后疫情時代以智慧實驗室為依托的混合式實驗教學模式探索

楊 禎

（中南財經政法大學，湖北 武漢 430073）

2020年疫情期間，全國上下統籌疫情防控和教育改革發展，各高校積極響應，利用網絡教學等手段實現“停課不停教、停課不停學”，達到了“三穩”、實現了“四變”、做到了“實質等效”[1]。以中南財經政法大學為例，共有2563個本科課堂，疫情期間2457個課堂線上授課，開課率達95.86%；實驗實踐類課程共104個課堂，但只有73個課堂線上授課，開課率僅為70.19%。數據表明，疫情期間實驗課程的開課率遠遠低于總體開課率。

目前，國內疫情防控已進入穩定階段，我們不可能、也不應該退回到疫情之前的教與學狀態，需在疫情前“常態”與疫情中“非常態”的基礎上全面重構后疫情時代教育的“新常態”[2]?！盎ヂ摼W+”“智能+”等在線教學已成為高等教育的重要發展方向。高校教育教學將進入教育與技術全面“融合”的新常態，混合式教學將成為高校教育教學的主模式[3]。

但目前混合式實驗教學存在實驗設備的智能化程度不高、教學管理的信息化程度不足、教學方案設計的合理性有待考量、線上線下混合深度不夠、虛擬仿真實驗課程建設覆蓋面不廣、學生自主學習的監控力不強、數據分析決策不到位等問題。探索如何以信息技術為依托構建智慧實驗室、教學平臺、數字校園等促進教育教學環境信息化、智能化發展，如何保證線上教學與課堂教學的深入有效融合，如何保證混合式教學與線下教學的實質等效，如何打造混合式實驗“金課”等，具有深遠的現實意義。

一、文獻研究與理論框架

（一）混合式教學的理論框架

混合式教學有廣義與狹義之分。廣義上的混合式教學包括學習理論、教學媒體、教學模式、教學方法等多種意義上的混合。狹義上的混合式教學專指線下和線上教學的混合[4]82。

國內外混合式教學的概念演變經歷了3個階段：技術應用階段、技術整合階段（20世紀90年代—2013年），以及“互聯網+教育”階段（2013年至今）[5]13?！盎ヂ摼W+”時代的混合式教學更關注個性化知識的習得與創造性知識的生成，不再是基于信息技術對傳統課堂教學的簡單搬運或課外延伸，而是為學生創造一種真正高度參與的個性化的學習體驗，是“以學生為中心”的學習環境下教學與輔導方式的混合[6]8。

疫情期間，各高校積極開展線上教學，在應對危機的同時也為混合式教學積累了經驗。混合式教學應以“金課”所提出的兩性一度（高階性、創新性、挑戰度）為出發點，以培養創造性解決問題的專家思維為教學目標，對“教師的教”和“學生的學”提出了更高的要求，必須通過整體性的設計才能充分發揮線上、線下教學的優勢[4]83。

混合式教學的本質是為學生創建一種真正高度參與的個性化的學習體驗。教師不再是課堂的決策者和唯一傳授者，而是學生學習活動的設計者和組織者。教師需針對混合式學習環境下如何促進學生學習進行重新設計，包括對學習目標重新審讀，對學習內容與過程重新組織，對教學方式重新調整，對學習模式與策略重新整合，對評價模式重新設計。教師同時也是學生自主學習和小組協作學習的支持者，在學生自主或小組協作開展問題解決或任務探究的過程中從旁協助，為學生搭建學習框架，提供建設性意見[6]9。

（二）混合式教學的研究現狀

馮曉英等分析國內外混合式教學的相關文獻發現，當前混合式教學存在實證研究少、理論研究落后于實踐應用等問題，需要重點關注“互聯網+”混合式教學模式研究[7]14。劉徽等通過對多份混合式教學設計方案進行評估，指出當前混合式教學存在的難點，并提出混合式教學設計要有逆向思維、要貫穿全過程、要搭建支架的建議[4]85。李政濤等提出“雙線混融”的概念，強調從“混合”走向“融通”，要求線上教學與線下教學“你中有我”“我中有你”，教學設計更加注重“融通思維”，從“歷時性”向“共時性”轉換[7]。郭婉瑢等指出，智慧學習環境下應對學習者的內部學習動機和技術接受度給予更多的關注，以促進學習者更好地融入智慧學習環境，從而提升學習者的學習效果[8]。馮曉英等從教師教育層面和機構支持層面提出了促進混合式教學改革、提升教師混合式教學準備度的策略建議[9]。閻群等以創新性實驗項目為載體，提出了CDIO-OODA工程教育理念與項目驅動相結合的混合實驗教學理念，并構建了PBL混合實驗教學方法[10]。

上述相關研究為混合式教學設計提供了有力支撐，從目標設計、內容設計、方法設計、資源設計、評價設計多方面給出指導，但目前的研究多以理論課程為主，針對實驗實踐課程的混合式教學設計研究較少。文章以實驗課程的混合式教學為切入點，以智慧實驗室為依托，充分利用線上線下混合的優勢，探索智慧實驗室如何更好地服務于實驗教學，通過數據分析如何優化混合式實驗教學方案、如何及時獲知學生的課堂學習效果，根據反饋信息如何促進智慧實驗室建設等，不斷優化混合式實驗教學模式設計，形成教學質量不斷提高的閉環系統。

二、混合式教學模式下智慧實驗室的構建

《教育信息化2.0行動計劃》提出開展智慧教育創新發展行動，要求以人工智能、大數據、物聯網等新興技術為基礎，依托各類智能設備及網絡，積極開展智慧教育創新研究和示范，推動新技術支持下教育模式的變革和生態重構[11]。智慧實驗室的構建為開展智慧教育活動提供了有力的環境支撐，是完成教育信息化2.0行動計劃的有效途徑之一[12]。智慧實驗室是在傳統實驗室的基礎上，融合物聯網、云計算、大數據等技術，實現實驗室環境監測與安全監控自動化、實驗設備智能化、實驗資源共享化、實驗管理有效化、實驗教學混合化，達到實驗人員、實驗資源、實驗教學等與信息技術的深度融合。

混合式實驗教學一直是混合式教學的短板，為了更好地服務于“教師的教”和“學生的學”，特構建混合式教學模式下的智慧實驗室。針對混合式教學面對面學習前、面對面學習中、面對面學習后、實驗考核、教學評價5個環節，設計并構建了一套智慧實驗室系統，體系架構如圖1所示。

圖1 混合式教學模式下智慧實驗室體系架構

該系統分為感知層、傳輸層、應用層。感知層通過傳感器感知外部環境實現底層數據采集；傳輸層通過NBIOT/LoRa/ZigBee/Bluetooth、2G/3G/4G/5G等通信技術進行數據傳輸；應用層使用云技術對數據進行處理，對應服務于設備管理、安全監控、課堂考勤、教學管理、數據分析5個子系統。

設備管理系統主要針對大型儀器采購程序煩瑣、實驗設備管理混亂、借用維修記錄缺損等問題進行設計，實現實驗設備的采購、入庫、借用、維修、報廢、統計等一體化服務。同時實現各專業、各院系，甚至同城高校之間大型儀器設備、正版軟件、基礎數據的互通共享，無須耗費大量資金進行采購與設備維修，而且可提高設備的利用率，以達到節約資源、控制成本的目的。同時在設備共享的過程中，須考慮數據安全隱私的問題，保證各用戶之間數據獨立或授權訪問。

安全監控系統完成實驗室火災、爆炸、盜竊、漏水等安全事故的監測與預警，在事故發生前自動切斷電源、啟動消防栓等，將損失降到最低。同時，對溫濕度、光照、二氧化碳濃度等環境參數實時監測，并對空調、抽濕機、窗簾等進行控制以保證舒適的實驗室環境，更好地服務于“教師的教”與“學生的學”。

課堂考勤系統包括線上與線下教學兩部分：線上教學時可直接統計學生上線信息得出考勤結果，但須考慮解決學生“代上線”或“僅上線未學習”等問題；線下教學時采用基于人臉識別的考勤系統，上課開始后由攝像頭自動掃描獲取視頻流，并通過人臉圖像的截取與人臉識別系統確定到課學生，缺勤學生一目了然，不占用課堂時間，方便高效[13]。教學管理系統具備實驗室預約、師生交流討論、實驗報告管理、實驗室督課與巡視、實驗課程考核等功能，實現實驗課程課前預習、課堂教學、課后分析、擴展訓練、課程考核多個階段的智能化管理，同時嵌入虛擬仿真實驗教學平臺，保證線上線下教學模式有效結合的同時，還能有效推動虛擬仿真實驗課程的建設。

數據分析系統通過對學生學習習慣、話題討論、課堂表現、實驗操作、課程考核、課堂評價等學習行為與學習數據進行實時分析，為教師制定精細化的教學方案、調整講課內容或模式、教學評價等提供指導依據。

智慧實驗室的構建是依托現有校園網絡系統配套開發與本校實驗課程相適應的教學平臺，給實驗教學管理和實驗教學的全過程提供了技術支持，智慧實驗室云平臺能全流程介入線上線下教學的各個環節，并進行實時的信息收集、數據抓取與數據分析，有助于把握混合式教學的實際效果。另外，自建的智慧實驗室云平臺能夠確保數據信息安全，完整記錄教師授課、學生學習和課堂互動、實驗實操、實驗考核、課后評價的過程，進而對混合式教學過程中教師和學生的關鍵行為進行場景捕捉和分析，便于充分挖掘教學數據的價值，為混合式教學質量評價提供有力的數據支撐[14]。

三、混合式實驗教學模式探索

以智慧實驗室為依托，參考Garrison提出的四階段串聯型設計，即面對面學習前→面對面學習→面對面學習后→下次面對面學習前設計的混合式實驗教學模式如圖2所示。

圖2 以智慧實驗室為依托的混合式實驗教學

實驗教學分為課堂教學、考核評價、分析反饋3個環節，每個環節有線上、線下兩種模式；智慧實驗室的設備管理、安全監控、課堂考勤、教學管理、數據分析5個子系統貫穿始終，在不同的學習階段發揮不同的作用。

課堂教學環節分為面對面學習前、面對面學習中、面對面學習后3個階段。在面對面學習前的線上模式中，教師明確教學目標、收集資源制作視頻、引導學生線上學習，學生觀看視頻完成實驗預習，師生通過交流互動平臺就實驗器材、實驗原理、實驗操作進行討論；線下模式中，學生可在課余時間通過教學管理系統進行實驗預約與設備借用，熟悉實驗儀器設備、了解使用規范。

面對面學習中，教師根據面對面學習前行為數據和論壇答疑情況設計課堂內容與進度、調整教學重難點、解決學生的共性問題，幫助學生把碎片化的知識整理成體系并內化吸收；同時按照教學目標設置實驗項目考核，檢測學生是否達成教學目標[15]。線上模式中教師通過網絡平臺完成實驗講解，學生線上打卡考勤，通過云平臺完成虛擬仿真實驗；線下模式中，教師指導學生完成實驗操作，對重難點進行講解練習，并通過人臉識別系統完成自動化考勤。

面對面學習后，教師根據面對面學習中反饋的數據針對性地、分層次地設計課后實操。線上模式中，學生可通過云平臺完成實驗并就疑難問題與教師討論；線下模式中，學生通過實驗預約與設備借用進入實驗室，完成實驗數據的處理，并撰寫實驗報告。一個實驗項目完成后，進入下一個實驗項目，即“下次面對面學習前、下次面對面學習中、下次面對面學習后”的循環。在循環教學中，推薦使用“教師為主、助教為輔”的教學模式，配備研究生課程助教，幫助任課教師制作視頻腳本、準備課程資源、收集共性問題、課前課后答疑等，一方面豐富課程資源，加強課外指導，更好地提高實驗教學質量，另一方面有利于助教自身能力的提升。

考核評價環節分為實驗考核與教學評價兩個階段：實驗考核發生在課程結束后，線上模式中，學生直接通過虛擬仿真實驗完成課程考核；線下模式中，學生在實驗室完成實操考核。教學評價發生在實驗考核后，線上模式中，師生通過評教系統對所教所學進行評價，最后形成評價報告；線下模式中，師生通過討論座談會的形式對所教所學進行總結評價。

分析反饋環節主要是對整個過程獲取的各類數據進行分析，包括實驗環境是否安全舒適，如何進一步為師生提供更好的服務；實驗資源利用是否合理，哪些教學資源需要進一步完善，哪些儀器設備需要更新換代；課堂表現是否良好，“教師的教”“學生的學”是否協調有度；教學設計是否得當，哪些方式需要改善；線上線下混融效果是否良好，哪些環節需要調整。教師通過數據分析，獲得反饋，推進智慧實驗室建設的逐步完善，促進混合式實驗教學模式進一步優化。

文章依托智慧實驗室完成混合式實驗教學設計，將智慧實驗室的設備管理、安全監控、課堂考勤、教學管理、數據分析5個子系統融入到實驗教學的課堂教學、考核評價、分析反饋3個環節。同時，文章指出通過智慧實驗室云平臺，對線上線下教學環境、教學設施、實驗設備、教師教學、學生學習等過程數據進行收集分析，可為智慧實驗室改造、混合式教學設計的優化提供指導依據，形成一個教學質量不斷提高的閉環系統。未來混合式教學與學習分析的結合是一個必然的研究趨勢，進而為這兩個領域帶來突破性的發現與發展。