电路实验远程在线教学模式探索

冯 涛，杨 旭，崔家瑞，林 颖，李 擎

（北京科技大学a.自然科学基础实验中心；b.自动化学院，北京 100083）

0 引言

2020年1 月，一场突如其来的新冠病毒疫情席卷全国并且迅速肆虐全球，是继2003 年非典后又一个极为重大的公共卫生事件，给国家生产及人们生活各方面带来了极为严重的影响［1］。为保证疫情防控，教育部发布了《关于2020 年春季学期延期开学的通知》，要求适当推迟春季学期开学时间，鼓励各地利用互联网和信息化教育资源为学生提供学习支持，保证“停课不停教、停课不停学”［2-4］。在这样的背景下，我校开展了大规模的线上理论课程教学，通过雨课堂、腾讯会议等教学工具，针对线上教学与线下授课的不同特点，灵活采取直播授课、在线答疑、在线考试等环节，共计开设893 门、1 688 门次本科生理论课程，取得了较好的教学效果［5］。然而，因为需要线下实操的特殊性，大部分实验课程无法开展在线教学，相应的教学计划被推迟到复课之后进行权宜安排。

电路实验是面向我校自动化学院、计算机与通信工程学院开设的电类专业基础实验课程，为后续电路分析基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础等理论课程起到基础性的支撑作用［6］。每年约有30 个班1 000 余名学生学习这门课程，授课学时为16 学时。专业覆盖面广、授课人数多、排课密度高，是该门课程的显著特点。本学期电路实验课程的授课对象是大一下学期本科生，选课人数共计403 名学生。如果将课程推迟到暑假或者下半年来补课，会给学生带来较为严重的排课冲突，加大学生学习压力，同时也会因为课程全年的上课任务被全部集中到下半学期开展，从而使得实验室场地和设备资源变得格外紧张，排课密度和上课人数大幅增加，实验室超负载运转，无法满足疫情防控常态化下的实验室人员密度要求，造成实验室安全隐患。考虑到这些因素，我校电工电子实验中心电路实验课程的教学团队努力克服疫情环境下实验教学面临的各种困难，成功开展了电路实验课程的在线教学工作，探索出了疫情防控特殊背景下的远程在线实验教学新模式。新的实验教学模式以学生能力提高为中心，灵活采用多种前沿教学技术和实验手段，尽可能弥补学生无法现场操作的不足，最大化地激发学生思考，促进学生对理论知识的理解，加强学生分析思考能力和综合创新素质的培养，取得了与线下实验教学实质等效的教学效果。

1 电路实验远程在线教学实施的可行性

与理论课堂相比，实验课堂的远程在线教学面临的最大问题是学生不能来到实验室进行实际的接线和测量，无法有效地训练学生的电路搭建和调试、排错能力，也无法进行现场授课、答疑、指导，师生、学生之间无法面对面交流和讨论。因此电路实验远程在线教学的实施需要克服多方面困难，需要远程实验工具、直播授课软件、在线教学资源、网络基础条件等多方面密切配合。经过探索与实践，如图1 所示几个方面的现有条件为本次疫情防控背景下的电路实验远程在线教学实施提供了可行性。

（1）网络基础条件的普及以及学生在线学习习惯的具备。据我校教务处给出的数据统计，本学期电路实验的授课学生人数总计为403 人，其中只有2 名学生因为家庭地处偏远不具备在线授课的网络条件而需要特殊考虑，其他学生均具有顺利实施远程在线实验教学的软硬件环境。同时，本课程面对的是95 后学生，他们生长在一个信息技术飞速发展的年代，被称为互联网“原住民”，具有极强的好奇心和学习能力，早已经适应了理论课堂上的直播授课和MOOC 课程的在线学习形式，对于网络授课的接受程度较高，不会对电路实验课程的远程在线教学方式产生心理上的抗拒和习惯上的不适应。

（2）虚拟仿真和远程在线实验教学手段的发展。新冠疫情给电路实验教学造成的最大问题是学生无法来到实验室进行现场接线和数据测量，使得原有的实验项目无法正常开展。但是，随着电路仿真技术的不断发展，现有的电路仿真软件（如Multisim等）已经具有了极为逼真的仪器界面和操作体验，操作过程具有极强的真实感，并且还充分地考虑到了电路元件和测量仪器的非理想实际特性，使得仿真数据越来越接近于真实电路的测量结果。同时，这些软件还具有完善的分析和统计功能，学生轻点鼠标就能够方便地进行元件参数扫描、瞬态分析等多样化的电路特性分析，比真实的线下实验更加快捷方便，能够让学生更直观地观察到参数变化对电路输出的影响，使得实验现象更能反映理论本质，从而更好地促进学生对理论知识的理解。此外，近年来还出现了可以对真实电路元件进行远程连接、远程测量、远程观察实验结果的远程在线真实实验操作平台，给用户带来极强的操作临场感，很大程度上弥补了纯软件仿真带来的实际动手能力训练不足的问题。

（3）在线教学资源库的持续建设保障。多年来在电路实验教学资源库上进行着持续建设和积累，编写了多部学习阶梯平缓、易于自学的多媒体实验讲义和实验教材，录制了几十余部操作演示视频和仪器使用教学视频，并搭建了相应的在线单元测验试题库，在中国大学MOOC 网上建设了成型的独立SPOC 课程，构建了完整的面向实验课堂的线上线下混合式教学模式，为疫情防控背景下的在线实验教学提供了强有力的教学资源保障。通过对远程实验教学工具、在线教学资源库的合理组合和精心设计，可以扬长避短，突破时空限制，较大程度上克服学生无法来实验室进行现场听课和实操的难题，还可以利用软件灵活方便的优势，设计和开展更加复杂的综合性实验项目，实现探究式、讨论式教学，使得学生真正成为实验的主人，实现知识的内化。

（4）直播授课教学工具的稳定成熟。由于学生无法到校上课，师生不能面对面交流，不得不采用远程直播的方式来进行在线授课。随着智慧教学理念的兴起，已经出现了雨课堂、腾讯课堂、腾讯会议等多款成熟稳定的远程授课工具，能够满足大规模、高并发的网络直播授课，在理论课程的在线教学中已经得到了广泛应用和充分验证。经过调研比较，这些软件除了具有正常的直播授课功能之外，还可以实现在线考勤、随堂测验、数据统计等多样化的功能，使得教师对学情的把握更为精准。同时这些软件还可以支持课程回放，方便学生课下自行回看、自主学习，这对细节繁多、侧重于动手操作的实验教学尤为有利。这些成熟的工具为电路实验的远程在线教学实施打下了良好的基础。

（5）课程授课团队具有较强的主观能动性。在我校响应教育部号召、发出“停课不停教、停课不停学”的倡议之初，本课程授课团队各位老师便迅速行动，本着保证人才培养质量不缩水、保障教学计划影响最小化的大局观，积极探索实验课程的远程教学新模式，广泛试用各种虚拟仿真软件和远程在线实验平台，着力调研多种在线教学工具和教学手段，重新设计适应于远程在线教学场景的实验内容和实验项目，并且在没有专业视频制作公司支持的情况下，自行学习多种新的信息化手段和软硬件工具，自行录制和剪辑制作教学视频，变“危”为“机”，主动求变，表现出了极高的主观能动性和主人翁精神，为本次电路实验的远程在线实验教学顺利实施起到了决定性的作用。

2 电路实验远程在线实验教学模式构建

针对新冠疫情背景下电路实验远程教学所存在的问题，根据相关专业对学生能力培养的要求，构建了电路实验远程在线实验教学模式，如图2 所示。相对于传统教学模式，疫情背景下电路实验远程在线实验教学的授课形式和实验手段发生了较大变化，课程的学习重点不再是实际的元器件接线、真实的仪器仪表操作和实际数据测量，而是转变成了虚拟仿真软件的使用及远程在线真实实验平台的操作，与之相应的，实验教学流程、实验内容、实验项目也要作出大幅调整，这些都要由授课教师在课前完成。教师还要根据新的实验内容编写新的实验讲义和演示课件，并将相应的软件操作和较为复杂的实验原理都录制成短视频上传到SPOC课程平台，完成教学资源的推送，引导学生居家进行个性化自主学习。在直播授课环节，教师采用腾讯课堂、雨课堂等工具，通过语音直播、屏幕共享、PPT推送等方式进行实验原理讲解、重点操作演示等，并进行预习测验、课堂测验、课堂调查，发起学生间的交流与讨论，对教学过程进行有序指导。之后，学生在虚拟仿真软件和远程在线真实实验平台上进行实验操作，完成指定实验任务。尽管学生不能够来到实验室现场进行真实元件和仪器的实验操作，但是电路仿真软件的炫酷界面和强大功能也能调动学生自主学习的兴趣，远程在线真实实验平台的真实操作体验和满满的科技感，更能激发学生主动探索的热情，再配合精心设计的实验内容和准备详尽的SPOC视频等丰富教学资源，同样能够让学生手脑并用、有序学习，使得远程在线实验教学与线下实验室教学实质等效成为可能。

图2 电路实验远程在线实验教学模式

3 电路实验远程在线教学实施流程

3.1 课前准备阶段

课前准备阶段是整个电路实验远程在线教学流程能否顺利实施的关键。在疫情防控背景下，电路实验的授课形式和实验手段均发生了巨大的变化，因此课程的各个环节需要重新设计，需要教师重新规划实验教学流程，重新设计实验教学内容，重新准备实验教学资源等。

（1）理清电路实验在线教学实施脉络，重新规划实验教学流程。要以学生能力培养为目标，根据理论课的授课进度和在线实验教学的特点，明确实验目的，确定实验内容，分配实验学时，并合理安排直播授课和SPOC视频中的知识点讲解，确定教学重点，预估教学难点，制订考核指标，对在线实验教学的整个过程进行全盘把控，帮助学生在疫情防控特殊背景下实现知识内化和能力成长。

（2）实验内容的准备。新的实验内容要适应远程在线实验教学的要求，在无法使用实际电路和仪器进行真实实验的情况下，充分发挥电路虚拟仿真软件和远程在线真实实验平台直观易用、功能强大的优势，设计比真实实验更具有探究性的实验项目，提高实验的创新性和高阶性。通过实验内容和实验环节的合理安排，做到逻辑严密、环环相扣、层层递进，引导学生自主实验、自主探究，加深学生对实验内容的理解，实现学生分析思考和实践能力的培养。

（3）丰富在线教学资源，为学生创造多样化的自主学习环境。在明确实验目标和教学知识点的前提下，根据学生现有的理论知识结构和实践能力水平，综合利用各种软件工具，将与工程应用紧密相关的背景知识制作成演示文稿、多媒体讲义；自行搭建简易摄影摄像棚，录制实验原理讲解视频、实验操作演示视频、仿真软件和在线实验平台详细使用视频等，以直观和生动有趣的方式将知识点呈现给学生。教学资源准备完成后，教师在课前将其上传到SPOC课程平台，向学生明确学习任务，方便学生居家自主学习。

学生在课前准备阶段主要通过教师提供的教学资源进行实验预习。学生自行安排时间，通过实验讲义、预习视频了解实验背景，回顾理论知识内容，树立实验目标，并回答预习思考题，为正式实验操作做好充分的理论和背景知识准备。

3.2 线上直播授课阶段

因为疫情期间学生无法来到实验室进行线下授课，因此采用线上直播的形式取而代之。经过反复试用和对比，选用雨课堂和腾讯课堂两种工具结合使用来进行线上直播授课，同时使用微信群来组织答疑和互动，3 种工具起到的作用如图3 所示。“雨课堂”是学堂在线推出的智慧教学工具，它以插件的形式存在于Power Point软件中，可以与微信端融合，实现学生点名与签到、PPT页面推送与分享、随堂测验与问卷调查等功能，在理论课的在线教学实践中已经得到广泛应用［7-8］。但是理论课堂绝大部分情况下教师只需要进行PPT讲解和推送即可，而在实验课堂中，还需要对虚拟仿真软件和在线实验平台进行操作演示，也就是需要有完善的屏幕分享功能。雨课堂在屏幕分享与语音直播方面做得不尽人意，经常出现直播卡顿现象，因此不适合实验课堂在线直播讲解，故采用了腾讯课堂来进行补充。“腾讯课堂”在课堂管理、随堂测验等方面的功能与“雨课堂”差距较大，但是它能实现流畅的屏幕分享和直播教学功能，将两者互补，融合使用，能实现完善的PPT 讲解、实验平台操作演示、课堂点名签到、随堂测验与问卷调查等功能，还可以以弹幕互动和讨论区的形式来随时发起课堂讨论，而微信群则能实现更高效便捷的师生和学生间互动［9］。此外，使用腾讯课堂所讲授的内容还可以随时回看，学生课下可以对实验难点和疑点进行自行回顾，实现自主学习。因此从功能性上来说，直播授课的教学效果已经超越了线下面对面的传统授课方式。

图3 线上直播授课工具选择及其功能

直播授课环节讲授的内容包括实验目的、实验要求、实验基本内容，还有相关的实验原理和操作注意事项等。考虑到学生基础水平和接收能力的差异性，为了实现精细化、个性化教学，在直播授课环节只是对实验的重点和难点进行提纲挈领的梳理和讲解，而把复杂深入的实验原理和涉及大量操作细节的实验步骤都录制成视频上传到了SPOC 平台，由学生在后面的自主实验环节进行自行观看，以提高直播授课环节的教学效率，实现课堂的翻转。此外，在直播授课阶段还对学生进行点名签到，实施预习测验和随堂测验，并发起互动讨论，对学生遇到的具体问题进行答疑解惑。

3.3 自主实验阶段

经过预习阶段的背景知识准备和直播授课阶段的实验重难点讲解，学生已经初步了解了实验目的和实验要求，并对远程在线实验操作产生了强烈的好奇心和探索欲望，之后便进入自主实验阶段。这一阶段是电路实验在线教学的重点，是学生知识内化、能力成长的重要阶段。自主实验阶段由3 个环节组成，分别是SPOC视频观看、在线虚拟仿真、远程真实实验，如图4所示。

图4 学生远程自主实验流程

3.3.1 SPOC视频观看

考虑到学生能力的个体化差异，将复杂抽象的实验原理讲解和详尽具体的实验操作演示都提前录制成了视频上传到了SPOC平台，由学生居家自行观看、自主学习。与MOOC准入门槛低、面向广泛的社会学习者不同，SPOC 课程只有经过本校认证的学生才能够选课，因此学生来源可控，学生基础基本一致，更有利于学习进度管理［10］。应用SPOC 课程可以组织学生在线观看教学视频、多媒体课件等学习资源，参与讨论和答疑，进行考核和拓展学习等线上教学活动，并且SPOC课程更加注重线上学习与线下教学的结合，师生互动更为紧密，能够保证学习进度的统一，确保课程的学习完成度。基于SPOC的线上线下混合式教学模式已经在国内外多所高校的教学改革中得到探索和应用，在疫情防控背景下，这种教学模式更显现出了它在远程在线实验教学场景中的应用价值［11-14］。

SPOC 课程包括同步SPOC、异步SPOC 和独立SPOC 3 种类型，同步SPOC 是完全跟随一门平台上正在开课的MOOC 课程，老师仅可补充内容，不能删减和修改源课程内容，灵活性较低［15］。异步SPOC 是拷贝一门已经结课的MOOC课程，在此基础上老师可以修改课程内容、增加本校课程资源，还可以调整教学进度，以便于根据本校专业培养具体要求来实施教学，并对学生进行进度管理和学情分析。独立SPOC是单独创建一门SPOC课程，与平台现有的MOOC课程独立，其课程资源、教学内容均是自行建设，因此教学视频需要自行录制，教学课件需要重新编写，试题库需要单独构建，对于教师的工作量要求最大。但是它具有最高的操作灵活性和自主性，可完全根据本校课程内容进行设计和搭建，不受现有MOOC 课程内容的掣肘。由于目前各大MOOC 平台上电路实验MOOC 资源还较为稀缺，而与本校电路实验教学设备和资源完全匹配的MOOC课程更是基本没有，为了建设完全贴合我校课程内容的在线教学资源，依托中国大学MOOC 网上的北京科技大学学校云，于2019 年下半年着手创建了电路实验技术独立SPOC 课程，并已经在中国大学MOOC网正式上线运行。在今年新冠疫情突发、整个教育系统反应时间极为有限的情况下，独立SPOC 课程灵活可控的优势更加凸显。根据在线实验教学的特殊要求，对原有SPOC课程进行内容调整和补充，共计上传多媒体讲义和课件10 个、实验教学视频33 部、讨论内容12 个、章节测试题50 题、学习导航等教学资源，内容包括复杂实验原理的讲解、实验室真实仪器的操作演示、在线仿真软件的使用、远程真实实验平台的操作等，为学生疫情期间的居家自主学习提供了坚实的在线教学资源保障。SPOC 课程内容安排如图5所示。

图5 SPOC课程内容安排

在以上SPOC 平台资源支撑下，学生的自主学习在居家环境中展开，根据自己的理解和吸收能力，自定步调，自选时间，自行观看，并可以一边观看，一边动手操作，以充分理解实验原理，反复练习实验操作，完成所要求的实验项目。对于疑难问题可以反复回看，还可以自行上网查找解决方案，或者通过微信群、SPOC讨论区等方式与同学间展开讨论，也可以向老师寻求帮助，从而实现个性化、针对性、探究式实验教学。为了确保学生注意力不被分散，每个教学视频只集中于一个知识点进行讲解，并将视频时长尽量控制在10 min以内。同时为了避免学生居家学习时无人监督、流于形式，被动的看和听，将实验的重点、难点都设置成单元测验题，引导学生带着问题学习，在解决问题的过程中激发学生自主学习的热情，实现了“学生为主体、教师为辅助”的翻转式教学。

同时，使用SPOC平台来组织在线教学，可以得到多维度、可视化的精确学情数据统计，包括学生的视频观看时长、观看频次、单元测验成绩、热点讨论问题等，如图6、7 所示。利用SPOC 平台的互动、讨论和单元测验等功能模块，可生成学生日常学习的过程性评价报告，然后据此分析在线教学过程中学生的学习状态、学习效果等相关度，可为教师进行教学持续改进和优化提供有效参考，有助于提高实验教学效果和人才培养质量。

图6 SPOC视频观看人数统计

图7 SPOC平台单元测验人数统计

3.3.2 在线虚拟仿真

由于学生在家无法搭建真实的电路来完成实验项目，因此这里使用虚拟仿真软件来进行部分代替。选用了两种虚拟仿真软件来进行电路实验教学，分别是Multisim 14.2 和Circuit JS1。Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的基于SPICE 标准的电路仿真工具，适用于板级的模拟／数字电路板的设计工作［16-17］。Multisim内置有丰富的元件库和齐备的仪器仪表，并带有参数扫描、瞬态分析、稳态分析等多样化的分析方法，可以方便、高效地搭建电路进行仿真，获取各种电量数据、波形图和分析图表，以验证电路定理。更重要的是，随着功能的完善和版本的升级，Multisim中的万用表、信号发生器、示波器等虚拟仪表的操作界面和操作方法已经越来越趋近于真实仪表，如图8 所示，是软件自带的虚拟信号发生器和虚拟示波器，其仪表面板和按键功能均与真实的安捷伦33120A函数信号发生器和54622D 示波器极为接近。以示波器为例，学生需要与真实示波器一样，调节时间基准、电压挡位、耦合方式、触发电平等参数，如果参数设置不正确，仪器屏幕上会出现与真实示波器类似的混乱波形。因此，需要学生对仪器上各个参数设置的含义和设置方法具有深刻的理解，才能得到正确的实验波形，这就给实验操作带来了极强的真实感，在很大程度上克服了仿真实验过“虚”的局限性，锻炼了学生的动手实操能力，为学生在疫情过后对常用仪器的操作从“虚”到“实”进行过渡打下了良好的基础。

图8 Multisim自带的虚拟仪表操作面板

为了开拓学生眼界，除了Multisim软件之外，还使用了Circuit JS1 这款仿真软件（见图9）。Circuit JS1是一款开源的在线仿真软件，无需安装，小巧精悍，在浏览器中即可在线运行［18］。与Multisim相比，它的元器件数量和仿真分析功能稍弱，但是它胜在操作简单、界面直观。它使用流动的亮点来动态展示电路各支路电流的大小和方向，使用不同的颜色来区分电路各节点电位的高低。与Multisim 不一样，它不是极力去模拟实际电路的真实特性和仪表的真实操作，而是剥离掉真实仪表繁琐的操作步骤，以极简的方式快捷地得到电路现象和电路波形，以更加简单直观的方式体现理论本质，因此非常适合电路初学者来对电路定理进行验证和现象观察，加深对理论知识的理解。

图9 Circuit JS1软件界面

在实验项目中将两者进行结合使用，先要求学生使用Circuit JS1 对电路进行快捷的理论验证和现象观察，然后使用Multisim软件，与真实实验的操作步骤一样，搭建实验电路、设置和调整仪器参数，最终得到与真实实验极为接近的仿真数据和波形，这样给初学电路的学生搭建了一个平缓的从理论向实践过渡的阶梯，为疫情背景下学生的居家自主实验探索出了一个可操作的实施方案。

3.3.3 远程在线真实实验

为了进一步加强学生实验操作临场感，充分锻炼他们的动手操作能力和分析思考能力，还引入了远程在线真实实验操作环节。使用的是深圳易星标技术有限公司与华南理工大学联合开发的“ELF-LAB 远程真实验系统”，该系统由“远程实验共享系统”和“ELFBOX”在线实验硬件组成，系统架构如图10 所示［19］。

图10 “ELF-LAB远程真实验系统”架构

其中“ELF-BOX”是一个可编程门阵列系统，教师提前在其中部署好元器件实物和示波器、万用表等真实测量仪器，在“远程实验共享系统”控制下，“ELFBOX”能够改变其中的真实物理元件和仪器的管脚连接关系，从而进行远程电路搭建，如图11 所示。

图11 “ELF-BOX”外观及使用

同时，现场真实仪器的测量数据和真实示波器的屏幕波形也会通过网络传输到远程操作界面。学生在电脑上安装相关软件后，就可以在家远程控制实验硬件，进行实验电路搭接、电路参数调整、电路指标测量等操作，并可以通过摄像头远程观察示波器上的实际波形，由此获得与实境实验一样的操控训练和操控体验，实现远程真实实验的操作功能。平台还具有较强的过程管理功能，会记录学生的实验操作步骤，统计和判断实测数据并生成实验报告，防止数据抄袭，保证实验教学质量。

远程在线真实实验平台全天候开放，学生可以自由预约时间来完成实验，从而突破时空限制，为疫情背景下的电路实验远程教学提供了较好的实践动手平台。基于此平台，能够完成电路实验中的大多数实验项目，包括相位差测量、RLC 电路串联谐振现象的观察、一阶电路过渡过程的研究等。图12 所示是进行相位差测量的实验界面和远程示波器的真实波形显示。

图12 基于ELF-LAB的相位差测量实验

当学生在家中通过电脑远程控制实验室内的电路连接并观察到实际示波器显示的电路波形时，心中的成就感、欣喜感和操作真实感是难以言喻的。使用此平台，一方面能够对学生进行真实实验操作的动手训练，另一方面，能让他们体会到物联网、大数据、云计算等行业发展前沿“硬科技”，激发他们进行后续专业学习的兴趣和热情，进一步提高疫情背景下的电路实验教学效果。

3.4 课后总结与反思阶段

在课后总结与反思阶段，学生对实验测量的数据进行分析、处理，并与理论值进行比较，分析误差产生的原因，回答相应的实验思考题，反思实验中遇到的问题及产生的原因，总结实验得到的收获，然后撰写并提交实验报告，在这个过程中完成对知识的梳理、巩固和内化。教师通过实验报告的批阅，了解学生的真实实验状态，获取学生对实验的反馈，对课程资源和内容进行补充和修正，并在下一次的直播授课过程中对学生的问题进行统一的答疑和讲解，由此完成整个实验教学的循环。

4 考核方式

在疫情防控特殊背景下，电路实验线上实验教学的多个环节均为学生居家自主完成，缺乏教师现场监督。为了确保学生自主完成实验，保证远程在线实验的教学效果，实验考核方式也随之作出了相应的改变，更注重过程性考核，结合学生在课前预习、直播授课、SPOC平台的活跃程度、软件虚拟仿真和远程真实实验操作等多个环节中的表现综合评价学生的学习积极性、主动性和创造性，对学生进行精细化的测评考核。各考核环节的分数占比如图13 所示。

图13 各环节考核分数占比

其中，预习与随堂测验是在直播授课过程中进行的。在每次直播课堂开始的前10 min，通过雨课堂的在线测验功能向学生发放预习测验题，以对他们的课前预习情况进行考核。之后，在直播课程进行过程中，适时地加入随堂测验部分，防止学生居家上课不认真，加强直播授课效果。SPOC 讨论及视频观看数据由SPOC平台自动统计给出，由教师根据评分标准进行统一换算。在自主操作环节，学生将虚拟仿真实验、远程真实实验这两个环节的实验接线图、测量数据、分析图表都记录在实验报告中，并进行相应的数据分析、实验总结和拓展思考，教师据此评判学生在此环节的操作表现。每次课程均安排有SPOC 单元测验，以客观题的方式对实验讲义、直播授课、SPOC 视频、自主实验等各环节的重点和难点进行考查，并且允许进行两次答题，取最高分作为本次实验的测验得分，这样激励学生以认真的态度反复阅读实验讲义、回看直播视频、观看SPOC视频讲解，以达到预期的知识内化效果。

5 教学效果及课程评价

为了验证电路实验远程在线实验教学模式的有效性，课程结束后，对实际参加学习的总共392 名学生进行了课程成绩分布统计，结果如图14 所示。

图14 课程最终成绩分布统计

从图14 可见，大部分学生的课程最终成绩集中在80 分以上，总共占比73.47%，课程不及格的人数共计有10 名，只占总人数的2.55%。这种成绩分布说明绝大部分学生都能够顺利实现本次在线实验教学的各个环节，并且能够按要求完成实验内容，实现知识内化，获得能力成长，达到了本课程的教学目的。

为了获得学生对课程的总体反馈，在课程结束之后还对学生进行了问卷调查，共收回有效问卷366 份。问卷从实验难度、实验时长、课程内容、实验形式、考核方式、总体评价等方面进行了调查。关于本次课程的实验难度以及平均每次实验花费的时间统计如图15所示。

图15 学生对课程反馈的调查情况

从图15（a）可见，有79.51%的学生认为实验内容的难度设置偏高，同时图15（b）显示有74.86%的学生每次实验花费时间在4 h以上，这些数据与图14 中80 分以上人数占比为73.47%的成绩分布相吻合，这说明了本次实验课程尽管是在线教学，但是也设置了一定的课程难度，具有相当的挑战度，需要投入足够的时间和精力才能够按要求完成各个实验环节和实验内容，并没有放松课程要求成为能够浑水摸鱼的“水”课，进而说明了这种线上实验教学方式在激发学生思考、锻炼学生分析及理论联系实际能力方面具有与线下实验近乎同等的促进作用，取得了预期的教学效果。

关于课程内容安排、实验形式、考核方式、总体评价、教师用心程度等方面的问卷调查结果如图16 所示。由图16 可见，96%以上的学生对课程的总体评价较好，认为实验内容安排合理，实验形式体验较好，考核方式较为全面，并且100%的学生认为老师对实验的准备比较用心或者是非常用心，通信1901 班的杨同学在第3 次实验报告中写到：“本次实验测量的数据较多，进行了约4 h多的时间，虽然时间并不短，但我十分喜欢这次实验，十分佩服老师能够在如此短的时间内设计出如此高质量的实验，思路清晰、目的明确。总而言之，本次实验十分成功！”这说明这种远程在线的实验教学模式得到了学生的认可，精心设计的实验内容和实验环节使得学生在实验过程中能够保持着极大的热情。计算机科学与技术专业1902 班的马同学在实验报告中写到：“这几次实验课让我真正体会到了只有在‘实验室’才能体会到的成就感。我喜欢科研，一直想尝试，但苦于没有条件，多亏这几节实验课给我创造了机会，虽然形式有点特殊，但还是让我对科研的兴趣变得更加浓厚，更加希望去学习新的感兴趣的东西！”这些真切的反馈表明，本次电路实验的在线教学不仅给学生传授了知识、培养了能力，同时也让学生感受到了科研的魅力，激发了学生投身于科研和专业学习的兴趣和决心，从多方面提升了学生的综合素养。

图16 问卷调查结果统计

6 课程总结及反思

为了应对新冠肺炎疫情，我校教学团队应用多样化的教学手段，构建了丰富的教学资源，顺利实施了电路实验的远程在线实验教学。这是一个大胆而有益的尝试，产生了以下几方面的积极效果：

（1）较大程度上消解了延期开学对实验室人员、场地和设备造成的巨大运转压力和防控风险。通过远程在线形式的实验教学，使得原本被延误的实验课程得以按计划执行，有效地避免了复课后因为要补课而导致的实验室超负载运转以及带来的疫情防控风险，有力地保障了实验室的安全稳定运行和教学秩序的有序开展。

（2）极大地促进了教师自身信息化素养的提升和信息化教学能力的提高。为了应对此次疫情，保证“停课不停教”，教师团队主动学习使用多种新的智慧教学工具，深入挖掘新的仿真软件功能，广泛试用多种远程实验手段，还自学视频拍摄、视频剪辑、多媒体讲义制作，这些新技能的加持为后疫情时代的实验教学信息化改革提供了强有力的支撑。

（3）有力地推动了“以学生为中心”的教学理念深入，推进了“教与学”方式的变革。本次电路实验的在线教学，从各个实验环节制定、实验内容安排，到实验手段选择、教学环节实施，都充分考虑到了学生居家学习的特殊情况和学生在知识、能力以及接受程度方面的差别，充分依托智慧化在线教学工具，构建丰富的在线教学资源，以学生能力提升为目标，真正将工程教育专业认证的反向设计思想融入实验设计的各个环节，实现了学生知识、能力、素养的全方位培养。

然而，本次实验课程的在线教学尝试也暴露出了一些问题，比如对直播授课的节奏把握还有待改进，在某些操作细节方面过于纠缠，导致整体授课效率下降，使得有些学生反映直播授课略显拖沓；还有对学生的Office 软件应用水平考虑不够全面，导致不少学生在实验报告中使用Excel进行数据分析和图表绘制时遇到了较大困难和障碍。此外，还可以进一步开发和设计更多富于创新性、探究性的综合实验项目，针对不同基础和学习兴趣的学生，构建具有不同难度、深度和广度的实验内容和环节，将因材施教和分层次教学思想引入在线实验教学中。

7 结语

2020 年初的新冠肺炎疫情给实验教学提出了巨大挑战，同时也为促进实验课程的教学方法改革和教学质量提升提供了新的机遇。此次的电路实验远程在线教学模式探索将应对疫情而实施的“无奈之举”，转化成为促进教育观念改变、教学手段改进、教学质量提高的宝贵契机，给后疫情时期防控常态化下的实验教学顺利实施积累了丰富的经验，也为未来的实验教学方法改革提供了新的思路。在疫情过后，这种实验课堂在线教学模式的探索不应就此止步，而是应和线下实验结合起来，继续推进实验线上线下混合式教学模式的探索和发展，不断将实验教学改革推向新的高度。