同基礎和學習興趣的學生，構建具有不同難度、深度和廣度的實驗內容和環節，將因材施教和分層次教學思想引入在線實驗教學中。

7 結語

2020 年初的新冠肺炎疫情給實驗教學提出了巨大挑戰，同時也為促進實驗課程的教學方法改革和教學質量提升提供了新的機遇。此次的電路實驗遠程在線教學模式探索將應對疫情而實施的“無奈之舉”，轉化成為促進教育觀念改變、教學手段改進、教學質量提高的寶貴契機，給后疫情時期防控常態化下的實驗教學順利實施積累了豐富的經驗，也為未來的實驗教學方法改革提供了新的思路。在疫情過后，這種實驗課堂在線教學模式的探索不應就此止步，而是應和線下實驗結合起來，繼續推進實驗線上線下混合式教學模式的探索和發展，不斷將實驗教學改革推向新的高度。