電子信息類專業線上實驗教學模式的實踐探究

姚麗娜 潘楊 李云紅 張燁 蘇雪平

關鍵詞：電子信息類；線上線下融合；遠程訪問；實驗教學

1 引言

2020年，為了保障高校課堂教學的正常進行，教育部發布了《關于在疫情防控期間做好普通高校在線教學組織與管理工作的指導意見》[1]。全國各個高校積極貫徹落實，學校組織師生有序開展在線教學，師生齊心協力保障課堂及實驗教學的正常開展。

實驗教學是高校工科專業重要的實踐教學環節，能夠使學生深入理解理論知識，提高學生理論聯系實踐的能力、動手操作能力及創新實踐能力[2-4]。學校電子信息學院電子信息類專業包括電子信息工程、通信工程、電子信息科學與技術，這類專業的培養目標中，均對學生的實踐動手能力有一定的要求[5]。疫情期間，傳統的線下實驗教學無法正常進行，為此教育部組織在線教學平臺免費開放401門國家級虛擬仿真實驗課程。但是由于各個高校同一專業同一課程的教材、教學目標及大綱不同，尤其是專業核心課程，因此大部分虛擬仿真實驗課程不能完全與各個高校的實驗教學大綱匹配[6]。為了保證實驗教學按照專業實驗教學大綱進行，針對軟件仿真類實驗，本文提出了騰訊會議+學生遠程操控實驗室電腦的線上線下融合實驗教學模式，實驗教師提前調試好實驗室電腦，課堂上學生通過網絡遠程連接實驗室電腦完成相應的實驗，教師可以實時觀測到每個學生的實驗情況，教學效果良好。

2 電子信息類專業實驗現狀

在國家人才培養機構體系中，電子信息類專業是本科專業體系中的重要組成部分[7]。電子信息類專業是工程技術性很強的工科專業，為了使這類專業的畢業生更好地為人類社會服務，必須將理論工程技術轉化為相應的電子、通信設備、產品及系統，并對這些設備、產品和系統進行維護[8]。因此，實驗教學作為培養電子信息類各專業學生工程實踐能力和創新能力的有效途徑，必須發揮其有效優勢。

2.1 專業課程設置

電子信息類專業的培養目標是在電子工程、信息工程、電磁場與微波技術、應用電子技術和計算機通信等方面培養具有扎實的理論基礎、寬廣的知識面、較強的創新能力、科學研究能力和工程實踐能力的高級工程技術人才[9]。學校電子信息學院電子信息類專業的主要課程包括電路分析基礎、模擬電子技術、數字電子技術、信號與系統、微機原理與接口技術、數字信號處理、數字圖像處理、通信原理、現代電子系統設計、嵌入式系統、單片機原理及應用、現代DSP技術、信息論基礎、FPGA應用及開發技術、電磁場與電磁波、自動控制原理、傳感器技術等專業基礎課和專業核心課程，同時還設有多種專業綜合實踐及工程訓練課程。

2.2 傳統的實驗模式

1） 線下課堂教學

電子信息類各專業的實驗教學目前最主要的教學模式仍然是線下課堂現場教學，這種模式具有不可替代的地位和優勢。線下教學不僅需要一定的場地、空間、儀器設備及實驗室管理人員，而且還要保證實驗室的安全等，同時隨著技術的不斷進步，相關的技術理論的不斷更新，實驗教學也要進行相應的改革創新，這就需要及時更新儀器設備，這樣才能使學生更好地適應社會的發展[10]。疫情的暴發使得傳統的線下實驗不能正常進行，需要采用線上實驗教學模式[11-12]。

2） 虛擬仿真實驗教學

由于線下實驗教學受到場地、空間、經費及設備等方面的限制，虛擬仿真實驗為實驗教學提供了有效途徑[13]。虛擬仿真實驗課程建立在一個虛擬的實驗環境之上，注重的是實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性。虛擬實驗的實現將有效緩解很多高校在場地、設備等方面面臨的困難，突破傳統實驗對時空的限制，無論是學生還是教師，均可以自由、隨時隨地進入虛擬實驗室進行各種實驗，有助于提高實驗教學質量。目前全國已建立多個國家級虛擬仿真實驗中心，為線上實驗教學提供了有效的平臺。

3 線上實驗教學實踐

盡管虛擬仿真實驗平臺能夠實現線上實驗教學，但是平臺中的實驗項目與各個高校的專業實驗大綱不匹配，尤其是部分專業核心課程，因此依據學校電子信息類專業實驗教學的實際情況，針對軟件仿真類實驗，本文提出了騰訊會議+學生遠程訪問實驗室電腦的線上線下融合實驗教學模式，具體流程如圖1所示。

3.1 騰訊會議+遠程訪問線上實驗方案

電子信息類專業的實驗大部分均可以使用軟件工具進行仿真，針對軟件仿真類實驗，采用騰訊會議+學生遠程訪問實驗室電腦的線上線下融合實驗教學模式，解決了在線教學平臺的實驗項目與本校實驗大綱不匹配的問題，保證了實驗教學的正常開展。

課前，首先學生需要在個人電腦安裝騰訊會議及遠程訪問軟件，同時實驗室電腦安裝遠程訪問軟件，實驗教師記錄每臺電腦的遠程訪問賬號和密碼。然后根據一定的規則為每個學生分配所訪問電腦的賬號和密碼，學生電腦及實驗室電腦必須連接互聯網，否則不能實現遠程訪問。實驗室預留部分電腦，預防個別電腦出現系統問題導致實驗無法正常進行的情況。實驗進行過程中，學生可在個人電腦和實驗室電腦中自由切換，通過騰訊會議或其他通信方式與指導老師溝通實驗過程中的問題，實驗指導教師可根據每個學生的實驗操作情況給出客觀的評分。課后，學生根據實驗結果書寫電子版實驗報告，教師批改報告給出評分。

3.2 線上實驗設計

遠程操控軟件以Teamviewer為例，課程以信號與系統中連續信號的時域分析實驗為例。Teamviewer是全面的遠程訪問、控制解決方案，能夠遠程訪問位于全國各地的計算機或移動設備，為學生永久免費開放使用[14-15]。該軟件可以安裝于Windows、Android及macOS版本的設備，操作便捷，安裝方便，安裝成功界面如圖2所示，界面中有分配給本機的賬號和密碼，需要遠程訪問此電腦的用戶在Teamviewer軟件界面中輸入此賬號和密碼，即可遠程訪問此電腦。

由于學生個人電腦的型號、操作系統等系統兼容問題，Matlab安裝版本不同，甚至個別同學不能成功安裝該軟件，而實驗室電腦軟件安裝版本統一，實驗所需的軟件均已安裝，便于指導老師及時解決實驗中的問題，因此遠程訪問實驗室電腦進行實驗有利于提高線上實驗教學質量。遠程訪問實驗室電腦之前，必須保證實驗室電腦全部連接到互聯網中，課前每個學生按照分配給自己的電腦遠程訪問實驗室電腦，分配的賬號密碼如圖3所示。

所有學生提前15分鐘遠程訪問實驗室電腦，課上實驗指導老師利用騰訊會議共享桌面的形式，為學生講解演示本次實驗內容、要求及注意事項，共享過程如圖4所示。

實驗內容講解完成后，學生們即可在各自連接的電腦上進行實驗，實驗室現場情況如圖5所示。實驗過程中，實驗指導教師可以實時觀測每個學生的實驗過程，并且能夠快速解決實驗過程中遇到的問題，與學生線下實驗過程無異，不同的是學生向老師提出問題的方式是通過騰訊會議、QQ群或者微信群實時提出。同時，指導教師也可遠程訪問學生的電腦進行其他問題的解決。

待實驗結束后，指導教師現場檢查實驗結果并對存在的問題提出現場指導，同時可對學生進行問題質詢，及時得到學生的答復，現場對每個學生的實驗操作部分進行打分，保證實驗圓滿結束。課后學生及時向老師提交電子版實驗報告。

4 線上實驗教學總結

根據電子信息類專業的主要課程設置可以將實驗分為四種：軟件仿真類實驗、硬件類實驗、軟件+硬件平臺綜合類實驗、大型設備類實驗，針對以上四種類型分別探討不同的線上仿真實驗教學模式。

1） 軟件仿真類

例如數字信號處理、信號與系統、數字圖像處理等課程，該類課程的實驗主要進行相關理論的驗證及綜合應用設計，該類課程仿真工具使用Matlab軟件，Matlab軟件同時提供Simulink可視化仿真工具，因此線上實驗可以采用騰訊會議+遠程訪問的線上線下融合實驗模式。

2） 硬件類

例如電路分析基礎、模擬電子技術、數字電子技術等課程，該類課程傳統的線下實驗主要是利用實驗箱或面包板進行基礎定理的驗證。EDA技術的發展為該類課程的線上實驗提供了有效的平臺，常用的仿真工具為Multisim軟件，因此線上實驗也可以采用騰訊會議+遠程訪問的線上線下融合實驗模式[16]。

3） 軟件+硬件綜合類

例如現代DSP技術、現代電子系統設計、FPGA應用及開發技術等課程，該類課程涉及實驗箱或開發板及對應的軟件開發工具，因此線上實驗可以利用相應軟件開發工具的軟件仿真功能進行實驗，例如CCS的Simulator功能，Modelsim仿真軟件，因此線上實驗同樣可以采用騰訊會議+遠程訪問的線上線下融合實驗模式。但是，并不是所有的實驗都可以利用仿真實驗來代替，這類實驗可以利用傳統的線下教學來補充，或者如果硬件平臺不需要復雜的連線，指導教師線下將所需硬件平臺連接好，學生遠程訪問電腦進行軟件編程設計。

4） 大型設備類

電子信息類專業大型設備類的實驗課程不多，對于大型設備類的實驗可以借助虛擬仿真實驗平臺來進行[17]。

以上類型的實驗均可利用虛擬仿真實驗課程的平臺來進行，但是由于學生的個性差異化，學習自覺性及主動性不同，不能保證一定的實驗教學質量，因此仍然需要探索更匹配有效的線上實驗教學模式。

5 結束語

電子信息類專業線上實驗教學模式的探索與實踐，是在疫情及互聯網發展的背景下，根據學校電子信息類專業實驗的實際情況，針對軟件仿真類實驗設計并實踐的。騰訊會議+學生遠程訪問實驗室電腦的線上線下融合實驗教學模式，解決了虛擬仿真平臺的實驗項目與專業實驗大綱不匹配的問題，實驗教師在實驗室對每一個學生的實驗情況可以做到了如指掌，克服學生在家學習的惰性，按照上課時間認真有效地完成實驗，深入理解掌握理論基礎知識，更好地將理論知識應用到實踐中，有效地提高了實驗教學質量，提升了學生的學習熱情和積極性，實踐表明該模式取得了較好的教學效果。