引入云平臺理念的電子技術(shù)實驗教學(xué)改革與實踐

胡李亞洲 王曉軍 馬銳軍 洪曄 歐陽劍

摘?要：隨著教育信息化進程飛快推進，傳統(tǒng)的電子技術(shù)實驗教學(xué)存在教學(xué)模式傳統(tǒng)、教學(xué)設(shè)備滯后、教學(xué)環(huán)境固化等弊端。為切實適應(yīng)新形勢新背景，本文將云平臺理念與電子技術(shù)實驗教學(xué)相結(jié)合，構(gòu)建以雙線型的實踐教學(xué)模式為導(dǎo)向、以多層次的實踐教學(xué)內(nèi)容為核心、以學(xué)生個性化發(fā)展為目標(biāo)的新型課程體系。該教學(xué)模式在高校實驗教學(xué)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，充分培養(yǎng)了學(xué)生獨立自主的工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù)實驗;云平臺模式;實踐能力

電子技術(shù)實驗是高等院校工科電子類專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，與電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和電工電子技術(shù)等電子類理論課程相呼應(yīng)，旨在提升學(xué)生實踐水平和動手能力[1]。但隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)模式逐漸落后于新信息時代的步伐，難以滿足教學(xué)改革發(fā)展的要求，特別是在實驗課程教學(xué)方面，如何打破實踐課堂的時間限制和固定場所的約束，讓學(xué)生擁有更自由的學(xué)習(xí)方式、掌握更豐富的專業(yè)知識、了解更先進的技術(shù)內(nèi)容，顯得尤為重要。為更好地適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)場景、拓展學(xué)生學(xué)習(xí)知識渠道，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，提升學(xué)生創(chuàng)新水平，本文將教學(xué)云平臺理念引入電子技術(shù)實驗教學(xué)中，通過構(gòu)建實驗教學(xué)云平臺服務(wù)，圍繞“線上+線下”雙線教學(xué)思路，來促進學(xué)生的全面提升。

1?目前電子技術(shù)實驗教學(xué)中存在的主要問題

1.1?實驗教學(xué)模式傳統(tǒng)

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)飛速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出先進的技術(shù)和嶄新的知識，加速推動著電子技術(shù)專業(yè)理論的改革進程。在教學(xué)內(nèi)容方面，目前多數(shù)高校所開設(shè)的實驗課程內(nèi)容主要圍繞基礎(chǔ)驗證型實驗來展開，著重基礎(chǔ)理論知識的教學(xué)，而設(shè)計型實驗受到硬件條件滯后、課程時間有限及場地不足等因素影響，難以得到有效規(guī)劃開展[2]。在課程設(shè)置方面，基礎(chǔ)驗證型實驗過度依賴線下實驗場地，學(xué)生在有限的課時內(nèi)完成實驗項目，即使能夠吸收當(dāng)堂課程內(nèi)容知識，鞏固往前實驗項目也是具備一定難度。此外，不同實驗項目之間聯(lián)系甚少，難以形成系統(tǒng)且完整的知識體系。長此以往，學(xué)生獲得知識深度和廣度極度匱乏，動手能力和創(chuàng)新能力無法得到有效鍛煉和提升。這種傳統(tǒng)的實驗課程教學(xué)模式不利于深度培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，難以滿足企業(yè)對高校輸出人才的創(chuàng)新性及能動性要求。

1.2?實驗教學(xué)設(shè)備滯后

電子信息技術(shù)的發(fā)展離不開硬件設(shè)備的支持。一方面，隨著課程開設(shè)年限增長，多數(shù)高校的電子技術(shù)教學(xué)設(shè)備出現(xiàn)老化、損毀等現(xiàn)象，且由于實驗室建設(shè)經(jīng)費有限，在硬件設(shè)備投入上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，基本上常年不更新老舊設(shè)備，對教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)進度造成了較大影響。另一方面，隨著電子信息技術(shù)領(lǐng)域迅猛發(fā)展，電子儀器設(shè)備更新?lián)Q代速度逐漸加快，儀器精度和數(shù)字化程度逐漸提升，實驗硬件設(shè)備如不能及時響應(yīng)先進技術(shù)的更新，將會使得實驗手段和實驗技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，學(xué)生只能使用陳舊的元器件、滯后的設(shè)備、匱乏的芯片參與到實驗課程學(xué)習(xí)中來，難以掌握到現(xiàn)代最先進的電子技術(shù)實踐技能，在走向工作崗位之際，難以達(dá)到社會發(fā)展需要和適應(yīng)新技術(shù)的要求[3]。

1.3?實驗教學(xué)環(huán)境固定

目前，多數(shù)高校的電子技術(shù)實驗普遍采取線下教學(xué)方式，存在較大局限性。學(xué)生完成實驗項目的時間有限，經(jīng)常提出加時長來繼續(xù)探究實驗拓展課題，但實驗場地?zé)o法支持，不利于培養(yǎng)學(xué)生動手能力和探索精神;實驗儀器設(shè)備數(shù)量有限，學(xué)生做實驗時，根據(jù)實驗指導(dǎo)書多人一組按部就班地進行連線，記錄實驗結(jié)果，大部分學(xué)生參與感較弱，存在實驗報告和實驗結(jié)果相互抄襲的現(xiàn)象。此外在疫情大背景下，大多數(shù)高校采用Multisim等仿真軟件進行線上教學(xué)，由于此類仿真軟件高度模擬了電子儀器設(shè)備和元器件的特性，只要實驗電路圖連接完整，學(xué)生都能獲得比較精準(zhǔn)的實驗結(jié)果，但此方式仍存在一些問題，如學(xué)生無法直觀掌握電子儀器設(shè)備組成與結(jié)構(gòu)且極少遇到實驗操作困惑，不利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，學(xué)生對于實驗課程的主動性和創(chuàng)造性難以得到充分挖掘和發(fā)揮。因此，亟待需要一種靈活的實驗教學(xué)云平臺以推動教學(xué)實踐體制改革[4]。

2?基于云平臺模式的課程教學(xué)基本內(nèi)容

2.1?含義

教學(xué)云平臺作為一種教育信息化與云技術(shù)融合的產(chǎn)物，為教育教學(xué)提供了新的信息化解決方案[5]?；谠破脚_模式的課堂教學(xué)主張以學(xué)生為中心，充分整合和利用現(xiàn)有的實驗教學(xué)資源和實驗硬件資源，建立線上線下混合式的教學(xué)模式。一方面，學(xué)生不僅能夠在課堂內(nèi)學(xué)習(xí)正確規(guī)范的實驗操作方法、完成實驗課程所要求的實驗內(nèi)容，充分調(diào)動動手的積極性，滿足基本的實踐需求;另一方面，隨著云實驗平臺的引入，學(xué)生能夠在任何場所任何時間預(yù)習(xí)安排的實驗項目、完成規(guī)定的實驗課程內(nèi)容、進行課外的創(chuàng)新性拓展實驗。通過搭建電子技術(shù)實驗的云實驗平臺課程知識體系架構(gòu)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀性和能動性，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維與動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣與鉆研精神，在延伸的課外時間下讓學(xué)生自主享受理論認(rèn)識與知識構(gòu)建的過程。

2.2?優(yōu)勢

2.2.1?實現(xiàn)教學(xué)管理的集中化、高效化、統(tǒng)一化

在引入教學(xué)云平臺模式的課程教育教學(xué)中，以線下常規(guī)的實驗項目為主體、線上開放式的教學(xué)環(huán)境為輔助，形成多樣化的線上線下互通學(xué)習(xí)體系。所有教學(xué)資源、教學(xué)設(shè)備等集中存儲于教學(xué)云平臺上，便于學(xué)生隨時獲取學(xué)習(xí)資源，做好課程知識儲備或復(fù)習(xí)，且平臺能夠保存所有操作記錄，利于實驗課程教學(xué)的集中統(tǒng)計與管理。此外，這種教學(xué)模式著重加強學(xué)生在實驗課程教學(xué)中的主導(dǎo)地位，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自由探討、深度協(xié)作，以云平臺為載體實現(xiàn)任何時間任何空間的在線學(xué)習(xí)，極大地提高了實驗教學(xué)管理的高效性與協(xié)同性。教學(xué)云平臺采用統(tǒng)一化的實驗資料，進行教學(xué)資料的統(tǒng)一編排，支持遠(yuǎn)程教學(xué)或跨地域協(xié)同教學(xué)場景下實驗資料的高度一致，其中包括實驗手冊、實驗成果及實驗報告的基本內(nèi)容和基本格式、增強不同地域?qū)W生之間的知識交流與協(xié)作，助于學(xué)生構(gòu)建一套自己的知識框架體系。

2.2.2?提升教學(xué)模式的便捷性、協(xié)同性、創(chuàng)新性

在引入教學(xué)云平臺模式的課程教育教學(xué)中，通過學(xué)校的內(nèi)外網(wǎng)，從任何地方任何時間通過終端設(shè)備都能對實驗室實驗儀器進行訪問，本地安裝云終端軟件，無需高端軟硬件配置，既可以打開、查看、保存任何實驗指導(dǎo)文檔，進行實驗仿真的操作，也支持在線導(dǎo)入實驗數(shù)據(jù)，進行實驗報告的撰寫，學(xué)生能夠便捷地操作實驗內(nèi)容、有效提升學(xué)習(xí)效率。在異地協(xié)同辦學(xué)場景下，云平臺能夠整合實驗資源，以互聯(lián)網(wǎng)為載體實現(xiàn)不受地點時間約束的在線學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)跨地域協(xié)同教學(xué)。此外，云平臺提供讓學(xué)生參與工程項目設(shè)計、實現(xiàn)和運行的場所，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，擴展學(xué)生的實踐空間，達(dá)到培養(yǎng)工科專業(yè)學(xué)生電子技術(shù)創(chuàng)新與實踐能力的目的。

3?基于云平臺模式的課程體系設(shè)計思路

3.1?云平臺模式的課程教學(xué)功能

3.1.1?課程資源上云

課程資源云旨在為教學(xué)活動提供教育資源，該教育資源包括教學(xué)課件、實驗視頻，實驗軟件等。在備課階段，任課教師需要制訂詳細(xì)教學(xué)計劃，明確教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)，注重重點知識與難點知識講解。在完善教學(xué)課件過程中，引入先進教學(xué)工具與方法，制作實驗操作教學(xué)視頻，安裝計算機軟件手冊，以此來輔助直觀教學(xué)。教學(xué)云平臺支持同步記錄整個過程，從備課到開課，系統(tǒng)自動保存信息及其發(fā)生時刻，支持相關(guān)教學(xué)資源上傳與共享，便于教師后期觀看、反思、提升教學(xué)能力，益于學(xué)生課前預(yù)習(xí)實驗項目、反復(fù)學(xué)習(xí)課程內(nèi)容、充分吸收專業(yè)知識。

3.1.2?課程設(shè)備上云

課程設(shè)備云旨在為教學(xué)活動提供設(shè)備資源，電子技術(shù)實驗教學(xué)依賴于線下設(shè)備，如示波器、信號發(fā)生器、顯示器、電子元器件等。在線下實驗室，按照實驗組別組裝成套的示波器、信號發(fā)生器等儀器，裝配集成電子元器件實驗板。教學(xué)云平臺實體服務(wù)器通過實體線路與線下實驗室儀器設(shè)備相連接，實現(xiàn)線下儀器設(shè)備的線上化、可視化，支持手動刷新設(shè)備狀態(tài)及數(shù)量，學(xué)生可以在任何場所任何時間登錄教學(xué)云平臺使用線上的實體設(shè)備。由于設(shè)備是實際存在的，學(xué)生在實驗過程中存在實驗誤差，且儀器操作界面與實體設(shè)備無異，可掌握實驗設(shè)備的使用，利于學(xué)生課后延伸拓展實驗內(nèi)容、開發(fā)創(chuàng)新型實驗項目，有助于提高學(xué)生創(chuàng)新能力和動手能力。

3.1.3?課程成果上云

課程成果云旨在為教學(xué)活動提供學(xué)期成果資源，實驗課程會依照日常考勤、實驗報告等綜合表現(xiàn)給分。一方面，教學(xué)云平臺記錄學(xué)生登錄情況及學(xué)習(xí)進度情況，便于保存課程考勤信息;一方面，教學(xué)云平臺在課程中設(shè)置實驗報告在線編輯與提交功能，免去收取紙質(zhì)實驗報告或者電子版實驗報告的煩瑣和冗雜;此外，教學(xué)云平臺提供師生交流平臺，教師針對學(xué)生疑惑知識進行詳細(xì)解答，學(xué)生對于教師的授課內(nèi)容、授課方式做出實際評價，利于增進師生交流溝通，營造良好學(xué)習(xí)氛圍。

3.1.4?云終端

云終端主要為教師、學(xué)生等儀器使用者提供實驗教學(xué)云桌面操作及顯示等使用的計算機軟件，支持筆記本電腦、臺式機、平板電腦等安裝云桌面客戶端軟件，實現(xiàn)云終端的構(gòu)建，達(dá)到對實驗室儀器設(shè)備的云使用。

3.2?云平臺模式的課程教學(xué)應(yīng)用

基于云平臺模式的課堂教學(xué)核心思想是建立線上線下混合式的教學(xué)模式，形成多樣化的線上線下互通學(xué)習(xí)體系。學(xué)生剛接觸電子技術(shù)實驗課程時，大部分對實驗設(shè)備和實驗儀器十分陌生，因此實驗課程建設(shè)應(yīng)當(dāng)以認(rèn)知型線下實驗項目的開設(shè)為主，掌握常用儀器儀表的使用方法，使得學(xué)生更好地掌握基礎(chǔ)電子技術(shù)知識和動手能力。在面對面授課過程中，通過教師的實驗原理講解、正確規(guī)范的實驗操作演示，學(xué)生獨立完成實驗內(nèi)容并記錄實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)，主動進行深入思考和實驗總結(jié)，充分調(diào)動了學(xué)生動手的積極性。在奠定扎實的基礎(chǔ)實驗技能之余，將云平臺引入課堂進行輔助教學(xué)，以下是基于云平臺模式的課堂輔助教學(xué)應(yīng)用場景。

3.2.1?學(xué)校公共的大電類基礎(chǔ)課程的實驗教學(xué)

在大電類公共基礎(chǔ)課程教學(xué)中，教師或者實驗室管理員首先搭建實驗課程所需要的儀器與元器件，并將這些器件與云平臺服務(wù)器建立起物理連接，進而整合成云上資源。然后根據(jù)公共課程的教師和學(xué)生賬號進行排課授權(quán)，教師登錄云平臺桌面軟件后可設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生登錄云平臺桌面軟件后可按照課程要求完成實驗內(nèi)容并在線提交實驗報告。

3.2.2?學(xué)校電子技術(shù)類專業(yè)的實驗教學(xué)

在電子技術(shù)類專業(yè)課程教學(xué)中，搭建操作系統(tǒng)對應(yīng)的云平臺桌面軟件，整合仿真軟件、電路原理圖設(shè)計、制作電路板等實驗工具資源，學(xué)生運用已學(xué)知識對所設(shè)計的電路進行焊接，連接至云平臺服務(wù)器，進行上云調(diào)試。根據(jù)不同專業(yè)課程要求和安排對教師和學(xué)生賬號進行排課授權(quán)，教師登錄云平臺桌面軟件后可設(shè)計個性化的實驗教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生登錄進入界面后按照相應(yīng)拓展性要求完成個人化實驗內(nèi)容。

3.2.3?完成課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計及其他各類科研活動

在各類科研活動中，支持學(xué)生自主構(gòu)建所需要的實驗環(huán)境，在線下完成實驗電路的設(shè)計、實驗?zāi)K的焊接、模塊功能的調(diào)試。教師和學(xué)生在任何終端設(shè)備、任何地點、任何時間可登錄進入云平臺軟件界面進行各類教學(xué)和科研活動，學(xué)生完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)和科研任務(wù)，教師能夠隨時查看進度和驗收成果。

結(jié)語

本文通過引入云平臺技術(shù)理念來進行電子技術(shù)實驗的教學(xué)改革與實踐，筑建扎實線下教學(xué)質(zhì)量的同時，實現(xiàn)實驗教學(xué)資源的上云整合，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，豐富了教學(xué)方式，打破了傳統(tǒng)教學(xué)條件約束，促進了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐。當(dāng)然，教師仍需要緊隨科技發(fā)展的步伐，不斷探索嶄新的實驗教學(xué)模式，讓學(xué)生行走在新知識、新技術(shù)的科技前沿。

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基金項目：廣州市工業(yè)機器人智能驅(qū)控技術(shù)及部件重點實驗室項目（201805010001）;廣東省科技計劃項目（2016?B090927009）;廣東省科技計劃項目（2016B090927002）

*通訊作者：胡李亞洲（1994—?），女，土家族，湖南張家界人，碩士，助理實驗師，研究方向：光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

作者簡介：王曉軍（1965—?），男，漢族，江西安福人，碩士，教授，研究方向：機械一體化控制;馬銳軍（1991—?），男，漢族，廣東揭陽人，博士，實驗師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、無線通信和計算機控制;洪曄（1989—?），女，漢族，廣東揭陽人，博士，校聘副教授，研究方向：鋰離子電池及固態(tài)電池的設(shè)計開發(fā);歐陽劍（1983—?），男，漢族，湖南隆回人，博士，高級工程師，研究方向：機電一體化系統(tǒng)。