在线教育在高等学校实验教学中的实现

吕念玲， 秦慧平， 殷瑞祥， 李 斌

（华南理工大学电子与信息学院，广州510640）

0 引 言

我国从2005年开始开展工程教育认证，并于2013年6月加入了世界上最具影响力的国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》，有力地推动了我国构建与国际实质等效的工程教育认证体系，培养面向世界的中国工程师［1］。2017年，教育部发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，对人才的工程能力培养提出“理念新、要求新和途径新”的要求［2］。实验教学作为工程教育的重要组成部分，如何突破技术瓶颈和管理障碍，寻求实验教学质量的再提升，是当前教学研究的焦点所在。本文就是取在线教育之长，补传统实验教学之短的思考与实践。

1 在线教育的发展及其特点

互联网的出现改变了人们的生活，也推动教育方式的革新。2011年第一门MOOC课程——斯坦福大学Sebastian Thrun教授的研究生课程《人工智能导论》上线；2012年开始，Coursera、Edx及Udacity三大MOOC平台向全世界提供世界著名高校的相关专业课程［3-4］。国内高校于2013年开始，也出现了MOOC热潮；相关的主管部门、学校、教师对在线课程、MOOC、微课表现出极大兴趣。以MOOC（Massive open online course，大规模开放在线课程）为代表的在线教育，成为高校实施在线教育的主要模式［5-7］。

经过多年发展，现阶段在线教育具有以下特点：

（1）互联互通的广泛性。对于学习者而言，通过互联网，MOOC让世界上每一个学生都有机会选修最顶尖大学的优秀课程，摆脱了时间和地点的限制，使得高质量的课程资源可以触及任何一个能接入互联网的终端设备，优质课程资源的易获得性，平衡了教学资源分配、提高了高质量教学资源的受益面［8］。

（2）受众的自由性。由于基于宽带网络、智能手机和移动技术的迅速普及，在线教育受众面越来越广泛。任何人都可以通过互联网完成在线教育的注册，并且学习者的数量和时空不受限制，可以按照自己的情况合理安排学习过程和内容，灵活选择不同学校的课程资源，降低了课程的进入门槛，时空和经费对学习的影响降到极小。

（3）过程与行为记录的实时性。在MOOC平台上，学生提了哪些问题，做了哪些练习，练习题做得怎样等都被在线实时记录下来，成为观察学习过程、评价学习效果的依据。在线记录学习的过程与行为，是在线教育有别于传统课堂教学的最显著特点［9］。

（4）效果评价的透明性。在线课程面向更为广泛的学生和教师群体，有可能获取更大数量、更客观的反馈与评价。课程好不好，上网去亮亮相；学生说好，才是真的好！在线课程让某一高校的课程与教学质量不再是本校的事情，教学质量的评估在全国甚至全球范围内变得具体而透明。优质课程的提高与进步，获得强大助推力。

2 高等教育实验教学的特点与突出问题

高校的实验教学是以培养工程实践能力为目标，与面向知识传授的理论课程教学存在较大的差异性，而现阶段的实验教学具有以下几个特点和问题。

2.1 对资源的依赖性强

实验教学与理论教学不同，实验课对资源的依赖非常强，即实验教学往往需要在特定地点（实验室），借助特定工具（仪器设备），才能完成对特定实验对象（元件、器件或系统）的研究［10］。学生很难突破时空的制约，在实验室之外的宿舍和自习室得到完备的实验条件。课外实验实践教学的开展举步维艰，是目前不争的事实。近年来，虽然虚拟仿真实验软件研发不断进步，但其“仿”的效果，远不能替代从实验现场获取“真”经验。

2.2 过程管理有效性差

实验课教学的目标是通过成熟的内容，训练学生的动手能力。因此，获取实验结果不是高校实验教学的目标；通过实验操作过程，训练学生的实验思维、提升动手能力才是实验教学的重点关注。因此，实验过程比实验结果更重要［11］。

传统实验过程通常由实验预习、实验实施和提交实验报告3个环节组成，主要工作内容包括：阅读预习报告或以提问方式检查预习情况；实验课堂上辅导、答疑及纠正错误操作；课后批改实验报告。该过程主要依靠教师人力实施管理，且存在不足。

（1）管不过来。实验课上，主讲教师和实验辅导人员承担整个实验课几十个学生的答疑、纠错、辅导、数据审核或实验验收等工作，其注意力几乎都投放在帮助实验出现故障问题或实验失败的学生身上；实验过程不提问的学生就没有问题么？显然不是，只是老师们顾不过来。

（2）教不到位。实验课上集中讲授，只解决实验共性问题；过程中，学生个体出现操作错误，数据误差无法得到及时纠正，过程管理无法体现因材施教。

（3）了解不足。教师仅知道学生是否做了预习、实验测量结果是否正确等“表面现象”，而学生实验技能是否掌握、熟练程度及应用能力等反映学习效果的“深层次信息”了解不全面，对实验的实际效果心里没数。所以，高校实验教学过程管理有效性比较差。

2.3 缺乏自整定机制

教、学相长，实验教学也一样。教学过程中，学生和课程都需要持续改进。学生要在学习中及时调整学习策略，才能提高学习效率。课程内容和教学方法及时优化，才能取得好的教学效果。传统的实验预习、实验操作及提交报告是单向、开环的过程，有价值的学情信息流失。效果评价需要足够多的客观依据，必须强化教学过程大数据收集，并以其为纽带，把教学设计、过程管理、效果分析与反馈调整等环节紧密关联起来，形成闭环的、直接作用于教师与学生的实验课程信息处理系统，才能实现实验课程有效的自我整定和质量的持续提升。

2.4 发展不平衡，孤岛现象严重

实验实践教学水平，直接影响人才培养质量。但实验教学队伍偏弱，水平提升受理念、内容、资源、管理等诸多因素共同作用。发达地区、前列高校，集中较多的优质实验教学资源；而边远地区，推动教学改革存在较大困难，理念、内容及手段滞后。在缺乏校际交流，同行间信息不畅的当下，各干各的。加速实验实践教学质量整体提升的呼声大，实招少。所以需要采取有效方式，切实推动优秀实验课程资源校际共享，改变各校实验教学的“孤岛”现状，实现高校实验室在基础设施、管理及资源应用层面的“动态融入”，达成实验教学与先进理念的“紧密跟随”；缩小甚至填平传统的因地域、时间和师资力量导致的教育鸿沟［12］。

3 在线教育在实验教学中的实现方法［13-15］

工程教育不能缺少实验实践教学，而且工程专业认证对实验实践教学的要求很严格，人才能力的培养更需要扎实的实践教育支撑。但是当下如火如荼的MOOC课程多限于理论教学课程，实验在线教育呼声大、动作少。在线教育的发展模式提示需资源共享方向，实验在线教育必须克服困难，把握机遇，有所作为。

电工电子实验的主要测量对象是电参数，电参数具备易于在线获取、存储的特点，因此电子技术实验教学实施在线教学与管理，拥有更多有利的条件。现结合电子技术实验教学领域介绍在线教学方法。

3.1 实验上网，发挥共享效益

实验是用来“做”的。互联网覆盖的地方，学生都可进行实验研究。优质实验项目共享才能达到效益最大化，让身处不同地方的学生都能保质保量完成同一个实验，是一项大工程，必须创造以下条件：

（1）在线管理条件。具备发布实验项目，学生信息收集管理、在线监控实验全过程、获取并记录关键数据、自动进行效果评价等功能。

（2）提供实施实验所必需的软件、硬件条件。采用计算机终端操控硬件设备，开展远程实物实验。

（3）具备信息反馈通道。实验完成，学生有机会反映其真实体会及评价，并提出意见与建议；系统动态推送优质实验项目排行榜，鼓励优质实验项目共享。

让实验项目亮相，打破壁垒，推行共享共建。

3.2 将资源依赖变为在线认证优势

高等教育承担学生知识传授与能力培养的同时，也承担认证职能。实验学习过程中的抄袭、代做、代考等行为，都有悖于认证的真实性原则。实验教学对资源的依赖性，主要是指必须借实验设备和实验室空间才能进行实验学习和训练的教学特点。这曾是阻碍资源共享的短板，但学生身处独一无二物理空间的真实性和充足的设备支撑条件，恰好为实时采集数据提供了可能；为数据的真实性做了背书；为动态认证提供了依据。只要利用技术手段，将特征数据收集起来，就可成为认证优势。关键环节有2个：

（1）人脸识别登录。学生进入实验室，刷脸登录实验管理系统。改进刷学生卡进入实验室，身份真实性存疑的问题，也为后续监控的开展提供比对依据。

（2）全过程的不定时扫描。使用摄像头，不定时采集实验现场每张实验台学生的面部信息，与登录人的面部信息比较。可以采用规律触发扫描、条件触发扫描和强制触发扫描相结合的方式；发现人不在、换人及上传数据的时候，触发多次扫描和强制扫描，有效实施动态认证。

3.3 在线获取实验实施大数据，提升管理有效性

实验现场反映的问题，是做出教学效果研判的最可靠依据；在线获取数据，是了解实验实施情况最真实、最便捷的方法。关键数据有2类：

（1）实验测量数据。采集学生实验过程中的仪器测量值；通过NI-VISA协议使用USB通信，读取和控制仪器设备相关参数信息。数据分为两部分：文本数据、图片数据；文本数据采用JSON格式传输、图片先在本地压缩后再进行传输。

（2）实验过程状态数据。采集实验操作过程中重复次数、时间、试错及速度等数据。对于实验过程中每一步的操作时间，使用前端埋点进行缓存后统一提交至后台。学生提交次数、实验准确率，以及提交的过程数据在系统后台按一定算法定时进行计算后更新。

3.4 精准分析推送，达成闭环整定

在海量学情大数据基础上，通过挖掘和筛选，可以获得满足不同教学观测视角所需的分析结果。达成这个目标，需要3个步骤：

（1）打标签。每一类的学情数据都被打上多个“标签”，即被赋予了多重的意义；在不同的应用场景下，形成各有权重的数据组合。

（2）建立数据与评价观测点的映射关系。设计关键效果评价指标的数学计算模型。

（3）软件编程。通过软件设计，自动将分析结果推送给指定对象，实现数据获取、分析及应用的闭环。

4 在线实验教学系统的实现与应用

学校开发了电工电子实验在线共享管理平台，借助技术工具，推动实验在线教育的实施。

4.1 系统实现要解决的主要问题

4.1.1 解决电源条件控制问题

配合管理过程中实验台条件供电的需要，开发了电类实验台电源智能控制系统。包括控制开关硬件，以及实现实验预习自动组卷、自动评分、满足条件时命令控制开关自动接通的软件系统。电源智能控制的具体实现，如图1所示。采用B／S＋C／S结合使用的模式解决浏览器的限制问题。系统数据都存储在远程服务器，考虑到实际的应用场景系统采用B／S架构进行开发，为了实现智能电源的控制效果和解决浏览器的限制问题，引入基于C＃开发的客户端程序。系统在服务端设定了多重逻辑条件，当满足特定条件的要求时，客户端作为服务器和电源通信的中间桥梁，传达着彼此的指令信息。

图1 电源智能控制的具体实现

4.1.2 解决在线做实验的问题

开发远程在线实验管理系统，其中ELF-BOX远程智能实验平台包含真实的实验元器件、电路实物模块及实验用示波器、电压源、信号源和频谱仪等真实测量仪器；学生可以在实验室外具备网络条件的任何地方，通过计算机远程操控智能实验平台上的实物电路和测量仪表，实现如在现场操作一样的电路元件调整效果和测量结果。借助此系统，按要求上传的关键数据被自动存入学生账号。实现远程全“真”硬件实验，实验室内、外大数据采集无死角。图2是远程在线实验管理系统构成示意图。

图2 远程在线实验管理系统构成示意图

4.1.3 解决数据在线获取的问题

系统必须支持不同品牌测试仪器接入，满足根据课前老师设置的实验监测点，学生完成实验的同时提交数据，系统自动采集，确保数据真实性、不可作弊的要求。除了实验测量数据采集之外，学生实验的过程数据全部在采集范围之内，例如：试错因数、速度因数等，用于课后学情分析。由于浏览器应用无法直接访问本地设备，需要在本地安装一个Windows服务，用来提供本地Web服务，作为连接浏览器应用与本地硬件控制应用的桥梁。将VISA控制模块内置到本地服务中，这时浏览器通过http请求本地Web服务，即可实现对本地仪器控制。图3为在线数据获取示意图。

4.2 应用亮点

4.2.1 有效推行实验准入制

学生进入实验室，强制进行预习检测：系统随机组卷，在15～20 min内，最多可以进行3次检测；只有达到60分条件，实验台才自动上电：预习效果不达标，该次将无法做实验。系统对所有用户一视同仁，做出的判断客观而严谨；人机对话，避免了师生面对面可能引发冲突，使严格的实验室准入制度，以学生可以接受的方式柔性落地。强制预习带来学习风气的改变，学生投入实验预习和准备的积极性和主动性被激发，实验质量和效率大大提高。图4是我校电信学院2018级创新班进行“仪器与测量”实验项目时，现场预习检测的情况统计截图。

图3 在线数据获取实现示意图

4.2.2 全过程自动监控，无死角获取数据

图4 实验现场预习检测情况统计截图

实验台计算机荧光屏上方的摄像头不定时对实验操作者进行扫描，确认实验者为本人；实验开始前，教师按照实验要求，设置关键检测点；实验过程中，系统自动记录学生上传的数据和刷新的次数，如图5所示是系统后台实验过程数据的原始记录表截图；表中记录了学生实验过程中首次上传数据错误数量、最后一次上传数据正确数量以及每个数据被刷新（试错）次数，并自动做出正／误比率统计。以上是实验室现场数据获取情况。实验室外操控ELF-BOX的过程记录由远程实验系统获取，记录到后台数据库。课内课外过程监控与数据收集无一遗漏。

图5 系统后台实验过程数据的原始记录表

4.2.3 大数据分析结果精准推送

系统通过对预习检测、实验现场操作及学生提交实验报告的数据分析，将教师和学生关注的信息分别予以推送。教师得到实验出错率、实验熟练度，项目实施难、易程度等的大数据分析结果推送，诊断教学设计的问题，优化教学内容。学生则能从系统推送信息，看到自己实验过程出错的详细记录，获得教师对于改进不足之处的点评与建议（关联推送）等个性化学习指导，明确每次实验存在的优势与不足，及时调整学习策略。

4.2.4 实现双闭环整定

在线实验教学流程，形成了基于学情信息获取、分析及反馈的双闭环系统，达成实验项目与实验课程的自整定。图6是在线实验教学双闭环整定过程的示意图。小闭环，将传统的“实验预习—实验实施—提交报告”的单向开环实验学习过程，变为“实验实施—达标评价—附加训练（补短）—再评价…直至达标”的过程控制，及时发现实验问题，引导学生及时调整学习策略，实现个性化教学。大闭环，则基于实验课程的实施数据综合分析，调整优化课程中各实验项目的设计，从而实现实验课程的持续改进。

图6 在线实验教学双闭环整定过程示意图

5 结 语

“互联网＋”与教育教学的深度融合，令传统实验教学在教学体制、教学理念和教学方式方法等方面获得更为宽广的创新改革路径。在信息技术支持下，挖掘数据价值，改革运行机制，消除实验资源共享壁垒，切实提升教学质量，我们要做的探索还有很多。