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电工电子远程实境实验平台建设的研究与实践
发布人:马学条  发布时间:2020-07-15   动态浏览次数:16

  

电工电子远程实境实验平台建设的研究与实践

  

陈龙

(杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州)

本成果受2020年浙江省教育科学规划“疫情与教育”专项课题资助,课题编号:2020YQJY490


摘要:围绕如何突破实验教学时空限制,在疫情等特殊时期给学生提供更多的实践动手机会,以及满足数字电路实验、电路分析实验、电工学实验、数字系统课程设计等多门课程的教学需求。杭州电子科技大学远程实验中心,针对传统实践教学的局限性,以满足学生泛在学习需要为目标,构建远程实境实验平台,开发远程在线实物实验,有效地解决了教学过程中时间、地域和安全因素等限制的现实问题,对于探索实验教学新模式、提高学生探究性学习能力具有重要而深远的意义。开发的系列电工电子远程在线实物实验面向国内外高校开放共享,已在杭州电子科技大学、墨西哥蒙特雷科技大学、武汉东湖学院、西藏农牧学院等20余所高校推广使用。

关键字:远程实验中心;在线实物实验;教学改革

1.研究背景

利用网络进行在线教育已经成为现代教育的一个重要组成部分,也为疫情期间一种重要的学习模式。通过多媒体、仿真软件等技术在计算机上搭建一种模拟传统实验的操作环境,在线仿真实验教学是疫情期间各高校开展在线实验的常见方式然而,对于理工科的专业课程而言,实践环节是不可或缺的,基于软件工具的虚拟仿真不能完全替代实物实验。如何在线做实物实验,开展远程在线实物实验教学,是疫情期间在线教育迫在眉睫的问题。

本着“共研、共建、共享”的教学理念,杭州电子科技大学电子远程实验中心教师团队围绕如何借助信息化技术,达到“处处能学、时时可学”的泛在学习目的,构建跨越时间空间以及资源共享的实验教学环境,设计和开发了系列电工电子远程在线实物实验,实验教学实现由固定场所向互联网场所的转变,有效拓展了实验教学的深度和广度,为信息时代高校电子信息高层次人才培养提供强有力支撑。

2.平台建设

远程实境实验平台”由实验终端、服务器、实验界面、实境实验端等四部分组成,配备了与真实工程环境中完全相同的实验设备。平台可全天候开放运行,学生通过网络远程操控真实设备,并通过实验界面实时获取实验数据,使得学生在异地场景也能在线完成实物实验。在消除部分现场实验面临安全隐患的同时,培养了学生解决复杂工程问题的能力,远程实境实验平台组成框图如图1所示。

1 远程实境实验平台组成框图

杭州电子科技大学远程实验中心教师团队以全方位开放式教学为宗旨,以解决复杂工程问题为核心,围绕如何拓展实验内涵、激发学生的学习兴趣、培养工程创新意识等问题开展电工电子远程实境实验平台设计与研究,借助信息化手段,实现全方位开放式教学,有效的开拓了实验教学的时空领域。目前已完成了数字电路、电路分析、三相交流电、三相异步电机四类远程实境实验平台的开发建设,疫情期间,数字电路实验、电路分析实验、电工学实验、电机学实验、创新性实验、电路与电子线路实验、现代数字电子技术基础实验、EDA技术实验、数字系统课程设计等多门课程,借助平台开设了系列远程在线实物实验,面向校内外师生和社会学习者开放共享。基于平台开设的课程如图2所示。

2 基于平台开设的实验课程

3.远程在线实物实验实施

如何保障远程在线实物实验教学与师生面对面指导教学的“实质等效”是一个非常重要的问题,通过对实验内容、形式及模式的相应调整,在“实质等效”上取得了一定效果。实验教学组织形式如图3所示。

3 实验教学组织形式

远程在线实物实验及线上互动指导不等于传统实验的复制,需要精心设计实验内容及步骤。设计原则是教学大纲先导,在此基础上提升实验教学的深度及广度,及时调整实验方法、步骤及手段。远程实境实验设计流程如图4所示。

4 远程在线实物实验设计流程

受仪器设备、实验场地等影响,传统实践教学无法突破时空限制,教学模式单一,难以适应新技术的发展需要。远程在线实物实验采用远程实境实验平台结合网络直播形式开展混合式教学,满足学生随时随地获取教学资源的需要,在消除部分现场实验面临安全隐患的同时,培养了学生解决复杂工程问题的能力。远程在线实物实验教学如图56所示。

5 远程实境实验平台结合网络直播的混合式实验教学

6 借助远程实境实验平台进行在线实物实验

远程实境实验平台提供了强大的信息化和数据分析功能,如图7所示。借助平台,2019-2020-2学期共有271个实验教学班开展实验,实现教学过程全信息化管理。

7 远程实境实验平台教学管理系统

4.研究成效

实验教学相对于理论教学而言更具有直观性、实践性和创新性,尤其在电子类教学领域中,是非常重要的环节之一。将信息化技术深度应用于实验教学,通过远程实境实验,有效拓展实验教学时空领域,增加了用户的自由度。通过远程在线实物实验,学生可远程操控真实实验设备,共享实验室资源,让远程学习者身临其境的体验实验过程细节及实验现象,强化学习和工程训练。

1)重构了适应信息技术发展的电工电子实验课程体系

以信息技术引领教育变革为突破口,对电工电子实验课程实施改革,变革实验教学模式,适应新时代以学生发展为中心的教学需求;同时,依托“电工电子国家级实验教学示范中心、电子信息技术国家级虚拟仿真实验教学中心、远程实验中心”对基础实验、专业实验、课程设计等课程进行信息化建设,实现过程数据信息化管理和学情数据统计分析,提高实践教学效率,推进教学信息化进程,重构电子信息类专业实践课程体系。

2)构建了满足泛在学习需求的远程实境实验平台

基于远程实境实验平台开设系列远程在线实物实验,满足学生随时随地获取优质实践教学资源的需要,有效的延展了实践教学的时间和空间;借助远程实境实验平台、网络直播平台和实践课程资源,开创了全新的线上互动实践新模式;同时,以多学科交叉融合实践项目为载体、以项目驱动创新为机制,拓展实践教学的深度和广度,更新专业人才培养知识体系,满足学生工程实践创新能力培养的需要。

3)构建了数据驱动的多元化实践教学评价机制

依托远程实境实验平台教学管理系统实现实验教学信息化,已有271个实验教学班实施线上实验教学。通过采集学生学习过程数据,建立教学基本状态数据库,为学情诊断、综合评价和学业规划提供支撑,形成数据驱动的过程化综合评价。同时,推行全过程学业评价改变“期末考试定成绩”的做法,将 “自主设计、论文答辩”模式纳入教学评价机制,构建信息时代以学生发展为中心的实践教学评价机制。

疫情期间,基于平台开设的各类远程在线实物实验,自上线以来已有4000多名学员注册使用,包括杭州电子科技大学、墨西哥蒙特雷科技大学、浙江工业大学、浙江师范大学、中国计量大学、西藏农牧学院、武汉东湖学院、长春工程学院等20余所高校,完成25000多人次的远程实物实验。《中国教育报》、《光明日报》、《科技日报》等30余家媒体对电工电子远程在线实物实验建设成果进行了全面宣传报道。如图8所示,特约评论员邓海建说到:“杭电这一平台最大的价值,或许不在于学生们在咖啡厅或者家里就能做好复杂而严谨的科学实验,更重要的启迪,在于为未来的社会实验提供了丰富的想象空间和应用场景。”