电类基础实验教学信息化建设探索与实践.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 5 期 2023 年 10 月Vol.26 No.5 Oct.2023 电类基础实验教学信息化建设探索与实践郝 磊,霍丽华(中国民航大学 工程技术训练中心,天津 300300)摘 要:依托自主研制的“实验教学信息管理系统”,对电类基础实验教学信息化建设进行探索与实践。提出了“一个平台,两方面建设,一方向延伸”的建设框架,即以实验教学信息管理系统为平台,着力进行教学管理建设和教学资源建设,并通过对系统记录的实验教学数据进行统计分析,提出针对性的教改方案。实践表明,实验教学信息化建设成果显著,提高了教学效率,激发了学生学习兴趣,提升了教学效果,并基于数据分析,提出了科学有效的教改措施,为今后实验教学改革指明了方向。关键词:实验教学;信息化建设;教学管理;数据分析中图分类号:TP315;G434 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.05.018Exploration and practice on informatization construction of fundamental electric experiments teachingHAO Lei,HUO Lihua(Engineering Technical Training Center,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)Abstract:Basing on the independent-developed“Experiment teaching information management sys-tem”,exploration and practice on the informatization construction of fundamental electric experiment teaching had been put into effect.“Basing on the platform,carry out construction in two aspects,and extend in one direction”was proposed as the framework of the construction,which meant taking“Ex-periment teaching information management system”as the platform,focused on teaching management construction and resources construction,and carried out statistical analysis of the recorded teaching da-ta,in order to put forward a more targeted reform program for experiment teaching.The practice showed that the achievements of the informatization construction for experimental teaching were remark-able,which effectively improved the teaching efficiency,aroused the students interest and improved the teaching effect.Based on the data analysis,scientific and effective teaching reform measures were put forward,which had indicated the direction for the experimental teaching reform in the future.Key words:experiment teaching;informatization construction;teaching management;data analysis 收稿日期:2021-08-18 修改日期:2022-07-18作者简介:郝磊,硕士研究生,讲师,主要研究方向为电工电子实验教学,电工电子实验教学信息化改革,航空机载设备维修实验教学,航空机载设备仿真。E-mail:532990810 基金 项 目:中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 项 目(项 目 编 号:3122017046);中国民航大学实验技术创新基金(项目编号:2017SYCX05)。我国一向重视信息技术在高等教育中的应用。早在 2012 年 3 月,教育部便印发了教育信息化十年发展规划(2011-2020),推动信息技术与高等教育深度融合,提出利用先进网络和信息技术,推进高等教育教学实验平台信息化建设1。2017 年 7 月,教育部办公厅发布教育部办公厅关于 2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知提出在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上,于 20172020 年在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作 2。十年来,响应国家号召,国内高校通过自主研制或校企联合的方式,积极探索实验教学信息化改革之路 3。北京邮电大学、清华大学、浙江大学等几郝磊,等:电类基础实验教学信息化建设探索与实践十所高校,均在实验教学网络化管理、虚拟仿真实验教学和虚拟实验室建设等方面做出了一定的成绩,取得了良好的教学效果 4。国内的创新型科技公司通过研发具有自主知识产权的实验教学产品,也积极投入到实验教学信息化建设中来。北京润尼尔、上海万欣、上海曼恒等公司,研制了多款实验室管理或虚拟仿真实验教学产品,并已应用于国内多所高校 5。信息技术已在众多高校教学中投入应用 6-7。作者在两年时间里,对市场上绝大多数实验教学类产品进行了试用,却发现难以找到一款产品符合中国民航大学目前的实验教学模式和需求。在此背景下,中国民航大学结合自身电类基础实验的课程特点和教学模式,自主研制了实验教学信息化管理平台“实验教学信息管理系统”,如图 1 所示。图 1 实验教学信息管理系统首页1 信息化建设框架根据教学需求,首先对电类基础实验教学的信息化建设提出“一个平台,两方面建设,一方向延伸”的“一二一”建设框架,如图 2 所示。图 2 基础实验中心信息化建设框架一个平台即“实验教学信息管理系统”。围绕该平台,着力进行两方面建设:一是教学管理建设,目的是为平台建立并完善教学管理功能;二是“教学资源建设”,通过开发图片、视频、动画、音频等多种多媒体资源,丰富平台内容。投入运行后,“实验教学信息管理系统”将自动采集并记录学生成绩数据和学习行为数据等各项教学数据,教师对数据进行统计分析,以更精准的掌握学生的学习情况,在教学方法和教学内容上做出更有针对性的变革,提升教学水平。2 实验教学信息管理系统作为“一个平台”的实验教学信息管理系统,核心功能是实现实验教学各环节的网络化管理,包括实验任务安排、在线预习、网上撰写报告、在线考试、教师批阅、教学数据统计分析等。为实现该功能,系统设计了“管理员、教务人员、教师、学生”四种用户角色,每一种角色拥有不同权限 8,如表 1 所示。表 1 实验教学信息管理系统用户角色及相应权限角色权 限管理员用户管理、系统设置。教务人员课程任务安排、考试审核与安排。教师实验任务安排、实验过程管理、试卷批改、数据统计等。学生实验预习、实验报告填写、在线虚拟仿真、在线考试等。实验教学网络化管理下,各角色用户“各司其职”,互相配合,共同完成实验教学。以教学管理为核心,实验教学管理系统的整理业务流程如图 3所示。实验教学管理系统将实验教学过程划分为基础阶段、准备阶段、教学阶段、教学评价阶段和教学总结阶段共五个阶段。基础阶段由管理员完成最基本的系统配置,包括新增教师账户、教务人员账户,指定课程负责人,为每个类别的用户分配权限等,该阶段完成后,系统可接受用户登录,开始进入教学准备阶段。在教学准备阶段,首先由教务人员创立一门课程并加入课程库,课程负责人可对课程库中个人所负责课程新增并管理实验项目,教师则可对个人任教课程的实验项目编制属于自己的电子教案。电子教案编制完成后,系统便具备了开课能力。到了教学阶段,首先由教师导入已有的教学名单,教学名单的导入将自动完成三件事:(1)课程开课;(2)名单中学生账户自动注册;(3)名单中学生自动完成该课程选课,教学班形成。在此之后,教师18可安排教学任务,学生依据安排在规定时间内完成学习任务,提交报告由教师批阅。图 3 实验教学信息管理系统整体业务流程图在教学评价阶段,由课程负责人统一为本课程设定考试抽题组卷规则,由教务人员审核通过后发布,开放预约。学生预约后确定考试时间和考试地点,并在规定时间地点完成考试。教师完成批卷后,结合学生平时成绩,综合评价形成学生总评成绩。教师可以在任何阶段获取各项教学数据,并通过数据统计分析功能得到有意义的分析结果,在教学评价完成后该项工作将更具参考性。基于统计分析,教师可以形成更客观的教学总结,进而提出科学、合理的教学改革建议。考虑师生使用的便捷性,实验教学信息管理系统采用 B/S 架构,在任何一台连接校园网的电脑上均可通过浏览器访问。以教师为例,呈现用户主页面如图 4 所示。图 4 实验教学信息管理系统教师主页面考虑师生使用的便捷性,实验教学信息管理系统采用 B/S 架构,在任何一台连接校园网的电脑上均可通过浏览器访问。3 “两方面建设”之一的教学管理建设教学管理建设的目的是建立并完善教学管理功能,从“实验教学”、“在线考试”、“题库建设”、“其他功能”四个方面入手。3.1 实验教学3.1.1 电子教案为便于对实验教学流程的管理,系统引入“电子教案”的概念。电子教案,是教师针对一个实验项目编辑的,包含实验预习内容、预习报告模板、预习测验要求、实验指导书和实验报告模板的在线电子文档等。实验任务下发时,电子教案同时下发给学生。学生在电子教案的引导下,逐步进行在线预习、预习测验、查看实验指导书、编写并提交实验报告,最终完成实验任务。电子教案反映了教师对于该实验项目的教学思路,是实验教学信息化管理的基础。电子教案中的实验预习内容、预习报告模板、实验指导书和实验报告模板,均支持文档、图片、音频、视频、动画等多种表现形式,学生在完成预习报告和实验报告时,也可以上传图片、视频等。这使电子教案的编辑更加灵活,学生在电子教案的框架下进行各教学环节的学习时,接受程度更高,学习效果也更28 郝磊,等:电类基础实验教学信息化建设探索与实践好,电子教案编辑页面如图 5 所示。图 5 电子教案编辑页面电子教案可复用,能共享。教师编辑好一个电子教案后,发布并存储到“教案库”中,可无限次复用。同时,教师可以在教案库中查阅其他教师的教案,取长补短,共同进步。如果教师在提交时选择“共享”自己的电子教案,则其他教师不仅可以查看,还可以直接引用该教案,并在该教案基础上再次编辑,以提高备课效率。针对一个实验项目,一名教师可以编辑多个版本的电子教案,以适应不同专业的教学需求,甚至同一专业内有着不同特点的学生群体。“因材施教”的教学方式可以通过“电子教案”便捷地得到体现,使学生更容易接受教学内容。3.1.2 实验预习管理实验预习环节,要求学生遵循电子教案,学习实验预习内容,在线完成实验预习报告或预习测验。有效的实验预习是学生安全、正确实验的基本保障,也是实验目标达成的基本要求。由教学经验看,学生实验目标未达成,大多是因为实验前没有进行有效的预习。因此,实验预习管理的建设,需要突出“强制性”。(1)学生在课前必须完成课上实验项目的在线预习,并且考核成绩合格,否则教师可以禁止学生进入实验室进行实验;(2)学生预习成绩合格,才能继续在线查看实验指导书并填写实验报告,否则该实验项目在系统中无法继续;(3)通过技术手段,学生必须逐页或逐帧学习实验预习内容中的文档、视频、动画,禁止连续翻页和拖动进度条,否则自动记录为“实验预习未完成”,不允许预习考核。实验预习管理环节的“强制性”特点收获了很好的效果,系统应用期间,课前预习学生占比达95%以上,整体实验效果显著提高。3.1.3 实验报告管理实验预习通过后,学生可以进入实做环节,在实验室完成实验项目。学生观察实验现象,记录实验数据,并在实验完成后,登录“实验教学信息管理系统”,按要求整理实验数据,填写实验报告。实验报告管理充分运用信息化优势,大幅提高了教学效率。(1)传统纸质实验报告要求学生抄写大段的实验原理和实验步骤,但教学经验表明,这并未帮助学生更好的理解实验原理、掌握实验内容,反而增加了学生负担,导致其对实验报告敷衍了事。因此,网络化实验报告,仅要求学生填写实验测量数据,但同时设计了更多的实验数据分析的题目,引导学生积极思考,深入理解实验原理,巩固实验效果。(2)对部分实验结果,支持学生拍照或录像上传实验现象,教师可以更真切的了解学生的实验情况。如果实验结果有误,这有助于教师和学生排查错误原因。(3)可设定实验报告的提交时限,学生必须在规定时间内完成并提交实验报告,否则该实验项目不得分,有助于引导学生养成良好的实验习惯。3.2 在线考试依托该系统可以完成实验理论部分的在线考试。课程负责人安排所属课程的考试科目、考试场次、考试时间、考试地点,并设定考试随机抽题的规则(题型、难度等级、所占比例等),提交教务人员审核,如图 6 所示。审核通过后发布,学生可以查看到各个场次的考试安排。图 6 教务人员的考试安排审核页面3.2.1 考试预约制为了便于学生安排个人时间,实验理论考试采用“预约制”。学生可以看到教师安排的多场考试,并选择参加其中一场,如图 7 所示。开考前 10 分钟,学生到预约场次考场就坐,登录系统参加考试。38系统通过技术手段限定考试只能在安排的考场内进行,否则无法进入考试页面。考试时间结束后,如果学生未主动交卷,系统将强制提交,确保考试公平。图 7 学生考试预约页面3.2.2 练习自测“考试不是目的,一切为了学习”,本着这一原则,系统设计了“练习自测”功能。学生可以在任意时间,独自设定抽题规则并完成自测验。练习自测和在线考试共享同一个题库,因此,学生做的“练习自测”越多,考试时遇到“熟题”的概率越高。通过这样的方式,鼓励学生勤学多练,促进学生“主动学习”。3.3 题库建设预习测验和在线考试的基础是题库,题库中题目由任课教师自编或收集,通过课程负责人审核后,可随时随地上传到系统题库中。3.3.1 题库分类题库分为“预习题库”和“考试题库”。预习题库用于预习测验,着重测验在预习环节应当掌握的内容,题目设计具有“启发性”,引导学生对实验产生兴趣,愿意深入了解和思考;考试题库用于在线考试,考核学生在一个学期学习后应当理解和掌握的内容,题目设计具有“考查性”,能正确反映学生知识和能力的掌握程度。3.3.2 题目编制题目有单项选择、多项选择、不定项选择、判断、填空、问答等多种类型,每种类型题目的编制均支持文字、图片、声音、动画、视频等多种形式,这能很好地提升题目的表达效果,激发学生的答题热情,如图8 所示。教师编制题目的同时,须标明正确答案,并填写答案解析。学生练习自测或考试结束后,可直接查看题目正确答案及解析,“以考促学”。3.3.3 题目统计题库支持题目统计,包含题目答对率,选择题各选项占比等。统计范围较为灵活,可以班级为单位,或以所有用户为单位,可以统计本次考试数据,也可以统计所有历史数据。图 8 题目编制借助题目统计功能,教师能及时了解学生对题目的掌握程度,获知学生普遍存在的知识漏洞,及时调整课堂教学,有的放矢;学生也可以了解到每道题目所有学生的掌握情况,及时查漏补缺。3.3.4 动态难度等级题目刚入库时,出题教师凭教学经验为题目设置初始难度等级:简单、中等或困难。每次答题结束后,系统都会根据题目历史答对率自动更新题目难度等级:当答对率低于 30%时,难度等级修正为“困难”;答对率在30%70%,难度等级修正为“中等”;答对率在 70%以上,难度等级修正为“简单”。题目被抽中次数越多,答对率越能更真实地反映该题目对于学生的难度。动态难度等级的实现,使题目难度等级的设定更加科学,更加符合学生的真实情况,教师获知的学生学习状况更加准确,这有利于提高在线考试和自测试的有效性。3.4 其他功能3.4.1 自动批改自动批改,是提高教师工作效率的重要保证 9。借助信息化优势,系统中预习报告、预习测验、实验报告、实验考试以及自我测试等均支持自动批改。对于单项选择、多项选择、不定项选择和判断题等客观题,系统存储标准答案和评分标准,可准确批改并评分;对于填空、问答等主观题,系统存储标准答案关键字或答案阈值及评分标准,可建议性批改并评分。自动批改后,教师可再次修改评分,以确保学生得分公平公正。3.4.2“我的错题”学生在预习测验、实验考试和练习自测中做错的题目,将自动存入“我的错题”。学生可以随时查阅曾经做错的题目,查看标准答案和题目解析。48 郝磊,等:电类基础实验教学信息化建设探索与实践借助“我的错题”,学生可以快速巩固知识链条中的薄弱环节,夯实所学的实验知识。4“两方面建设”之一的教学资源建设教学资源建设的目的是丰富“实验教学信息管理系统”的内容。电子教案中的实验预习内容、预习报告模板、实验指导书、实验报告模板及题目,均可以采用多种形式的资源编辑,包括 OFFICE 文档,PDF 文档,FLASH 动画、图片、音频、视频等 10。教师可以充分利用各种资源,编制适合自己教学计划的电子教案。教学资源的建设,有“收集”和“自制”两种方式。OFFICE 文档和 PDF 文档一般是预习和实验指导书的核心,往往由教师编制;FLASH 动画、图片、音频、视频可以上网收集,也可以自制。收集或自制教学资源应遵守如下准则:(1)视频或动画不宜过长,鼓励“短小精悍”,以2 分钟内为宜。时间太长不利于网络传播,且易让观看者感到疲倦。(2)实验预习、预习报告模板、实验指导书、实验报告模板和题库的教学资源应分别制作,教学资源应具有不同的倾向性。实验预习部分的资源应具备启发性,激发学生兴趣,引导学生对实验内容做深入了解和思考;实验指导书中的资源应更重视逻辑性和指引作用,能形象地展示实验原理,说明实验步骤;实验报告模板中的资源具备一定的考查性,应与实验步骤密切相关,教师能在其中提出问题;考试题库中的资源应注重总结归纳,学生在答题时,能激发深层思考,对学过的知识有一个更深入的理解。5 “一方向延伸”教学数据统计分析实验教学信息化建设的基本目标是提高实验教学效率,但其最终目标是获取教学数据,统计分析后,得出与教学相关的结论,并在此基础上,进行有针对性的教学改革,提升实验教学综合水平 11。以此为目标,实验教学信息管理系统采集并记录了教师、学生在使用系统过程中产生的各项数据,包含学生登录时间、在线时长、访问课程、预习耗时、预习成绩、编写实验报告耗时、实验报告成绩、考试耗时、考试成绩、练习自测次数、查看我的错题次数,以及题库中每一道题目的正确率和各选项占比等,并提供了必要的统计功能。5.1 数据统计系统提供访问行为分析、实验行为分析、实验时间分析、学习成绩分析、试卷分析和题库分析等基本的数据统计分析方式,每一种数据统计均在实验课程、实验项目、统计对象、统计时间段、统计内容等多方面提供可供选择的统计项,支持用户根据个人需求选择,如图 9、图 10 所示。用户完成数据统计后,可将统计结果导出到 Excel。图 9 教学数据统计实验行为分析图 10 教学数据统计访问行为分析学生拥有和教师完全一样的数据统计功能,这有利于学生随时了解个人学习状况,可以在自主学习时能够有的放矢,提高效率。5.2 数据分析数据统计结果导出后,可应用数据挖掘方法对实验教学数据进行分析,得到更直接的结论 12。采集系统使用期间的 5000 份实验教学数据,运用关联规则 Apriori 算法分析,列举出具有代表性且置信度较高的分析结果,如表 2 所示。根据这一分析结果,可得出如下结论:(1)实验预习时间长的学生,预习往往扎实认真,预习效果好,因此实做效果好,实验报告得分高。所以,在后续教学中,应继续重视实验预习环节,增加预习内容的趣味性,加强预习考核,确保每一名学生都能认真、有效的完成实验预习。(2)如果学生学习积极主动,每次实验结束后,会及时整理数据,并进行下次实验课前预习。相反,学生会选择在实验课前一晚甚至当天课前再预习,这样的预习往往是敷衍的。数据分析结果表明,学58习积极主动的学生,考核成绩往往优异,而习惯敷衍的学生,成绩普遍低一些。对这一现象,可以通过预习考核完成时间挂钩预习成绩的方式,引导学生提前预习。但更重要的是在后续教学中不仅教授学生知识,还要引导学生养成良好的学习习惯,端正学习态度,这对学生的影响更加深远。表 2 实验教学数据关联规则分析结果(成绩 85 分以上为优)序号关联规则置信度(1)实验报告成绩优=实验预习时长 30 分钟以上88.52%(2)总评成绩优=平均实验预习提前量在 24 小时以上 61.33%(3)总评成绩优=“仪器使用”实验课报告得分优66.69%(4)总评成绩优=查看我的错题次数 20 次及以上82.42%(5)总评成绩优=练习自测次数 20 次及以上72.15%(3)仪器使用课目标是教会学生如何使用各种实验仪器。从多年实验课考试情况也能看出,实验考试被扣分的,相当一部分是因为实验仪器使用不熟练。后续教学中,应采取更好的教学方法,强化实验仪器的学习和练习,比如,录制更详细的实验仪器教学视频放在预习和实验报告环节供学生随时查看,布置专门的仪器使用训练任务等。(4)“温故而知新”向来都是一个良好的学习习惯,实践证明,经常复习自己出错的题目有助于知识链条的巩固。后续教学中,应更多地鼓励学生及时复习,并根据自己的错误做针对性的查漏补缺。(5)练习自测 20 次及以上的学生中,总评成绩优的占比达到 72.15%,充分说明了要想学得好,还得勤学多练。后续教学中,要继续组织教师多设计题目,充实题库,鼓励学生更多利用本系统做实验理论学习,多在实验室做实操练习。“让数据说话”是“教学数据统计分析”的基本目标,基于数据分析结果的新的教学改革方案的提出和施行,才是“教学数据统计分析”的真正目的。目前,“实验教学信息管理系统”的数据统计和分析功能已开始发挥作用,基于上述结论的有针对性的实验教改措施已经实施并取得积极效果。相信随着系统的优化和完善,“教学数据统计分析”一定能够成为教师教学的得力助手。6 结语信息化改革是高校教学的重要趋势,中国民航大学结合自身实验教学的特点,自主研制了“实验教学信息管理系统”,并以此为平台,对高校实验教学的信息化建设进行了探索和实践,取得了良好的效果,并提出了诸多有针对性的改革措施。随着时间的推移,更多教改措施逐步实施,实验教学信息化改革将为中国民航大学的实验教学带来更多有益的改观。参考文献(References):1 李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平J.实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.2 教育部办公厅关于2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知J.实验室科学,2017,20(4):190,196.3 海涛,王钧,廖炜斌,等.基于物联网的高校实验室信息化管理技术J.实验室研究与探索,2012,31(9):166-169.4 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