基于AI技術的電工電子在線實驗教學的研究與實踐

摘"要：為滿足新工科背景下創新型應用人才培養需求，本文以電工電子類實驗課程為例，在深入分析實驗教學現狀的基礎上，探討了基于AI技術的在線實驗教學模式的研究與實踐，將層次化、探究式、互動式、開放式教學貫穿實驗教學全過程，同時融入課程思政元素，努力提高大學生的獨立探索能力和工程創新實踐能力，以培養具有愛國情懷的適應新工科發展的應用型人才。實踐表明，該在線實驗教學模式突破了傳統實驗教學“時間”和“空間”的限制問題，達到了預期效果，并較好地完成了相關實驗教學任務。

關鍵詞：新工科；電工電子實驗；AI技術；ELFBOX

2010年，教育部提出的“新工科”建設以培養多元化、創新型和復合型的高素質工程人才為目的，旨在把學生培養成創新能力強、工程實踐能力強的具有世界競爭力的復合型高素質人才［1］。新工科背景下，高校更注重強調理論和實踐相結合，對實踐的重視達到了空前高度，要求工程實踐類課程的改革緊跟新工科的步伐，對傳統的教學理念、教學體制、教學方式方法以及教學方案等進行改革，借助現代化的教學理念和手段，不斷改進實踐教學中的薄弱環節，將“以教師為主，學生為輔”的教學思想轉變為“以學生為主，教師為輔”，讓學生真正成為學習的主體，把先前被動獲取知識轉變為主動學習，在教學過程中注重學生的個性化發展，進而提高教學效果［23］。電工電子技術涵蓋了電路分析、模擬電子技術、數字電子技術等電學基礎知識體系，是高校理工科院系電子信息類電氣自動化類光電信息類和機械電子類等專業課程體系的重要組成部分，是后續專業課程的基礎。電工電子實驗是實踐教學過程中極其重要的一個環節，是培養學生的創新實踐能力和工程思維的重要手段。近些年，各高校在確保教學質量的前提下，創新線上教學形式，通過雨課堂、騰訊課堂、MOOC等網絡在線平臺進行理論課程教學和實驗實訓教學。由于實驗實訓教學的手段和空間的特殊性，多數高校是通過電腦仿真軟件進行仿真實驗開展的［45］，在線開放課程教學的影響已融入目前的教學中。

一、電工電子課程的實驗教學現狀

作為專業基礎課程實驗，受傳統觀念影響，電工電子實驗往往被理解成對學生進行一些基礎性驗證性實驗，了解識別電子元器件和實驗室常見儀器儀表的使用，忽視了對系統性、高階性、創新性、挑戰度和立德樹人等任務的要求，主要存在以下問題。

（1）教學內容方面，現在的電工電子實驗項目內容比較陳舊，內容更新明顯滯后新技術、新理念的發展需求，缺乏與時俱進的時代性。在大類招生背景下，各理工科專業的生師比幾乎達不到國家常模或同類型高校常模，實驗學時少，又由于電工電子類課程都是基礎課程，基礎性驗證性實驗占多數，設計性綜合型實驗偏少，遠離了新工科背景下應用型創新型人才的培養目標要求。同時，各高校重視高精尖的專業核心課程實驗，投入電工電子實驗的經費也相對少，導致新信息技術在電工電子實驗中應用較少。

（2）教學模式方面，依然采用的是照貓畫虎的舊模式。實驗教師先講解實驗項目的內容步驟，將實驗操作過程給學生演示一遍，然后學生按照教師教授的過程做實驗、測試數據，最后撰寫實驗報告。這種傳統的實驗教學模式中，學生雖然做過一遍實驗，知曉了實驗內容目的要求和實驗結果，但還是停留在以教師為主的教學形式，學生實驗參與度不高，獨立設計操作實驗和自主探索性學習的能力未能得到充分鍛煉，創新實踐能力的培養更無從談起。

（3）教學評價方面，原有的常用評價方式多為“平時成績+實驗報告”模式，而平時成績主要記錄學生出勤，有的評價方式會加上簡單的期末抽題實驗考試。這種考核方式忽視了對學生實驗全過程的考核，實驗成績主要依據實驗測試數據的正確與否和實驗課考勤來評判，導致出現部分學生借鑒其他同學的實驗數據或篡改實驗數據的情況，難以考核學生的自主學習能力和創新思維能力。

（4）實驗教學受時間和空間的限制。傳統的電工電子實驗都是在實驗室開展，實驗教師在帶領學生做實驗時會擔心時間不夠，不敢過多拓展實驗內容，因而造成實驗教師教得不夠透徹，學生學得不夠全面深入。除了正常實驗上課時間在實驗室上課外，學生無法保證在課外時間有效獲得實驗學習和實踐能力鍛煉的機會，傳統的電工電子實驗教學受到了時間和空間的限制。

（5）電工電子仿真軟件中的儀器儀表和元器件參數太理想化的局限性。各高校電工電子實驗普遍采用LabView、Multisim、Proteus等仿真軟件開展線上實驗教學［6］，這些仿真軟件是用虛擬儀器代替實驗室真實儀器設備，構建虛擬實驗環境，設置電路參數后進行仿真實驗。虛擬仿真實驗可以解決傳統實驗解決不了的實驗教學空間受限問題，減少元器件的損耗，但仿真測試得到的實驗數據太理想化，與真實實驗數據有一定差距，鍛煉不了學生的實操能力和解決現實問題的能力。

二、基于AI技術的電工電子在線實驗平臺

廣東技術師范大學工業實訓中心承擔了全校電子與信息學院、光電工程學院、自動化學院、機電學院、汽車與交通工程學院、計算機科學學院等各專業的電工電子類理論課程和實驗課程的教學任務，共開設有五門課程十二個課程模塊。實驗教學采用ELFBOX3.0智能遠程在線實驗平臺，如下圖所示。該平臺由客戶端和遠程在線硬件實驗室兩個節點構成，客戶端有教師用戶和學生用戶，兩節點通過互聯網連接［78］。該平臺是基于AI技術的在線實時交互智能硬件平臺，將真實實驗搬上了互聯網。客戶端（學生）利用一臺能上網的電腦，通過軟件實現遠程預約，自動識別元器件，遠程連接電子線路，控制實驗室儀器儀表設備，實時采集實驗過程測試數據，并在線填寫提交實驗報告，查閱實驗報告成績，實現去紙質化。客戶端（教師）在軟件上查詢各班級實驗報告的狀態、成績、等級，可對學生提交的實驗報告進行查看和批閱。該平臺可實時記錄保存測試實驗數據和電壓電流波形，無須學生手動抄錄。ELFBOX3.0在前兩代的基礎上豐富了實驗項目內容，包含了“電路分析”“模擬電子技術”“數字電子技術”“信號與系統”等電工電子類課程的實驗內容。該平臺線路連接自由度高，給學生自由發揮空間。學生可根據課程教學大綱要求和個人實際，選擇高中低不同層次的實驗項目進行實驗，創建個性化實驗清單，滿足個性化教學需求，既可以選擇一些基礎驗證性實驗，也可選擇一些綜合型實驗，還可選擇電子競賽等實驗內容，自主設計實驗。平臺設有討論區，方便師生在課前和課后交流，也能夠滿足實驗時的師生遠程交流互動。

ELFBOX3.0遠程在線實物實驗平臺體系架構圖

三、在線實驗教學實施策略

下面介紹電工電子在線實驗教學全過程。

（1）學生登錄客戶端界面，選擇“遠程模式”，在線進行實驗預習，包括了解實驗目的、實驗原理、實驗步驟等內容。

（2）學生選擇空閑可用的實驗平臺，連接上實驗平臺后才能進行有效的電路設計、儀器設備調測和實驗數據測試。

（3）選擇實驗項目。每新建一次實驗，形成一條記錄，該實驗的所有操作都會保存到此記錄下。若當次實驗未完成，下次有時間繼續該實驗時，只需要找到正確時間對應的記錄，就可繼續實驗。

（4）繪制電路原理圖。從“模塊器件”選擇元器件、信號源、示波器和其他測試儀器儀表，繪制實驗原理圖。電路連接好后點擊“下發”，完成原理圖到電路板的映射，創建好實物電路。

（5）調試和觀測記錄實驗數據。打開攝像頭，觀察真實實驗室環境中用到的電源和示波器等儀器設備。點擊“讀取測量值”，系統自動讀取儀器的測量結果。系統根據實驗項目目標，對實驗數據的正確性做自動判斷。實驗教師對測試數據提前設置一個上下限判斷范圍，若讀取的實驗數據在范圍內，系統會顯示“√”，反之則“×”，同時實驗數據自動保存到當前賬號下。

（6）完成學生客戶端操作。點擊客戶端上方狀態欄“退出”，釋放實驗臺資源。

（7）在線填寫實驗報告。點擊狀態欄“寫報告”，軟件系統自動跳轉到后臺寫報告界面，可以看到已插入報告中的此實驗記錄下的全部測量數據、波形以及原理圖。學生只需要根據自動記錄的波形和數據對實驗進行分析，給出分析結果，回答實驗報告后面的思考題，點擊保存和提交，再由實驗教師線上批閱。

（8）實驗教師在線批改實驗報告。根據學生全過程實驗記錄和實驗報告分析結果，對學生的實驗過程和實驗報告結果評定分數。學生可在系統查看教師批改完成的實驗。

上面的實驗登錄模式是遠程模式，學生用戶電腦只需要能訪問服務器（聯網），即可不受時間、空間限制，隨時開展實驗。當然，學生用戶也可以采用本地登錄模式。用戶電腦和實驗箱通過USB線數據傳輸，且用戶電腦仍需要訪問服務器（聯網），學生依然可以通過軟件在線選擇實驗項目內容，測試實驗數據和信號波形，在線填寫實驗報告并網上提交，不過此時學生用戶和實驗箱是在同一空間。

結語

該在線實驗平臺依托廣東技術師范大學省級電工電子實驗教學示范中心，可做到無人值守、全天候開放，具有功能齊全、使用靈活、擴展性強的特點，不僅可以滿足日常電工電子類課程實驗教學，還可以滿足一些電子課程設計、畢業設計等需求。實驗教師還可以將課程思政教育元素有機融入各實驗項目，讓學生在預習時了解相關內容，提振學生對實驗項目的學習興趣，激發學生的愛國主義熱情，引導學生樹立遠大理想，為中華民族偉大復興貢獻力量。2024年9月，全國教育大會指出，“要堅持不懈用新時代中國特色社會主義思想鑄魂育人，實施新時代立德樹人工程”“不斷加強和改進新時代學校思想政治教育”［9］。如在電路分析的疊加定理實驗項目內容中介紹著名華裔科學家蔡少棠教授提出的蔡氏電路，簡單的非線性電子電路卻能夠較完整清晰展示電路系統經倍周期分岔走向混沌的全過程；在數字電子技術實驗項目內容中插入我國在高端芯片技術領域破解“卡脖子”問題的視頻，如民營企業在面臨困難與挑戰的時候，并沒有選擇退縮與妥協，而是堅定不移地走上自主研發之路。還可以在平臺上展示一些我國近些年先進科學技術與成就的視頻，如高鐵技術、超高速風洞技術、海底隧道技術、風力發電技術、盾構機技術等。

經過正常行政班的實驗教學和重修學生自主實驗的教學實踐表明，該遠程在線實驗平臺的使用達到了預期效果，拓展了電工電子實驗教學時間和空間，有助于學生創新意識、創新能力的培養和自主學習、自主管理能力的習慣養成。

參考文獻：

［1］夏靜萍，吳慶憲，姜斌.新工科形勢下自動化專業實踐教學的分層次培養模式探究［J］.云南民族大學學報（自然科學版），2020，29（2）：150153.

［2］張其亮，周瑜，盧冶.“三位一體”層次化實踐教學體系構建與實施［J］.實驗技術與管理，2019，36（1）：3336.

［3］張薇薇.新工科背景下電工電子實驗教學研究與探索［J］.物聯網技術，2020（10）：110112.

［4］周玉宏.網絡教學模式下“電工電子”實驗教學探索［J］.電氣電子教學學報，2021，43（4）：179182.

［5］湯雪嬌，鄭磊，胡仁杰，等.電工電子遠程在線實物實驗平臺的建設與實踐［J］.實驗室研究與探索，2021，40（12）：148153.

［6］馬進，衛永琴，袁方，等.“互聯網+”背景下“電工電子技術”課程創新教學模式研究［J］.教育教學論壇，2024（28）：148152.

［7］洪遠泉，張玉芹.基于虛實結合混合式的“電子技術課程設計”教學研究［J］.韶關學院學報，2023，44（5）：5962.

［8］馮濤，楊旭，崔家瑞，等.電路實驗遠程在線教學模式探索［J］.實驗室研究與探索，2022（5）：179197.

［9］新華社.習近平總書記關切事｜創新打造思政“金課”［EB/OL］.（20240916）.https：//www.gov.cn/yaowen/liebiao/202409/content_6974897.htm．

基金項目：廣東省本科高校教學質量與教學改革工程項目（粵教高函〔2023〕4號）；廣東省教育廳省級一流本科課程建設項目（粵教高函〔2022〕10號）；廣東技術師范大學校級教學質量與教學改革工程項目（GSZLGC2023107、GSZLGC2023093）

作者簡介：馮明庫（1970—"），男，漢族，山東泰安人，博士研究生，教授，研究方向：非線性理論、混沌保密通信及電工電子技術；洪曄（1989—"），女，漢族，廣東揭陽人，博士研究生，副教授，研究方向：電工電子技術教學。