線上線下電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式淺析

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摘要:利用線上實(shí)驗(yàn)資源共享和信息交互方面的特有優(yōu)勢(shì)，可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)有線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程管控評(píng)價(jià)不合理和實(shí)操受實(shí)驗(yàn)室時(shí)空限制的短板。本文以電子技術(shù)類課程為例，開展線上線下融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究和實(shí)踐，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞:電子技術(shù);線上實(shí)驗(yàn);線上線下融合

一、概述

2020年上半年，國(guó)內(nèi)廣泛開展線上教學(xué)活動(dòng)，截至5月8日，全國(guó)共有1454所高校、103萬名教員開設(shè)線上課程107萬門，在線學(xué)習(xí)量高達(dá)1775萬次［1］。與此同時(shí)，線上教學(xué)以其獨(dú)特的資源共享和互動(dòng)靈活性，得到廣大師生的認(rèn)可，據(jù)統(tǒng)計(jì)80．3%教員和84．07%學(xué)員對(duì)在線學(xué)習(xí)的感覺良好。全國(guó)政協(xié)委員胡衛(wèi)認(rèn)為:線上線下融合的教學(xué)模式將成為主要發(fā)展趨勢(shì)。電子技術(shù)類課程作為專業(yè)背景課，分為理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)模塊，其中實(shí)驗(yàn)?zāi)K占1/3的比重。2020年上半年，電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要借助電腦和手機(jī)仿真軟件來實(shí)施，部分班次也依托線上仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了教學(xué)嘗試。通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，線上實(shí)驗(yàn)雖然缺乏線下實(shí)驗(yàn)的實(shí)操感，但其在理論驗(yàn)證、仿真設(shè)計(jì)和教學(xué)評(píng)價(jià)等全過程管控環(huán)節(jié)中展現(xiàn)出線下實(shí)驗(yàn)所無可比擬的優(yōu)勢(shì)。學(xué)員普遍反映線上實(shí)驗(yàn)有更高的參與感，能更好地助力于理論知識(shí)的理解吸收［2］。為此，融合線上和線下實(shí)驗(yàn)的共同優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建全新的電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，成為擺在我們面前的全新且極具意義的課題。據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)包括清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢大學(xué)、華南理工大學(xué)、浙江大學(xué)、東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、四川大學(xué)、北京理工大學(xué)等在內(nèi)的十余所高校，均已開始展開對(duì)線上線下融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究和實(shí)施。

二、現(xiàn)有線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的弊端

電子技術(shù)類課程在我校的開設(shè)歷史已有幾十年，目前線下實(shí)驗(yàn)條件已能滿足單人單組的實(shí)驗(yàn)要求，但過程管控、評(píng)價(jià)模式以及信息化手段等方面的不足問題依然嚴(yán)重。

(一)學(xué)習(xí)過程不能掌控

依賴實(shí)驗(yàn)人力管控是當(dāng)前線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程管控的主要方式，這種管控方式有效性差，同時(shí)受時(shí)空條件約束。以我校電子技術(shù)類線下基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)員在課程期間需完成8—10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)班次可同時(shí)容納40人左右實(shí)驗(yàn)，配備1名主講教員和1名輔導(dǎo)人員。學(xué)員在課程學(xué)習(xí)器件的過程管控和實(shí)驗(yàn)室管理主要依賴2名教輔人員。為有效管理，通常將實(shí)驗(yàn)流程分為:預(yù)約、預(yù)習(xí)、設(shè)計(jì)、實(shí)作、調(diào)試、審核、驗(yàn)收等七個(gè)環(huán)節(jié)。其中預(yù)約和預(yù)習(xí)由學(xué)員在課前完成，教員通過隨機(jī)提問和抽查等方式了解預(yù)習(xí)情況，由于無法規(guī)范確切地獲取所有學(xué)員的預(yù)習(xí)數(shù)據(jù)，預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)管控有效性較差［3］。從設(shè)計(jì)到審核都在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)完成，學(xué)員必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成既定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教輔人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和學(xué)員實(shí)做情況穿插答疑，并幫助學(xué)員排除系統(tǒng)故障。電子系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)涉及器件、儀表和制作工藝等多方面因素，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)學(xué)員無法當(dāng)場(chǎng)完成任務(wù)須利用其他時(shí)間加班的情況，受限于實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)段和人員工作安排因素，學(xué)員在課外的工作一般無法得到教員的實(shí)時(shí)指導(dǎo)，也無法將過程數(shù)據(jù)真實(shí)地展現(xiàn)給教員，此時(shí)的過程管控基本是開環(huán)，教員處于有心無力的狀態(tài)［4-5］。另外，由于缺少實(shí)時(shí)監(jiān)控手段，教員在過程中缺少反映實(shí)驗(yàn)狀態(tài)、技能掌握程度及班級(jí)實(shí)驗(yàn)共性問題的學(xué)情信息數(shù)據(jù)，無法對(duì)實(shí)驗(yàn)效果做出客觀判斷。

(二)評(píng)價(jià)方式不夠合理

培養(yǎng)學(xué)員實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退仞B(yǎng)的主要途徑是完成實(shí)驗(yàn)的過程，通過學(xué)員在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的操作情況，可以反映其真實(shí)的實(shí)驗(yàn)水平。但是結(jié)果檢測(cè)往往比過程檢測(cè)容易，所以最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確，就理所當(dāng)然地成為評(píng)價(jià)學(xué)員實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的依據(jù)［6］。隨著教學(xué)改革的逐漸深入，課程終結(jié)性評(píng)價(jià)中須考慮過程評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)前，線下實(shí)驗(yàn)的主要依托人力過程管控的過程評(píng)價(jià)主要參考每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)果，比如項(xiàng)目完成度和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教員根據(jù)學(xué)員提交的作品和報(bào)告給出項(xiàng)目021創(chuàng)新教學(xué)科技風(fēng)2022年2月評(píng)定成績(jī)，課程的總體過程評(píng)價(jià)成績(jī)則為所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績(jī)的平均值。這種過程評(píng)價(jià)方式，實(shí)際還是“結(jié)果導(dǎo)向”評(píng)價(jià)方式，無法避免走過場(chǎng)、效率低等問題［7］。真正的過程評(píng)價(jià)還應(yīng)該包含其他量化指標(biāo)，比如:(1)課堂表現(xiàn)。包括學(xué)員在課堂上參與討論情況、幫助同伴解決問題情況以及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備歸置情況。(2)課外表現(xiàn)。學(xué)員預(yù)習(xí)情況、查閱資料的能力、項(xiàng)目探究擴(kuò)充能力。這些指標(biāo)的給定需要依托大量學(xué)情數(shù)據(jù)才能得以實(shí)現(xiàn)，目前的線下實(shí)驗(yàn)還不足以支撐真正的過程評(píng)價(jià)。

三、線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)

(一)打破線下實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制

線上實(shí)驗(yàn)只要在互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的地方，學(xué)員都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，不受線下實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)段的限制［8］。具有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)布及時(shí)、收集管理學(xué)員信息、全程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲取和記錄、實(shí)驗(yàn)效果自動(dòng)評(píng)價(jià)等功能。實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)員能夠反映實(shí)驗(yàn)過程中的真實(shí)體會(huì)，并給出實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和提出意見建議;系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)推送優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目排行榜，鼓勵(lì)高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共享，讓實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目亮相，打破壁壘，推行共享共建［9］。

(二)實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)過程數(shù)據(jù)

線上實(shí)驗(yàn)的“做”體現(xiàn)在:學(xué)員能在調(diào)整電路時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)終端的儀器顯示觀察到電路性能參數(shù)的變化，從而獲得線下實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)感。線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過在線獲取數(shù)據(jù)，了解實(shí)驗(yàn)實(shí)施情況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。關(guān)鍵數(shù)據(jù)有兩類:(1)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。利用學(xué)員在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的儀器測(cè)量數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置協(xié)議，獲取和控制儀器設(shè)備相關(guān)參數(shù)信息。(2)實(shí)驗(yàn)過程狀態(tài)數(shù)據(jù)。包括實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中的時(shí)間、實(shí)驗(yàn)次數(shù)、試錯(cuò)及速度等數(shù)據(jù)。采集實(shí)驗(yàn)每一步的時(shí)間，并提交至后臺(tái)，并按一定的算法對(duì)實(shí)驗(yàn)次數(shù)和準(zhǔn)確率進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

(三)合理精準(zhǔn)的過程評(píng)價(jià)

為了獲取滿足不同教學(xué)觀測(cè)視角所需的分析結(jié)果，可以在線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)海量學(xué)情大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行挖掘和篩選。通常采取以下步驟:(1)打標(biāo)簽。將每一類學(xué)情數(shù)據(jù)根據(jù)不同的意義打上不同的“標(biāo)簽”，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，形成不同權(quán)重的數(shù)據(jù)組織。(2)建立評(píng)價(jià)模型。通過建立數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)觀測(cè)點(diǎn)的映射關(guān)系，設(shè)計(jì)出具有關(guān)鍵效果評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算模型。(3)推送整定結(jié)果。設(shè)計(jì)軟件，將分析結(jié)果自動(dòng)推送給指定對(duì)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從獲取、分析到應(yīng)用的閉環(huán)。

四、線上線下融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施

(一)構(gòu)建線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)關(guān)聯(lián)線上和線下實(shí)驗(yàn)，在配備有示波器、電壓源、信號(hào)源和頻譜儀等測(cè)量?jī)x器和實(shí)驗(yàn)元器件、電路實(shí)物模塊的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置終端，學(xué)員可以在任何具備網(wǎng)絡(luò)條件的地方，通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程遙控智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方式完成和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一樣的實(shí)驗(yàn)［10］。通過此系統(tǒng)，可以將關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動(dòng)存入學(xué)員的賬號(hào)下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程全“真”硬件實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)、外大數(shù)據(jù)無死角采集。目前，國(guó)內(nèi)有多家企業(yè)進(jìn)行了線上實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，下圖是易星標(biāo)遠(yuǎn)程在線實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

(二)建立一套實(shí)驗(yàn)課程體系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分單元實(shí)驗(yàn)以理論驗(yàn)證功能為主，可以通過遠(yuǎn)程線上實(shí)驗(yàn)完成;綜合難度高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以在線上完成設(shè)計(jì)驗(yàn)證，再到線下實(shí)驗(yàn)室制作和調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果上傳至平臺(tái)形成閉環(huán)。平臺(tái)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)施方式如下表:

五、總結(jié)

線上線下融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通過先采集學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的數(shù)據(jù)，再根據(jù)積累的大數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析學(xué)習(xí)者的知識(shí)點(diǎn)掌握情況，并推送相關(guān)內(nèi)容，從而使得知識(shí)傳遞效率和過程評(píng)價(jià)的有效性大大提高。該模式不但解決了師生對(duì)傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的依賴性問題，同時(shí)通過技術(shù)段解決了學(xué)生遠(yuǎn)程自主動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的問題，滿足實(shí)驗(yàn)參與度需求，是未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

作者:朱旭芳 胡秋月 單位:海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院