线上线下融合式电子技术实验教学模式研究

　　2020年上半年，国内广泛开展线上教学活动，截至5月8日，全国共有1454所高校、103万名教员开设线上课程107万门，在线学习量高达1775万次[1]。与此同时，线上教学以其独特的资源共享和互动灵活性，得到广大师生的认可，据统计80.3%教员和84.07%学员对在线学习的感觉良好。全国政协委员胡卫认为:线上线下融合的教学模式将成为主要发展趋势。电子技术类课程作为专业背景课，分为理论和实验两个模块，其中实验模块占1/3的比重。2020年上半年，电子技术实验教学主要借助电脑和手机仿真软件来实施，部分班次也依托线上仿真实验平台进行了教学尝试。通过教学实践发现，线上实验虽然缺乏线下实验的实操感，但其在理论验证、仿真设计和教学评价等全过程管控环节中展现出线下实验所无可比拟的优势。学员普遍反映线上实验有更高的参与感，能更好地助力于理论知识的理解吸收[2]。为此，融合线上和线下实验的共同优势，构建全新的电子实验教学模式，成为摆在我们面前的全新且极具意义的课题。据调查，目前国内包括清华大学、华中科技大学、武汉大学、华南理工大学、浙江大学、东南大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、四川大学、北京理工大学等在内的十余所高校，均已开始展开对线上线下融合实验教学的研究和实施。

　　二、现有线下实验教学模式的弊端

　　电子技术类课程在我校的开设历史已有几十年，目前线下实验条件已能满足单人单组的实验要求，但过程管控、评价模式以及信息化手段等方面的不足问题依然严重。

　　(一)学习过程不能掌控

　　依赖实验人力管控是当前线下实验教学过程管控的主要方式，这种管控方式有效性差，同时受时空条件约束。以我校电子技术类线下基础实验为例，学员在课程期间需完成8—10个实验项目，每个班次可同时容纳40人左右实验，配备1名主讲教员和1名辅导人员。学员在课程学习器件的过程管控和实验室管理主要依赖2名教辅人员。为有效管理，通常将实验流程分为:预约、预习、设计、实作、调试、审核、验收等七个环节。其中预约和预习由学员在课前完成，教员通过随机提问和抽查等方式了解预习情况，由于无法规范确切地获取所有学员的预习数据，预习环节管控有效性较差[3]。从设计到审核都在实验室现场完成，学员必须在规定的时间内完成既定实验项目，教辅人员根据实验要求和学员实做情况穿插答疑，并帮助学员排除系统故障。电子系统的功能实现涉及器件、仪表和制作工艺等多方面因素，经常会出现学员无法当场完成任务须利用其他时间加班的情况，受限于实验室开放时段和人员工作安排因素，学员在课外的工作一般无法得到教员的实时指导，也无法将过程数据真实地展现给教员，此时的过程管控基本是开环，教员处于有心无力的状态[4-5]。另外，由于缺少实时监控手段，教员在过程中缺少反映实验状态、技能掌握程度及班级实验共性问题的学情信息数据，无法对实验效果做出客观判断。

　　(二)评价方式不够合理

　　培养学员实验能力和素养的主要途径是完成实验的过程，通过学员在实验现场的操作情况，可以反映其真实的实验水平。但是结果检测往往比过程检测容易，所以最终的实验数据是否正确，就理所当然地成为评价学员实验学习效果的依据[6]。随着教学改革的逐渐深入，课程终结性评价中须考虑过程评价指标。当前，线下实验的主要依托人力过程管控的过程评价主要参考每个实验项目的结果，比如项目完成度和实验报告，教员根据学员提交的作品和报告给出项目021创新教学科技风2022年2月评定成绩，课程的总体过程评价成绩则为所有实验项目成绩的平均值。这种过程评价方式，实际还是“结果导向”评价方式，无法避免走过场、效率低等问题[7]。真正的过程评价还应该包含其他量化指标，比如:(1)课堂表现。包括学员在课堂上参与讨论情况、帮助同伴解决问题情况以及实验室设备归置情况。(2)课外表现。学员预习情况、查阅资料的能力、项目探究扩充能力。这些指标的给定需要依托大量学情数据才能得以实现，目前的线下实验还不足以支撑真正的过程评价。

　　三、线上实验教学模式的优势

　　(一)打破线下实验的时空限制

　　线上实验只要在互联网覆盖的地方，学员都可以进行实验研究，不受线下实验室空间和时段的限制[8]。具有实验项目发布及时、收集管理学员信息、全程监控实验过程、关键数据的获取和记录、实验效果自动评价等功能。实验完成后，学员能够反映实验过程中的真实体会，并给出实时评价和提出意见建议;系统可以动态推送优质实验项目排行榜，鼓励高质量实验项目共享，让实验项目亮相，打破壁垒，推行共享共建[9]。

　　(二)实时获取现场过程数据

　　线上实验的“做”体现在:学员能在调整电路时，通过网络终端的仪器显示观察到电路性能参数的变化，从而获得线下实验的现场真实感。线上实验平台通过在线获取数据，了解实验实施情况的关键数据。关键数据有两类:(1)实验测量数据。利用学员在实验过程中产生的仪器测量数据，通过内置协议，获取和控制仪器设备相关参数信息。(2)实验过程状态数据。包括实验进行过程中的时间、实验次数、试错及速度等数据。采集实验每一步的时间，并提交至后台，并按一定的算法对实验次数和准确率进行实时更新。

　　(三)合理精准的过程评价

　　为了获取满足不同教学观测视角所需的分析结果，可以在线上实验平台海量学情大数据基础上进行挖掘和筛选。通常采取以下步骤:(1)打标签。将每一类学情数据根据不同的意义打上不同的“标签”，根据不同的应用场景，形成不同权重的数据组织。(2)建立评价模型。通过建立数据与评价观测点的映射关系，设计出具有关键效果评价指标的计算模型。(3)推送整定结果。设计软件，将分析结果自动推送给指定对象，实现数据从获取、分析到应用的闭环。

　　四、线上线下融合实验教学模式的实施

　　(一)构建线上实验平台

　　实验管理平台关联线上和线下实验，在配备有示波器、电压源、信号源和频谱仪等测量仪器和实验元器件、电路实物模块的实验室内设置终端，学员可以在任何具备网络条件的地方，通过计算机远程遥控智能实验平台的方式完成和实验室内一样的实验[10]。通过此系统，可以将关键数据自动存入学员的账号下，实现远程全“真”硬件实验，实验室内、外大数据无死角采集。目前，国内有多家企业进行了线上实验的开发，下图是易星标远程在线实验管理系统构成示意图。

　　(二)建立一套实验课程体系

　　实验教学中，部分单元实验以理论验证功能为主，可以通过远程线上实验完成;综合难度高的实验项目可以在线上完成设计验证，再到线下实验室制作和调试，实验结果上传至平台形成闭环。平台实验项目及实施方式如下表:

　　五、总结

　　线上线下融合的实验教学模式通过先采集学习者学习过程的数据，再根据积累的大数据，自动分析学习者的知识点掌握情况，并推送相关内容，从而使得知识传递效率和过程评价的有效性大大提高。该模式不但解决了师生对传统硬件实验室环境的依赖性问题，同时通过技术段解决了学生远程自主动手实验的问题，满足实验参与度需求，是未来实验教学的主要发展趋势。

　　《线上线下融合式电子技术实验教学模式研究》来源：《科技风》，作者:朱旭芳胡秋月

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