周細(xì)鳳,曾榮周,張向華,張平華
(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,湖南湘潭 411101; 2.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件實(shí)驗(yàn)室,成都610054;3.湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院,長沙410200)
“后MOOC時(shí)期”電信專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的挑戰(zhàn)與改革
周細(xì)鳳1,曾榮周2,張向華1,張平華3
(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,湖南湘潭 411101; 2.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件實(shí)驗(yàn)室,成都610054;3.湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院,長沙410200)
實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是電信專業(yè)教學(xué)體系的關(guān)鍵組成部分,該文針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式因受設(shè)備、場地、人員、制度等多方面的制約而發(fā)展緩慢的問題,分析和總結(jié)了電子信息專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程中所面臨的瓶頸問題,提出了基于MOOC平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。實(shí)踐表明,該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有效推進(jìn)了“后MOOC時(shí)期”電信專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的信息化進(jìn)程。
電子信息專業(yè);實(shí)驗(yàn)教學(xué);大規(guī)模開放在線課程;遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)
大規(guī)模開放在線課程(Massive Open Online Course,MOOC)實(shí)質(zhì)是大學(xué)通過網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)施教學(xué)全過程,允許全世界有學(xué)習(xí)需求的人都能通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)。自從2012年誕生以來,MOOC就以其迅雷不及掩耳之勢席卷全球,世界各國的很多知名高等學(xué)校,都已推出了面向全球的求知者的開放課程。正如哈佛大學(xué)在線實(shí)驗(yàn)學(xué)術(shù)委員會(huì)主席羅伯特·略教授所說,我們已處在“后MOOC”時(shí)期[1]。
目前流行的各類基于MOOC的教學(xué)模式探索,大部分都集中于理論課程的研究和應(yīng)用。對于理論教學(xué),MOOC模式下的在線課程能夠很好地完成,通過視頻與講義的結(jié)合可以讓學(xué)生有良好的臨場感。在線課程也可以通過論壇的形式與學(xué)生進(jìn)行交互,在線安排課程答疑等。課程作業(yè)的提交和批改都可以在線上完成。在線教學(xué)能夠很好地完成理論教學(xué)[2-4],但實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對理論教學(xué),MOOC化進(jìn)展就緩慢很多。
國外實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放共享較為普遍,并取得了較多成功的經(jīng)驗(yàn)。美國、日本等發(fā)達(dá)國家的大學(xué)很早就提出開放式課程教學(xué)理念,以開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式培養(yǎng)不同學(xué)科、不同專業(yè)和不同層次的大學(xué)生和研究生[5]。我國高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)界在繼國家精品課程、大學(xué)網(wǎng)絡(luò)公開課之后,也開始思考MOOC浪潮中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的變革與創(chuàng)新之路。但是,因受設(shè)備、場地、人員、制度等多方面的制約,國內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的MOOC化目前還處于方興未艾的起步階段,如表1所示(統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截至2015年5月)。本文對國內(nèi)知名的MOOC網(wǎng)站,如中國大學(xué)MOOC,學(xué)堂在線,好大學(xué)在線,超星慕課等的在線課程進(jìn)行了調(diào)研分析,由表1可見,在電信專業(yè)的MOOC教學(xué)研究中,均集中于理論課程的實(shí)施,而實(shí)驗(yàn)課程的MOOC化進(jìn)程,則幾乎沒有進(jìn)展。
表1 國內(nèi)知名MOOC網(wǎng)站上課程對電信專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的覆蓋情況
對于應(yīng)用本科院校中的電信專業(yè)來說,其試驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)對培養(yǎng)兼具創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的工程應(yīng)用型人才有著至關(guān)重要的作用。探索MOOC環(huán)境下如何開展新型的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué),借助MOOC平臺(tái)構(gòu)建遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),是抓住MOOC機(jī)遇、實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源的全面開放共享的基礎(chǔ),具有十分重大的意義。
實(shí)驗(yàn)實(shí)踐是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要教學(xué)手段,探索如何更好地將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合,如何由傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式向在線實(shí)驗(yàn)?zāi)J睫D(zhuǎn)變,讓工程實(shí)踐能力培養(yǎng)貫穿整個(gè)網(wǎng)絡(luò)教育過程,開展新型的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué),是“后MOOC”時(shí)期電信專業(yè)以及其他工程類專業(yè)均需探索的重要而緊迫的課題。
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和在線實(shí)驗(yàn)室的差距較大,在線實(shí)驗(yàn)室可有效地突破時(shí)空限制,實(shí)驗(yàn)者可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn),而且實(shí)驗(yàn)過程可回放和重復(fù),有利于找出實(shí)驗(yàn)過程中的失誤和失敗,并利用在線社區(qū),和不同時(shí)空的實(shí)驗(yàn)者分享和交流實(shí)驗(yàn)心得。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)手段落后,教學(xué)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件有限;實(shí)驗(yàn)過程粗放難以滿足學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)要求。部分專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源有限,開放時(shí)間有限,不能滿足學(xué)生隨時(shí)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐的要求。部分理論教學(xué)要構(gòu)建物理演示系統(tǒng)成本高、操作困難,缺乏讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的條件。師資力量無法滿足大批量學(xué)生的設(shè)計(jì)能力提升。各類實(shí)踐活動(dòng)缺乏細(xì)致有效的監(jiān)管?,F(xiàn)有的虛擬仿真系統(tǒng),如Pspice、Multisim、Tina Pro、Circuit Maker、Proteus等,雖然能夠完成電子類的大部分仿真工作,但是依然有很多不足,如不是針對學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開發(fā),學(xué)生使用不方便,沒有配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理,教師和管理人員使用不方便,缺乏配套的知識(shí)輔助學(xué)習(xí)和指導(dǎo),指導(dǎo)教師的工作量大等。另外,有些專業(yè)內(nèi)容理論性很強(qiáng),內(nèi)容抽象,或者其涉及宏觀或者微觀層面的內(nèi)容,現(xiàn)實(shí)的案例難以進(jìn)行實(shí)物演示。而且工程領(lǐng)域某些小概率的事件,難以實(shí)現(xiàn)情景再現(xiàn),尤其是某些危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn),難以確保實(shí)驗(yàn)過程安全可靠。
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)MOOC化的進(jìn)程中,所面臨的首要問題就是在線試驗(yàn)?zāi)J较?,?shí)驗(yàn)者的數(shù)量大大增加,傳統(tǒng)的教師逐一輔導(dǎo)和檢查模式,必將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)師資嚴(yán)重缺乏。需要采用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),在實(shí)驗(yàn)的不同階段,根據(jù)學(xué)生的不同問題進(jìn)行個(gè)性化的因人施教。而做完實(shí)驗(yàn)后,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告則需要通過網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的輔助批改。另外,MOOC平臺(tái)的智能答疑系統(tǒng),可以隨時(shí)對學(xué)生所提問題,進(jìn)行自動(dòng)回復(fù)。學(xué)生也可以通過該系統(tǒng)與教師實(shí)時(shí)互動(dòng)或者與其他實(shí)驗(yàn)者交流和共享實(shí)驗(yàn)心得。而實(shí)驗(yàn)管理者和教師通過MOOC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所記錄的數(shù)據(jù)可以對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)與分析,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的問題和紕漏,為進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考依據(jù)。
大部分的軟件實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)者可在客戶端通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連接服務(wù)器上實(shí)施試驗(yàn),但對于硬件試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)備和儀器不易獲取,難以實(shí)施,可借助MOOC平臺(tái),將動(dòng)畫模擬、虛擬仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)優(yōu)化組合,各取所長,增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)悟和理解。
虛擬實(shí)驗(yàn)缺乏教學(xué)的藝術(shù)性,從某種程度來說,教育是一門藝術(shù)。教師在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中的講授、板書、演示等都各具特性,而那些具有創(chuàng)造性、美學(xué)價(jià)值的教學(xué)方法堪稱教學(xué)藝術(shù)。但是,在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中,學(xué)生按照理論規(guī)則跟隨計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行,缺乏教師言傳身教的人文熏陶,和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)際操作訓(xùn)練及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的浸染,這嚴(yán)重制約學(xué)生的非智力因素,如情感、意志、動(dòng)機(jī)等方面的培養(yǎng),不利于學(xué)生人格的健全發(fā)展。
由以上分析可見,因受制于設(shè)備、場地、人員、制度等多方面因素,實(shí)驗(yàn)教學(xué)的MOOC化所面臨的問題十分棘手。如何構(gòu)建一個(gè)突破傳統(tǒng)局限的、不受時(shí)間和地域限制的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室,如何高效地借助MOOC的開放、共享的特性,充分利用網(wǎng)絡(luò)資源引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步完善高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化程度,是值得探討和研究的重要課題。
對于電信專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在MOOC平臺(tái)運(yùn)行遇到的問題,很多高校已進(jìn)行的在線虛擬實(shí)驗(yàn)室案例可以提供一些有價(jià)值的參考和借鑒。
如清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測系統(tǒng)、華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測試實(shí)驗(yàn)室將其虛擬實(shí)驗(yàn)室成果在網(wǎng)上公開展示供遠(yuǎn)程教育使用,復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、暨南大學(xué)等一批高校,也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。
文獻(xiàn)[6]提出在清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系本科專業(yè)教育培養(yǎng)體系中,自然科學(xué)基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程、基本實(shí)踐訓(xùn)練課程和專業(yè)核心課程中絕大部分的課堂講授類課程都可以在幾大MOOC平臺(tái)中找到對應(yīng)的開放式課程。而對實(shí)驗(yàn)類課程,MOOC目前較少涉及,將軟件類實(shí)驗(yàn)搬到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上進(jìn)行,原則上應(yīng)該沒有什么問題,甚至在很多情況下可以做得更好。硬件類實(shí)驗(yàn)在MOOC課程中如何設(shè)置會(huì)遇到天然的困難,各MOOC平臺(tái)正在進(jìn)行積極的嘗試,對硬件類實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)一定程度的虛擬化,研發(fā)所謂的虛擬實(shí)驗(yàn)室。
文獻(xiàn)[7]針對電子信息類專業(yè)特點(diǎn),提出了利用MOOC平臺(tái)來提供專業(yè)技術(shù)學(xué)習(xí)平臺(tái),提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力等觀點(diǎn)。
文獻(xiàn)[8]分析了網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢,并利用Labview設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備儀器的硬件共享和軟件共享,提高了實(shí)驗(yàn)室的開放利用率。
文獻(xiàn)[9-11]提出了基于Labview平臺(tái)設(shè)計(jì)的虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化,允許用戶隨時(shí)隨地通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn),并在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和探索創(chuàng)新能力方面取得了一定進(jìn)展。
文獻(xiàn)[12]指出,網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室有兩種工作模式:1)軟件共享模式,即純軟件實(shí)驗(yàn)?zāi)J?,適用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn);2)硬件共享模式,即半實(shí)物實(shí)驗(yàn)?zāi)J?,主要用于?shí)時(shí)測控實(shí)驗(yàn)。構(gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)一般是兩種模式相輔相成、綜合應(yīng)用,既克服實(shí)際實(shí)驗(yàn)中設(shè)備、環(huán)境、時(shí)間等實(shí)驗(yàn)條件的限制,又增強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)生實(shí)際操作儀器的真實(shí)感。
總之,目前已有案例要么專注研究MOOC理論課程體系改革和完善,要么單純研究遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用,而借助 MOOC平臺(tái)的遠(yuǎn)程虛擬在線實(shí)驗(yàn)室,則較為少見。
綜合已有的虛擬實(shí)驗(yàn)室案例以及 MOOC平臺(tái)“開放、共享”的特性,借助如圖1所示的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可有效地實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的在線化和網(wǎng)絡(luò)化。在這樣的實(shí)驗(yàn)方式下,實(shí)驗(yàn)者可以在遠(yuǎn)程終端上通過網(wǎng)絡(luò)完成自主實(shí)驗(yàn),也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制服務(wù)器與相互協(xié)作的實(shí)驗(yàn)?zāi)J健?/p>
圖1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
整個(gè)在線虛擬實(shí)驗(yàn)室的大部分功能模塊采用軟件形式完成。結(jié)合MOOC平臺(tái)和電信專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn),分別以實(shí)驗(yàn)者、教師、游客、管理員4個(gè)不同的身份來完成虛擬實(shí)驗(yàn),不同的身份有不同的權(quán)限和選擇項(xiàng)目。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程設(shè)計(jì)如圖2所示。
其中,實(shí)驗(yàn)者模塊是整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的核心模塊,應(yīng)包含電子信息類專業(yè)大部分的專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)選項(xiàng),實(shí)驗(yàn)者選擇實(shí)驗(yàn)分兩步進(jìn)行:1)選擇課程,具體可選的課程體系如圖3所示;2)在所選課程體系里面,選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖
圖3 可選課程
圖4 高頻電子線路課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
在實(shí)驗(yàn)過程中將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為演示驗(yàn)證型、綜合應(yīng)用型、創(chuàng)新研究型3類,根據(jù)不同的課程和實(shí)驗(yàn)類型的特點(diǎn)以及其在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中的要求,采用不同的方法虛擬實(shí)現(xiàn)。如對于高頻電子線路來說,采用如圖4所示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其中演示驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)包括8個(gè)實(shí)驗(yàn),其目的是驗(yàn)證、演示教材的相應(yīng)知識(shí)點(diǎn),或者熟悉相關(guān)儀器的操作,相對較為容易。實(shí)驗(yàn)者只需按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,按部就班地完成實(shí)驗(yàn)過程,就可鍛煉基本的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。綜合應(yīng)用型和創(chuàng)新研究型都包括3個(gè)實(shí)驗(yàn),這兩部分內(nèi)容的要求相對較高。其中,綜合應(yīng)用型,要求實(shí)驗(yàn)者能夠綜合考慮實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法、手段等多方面因素,有利于培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)和素質(zhì)的綜合能力。而創(chuàng)新研究型要求實(shí)驗(yàn)者具備一定的創(chuàng)造思維和創(chuàng)新能力,能對已有的綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索研究,提出改進(jìn)方法,有利于培養(yǎng)其產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)研究方面的能力。
伴隨著MOOC的迅速發(fā)展和MOOC平臺(tái)上課程數(shù)量的急速增長,實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)作為整個(gè)電信專業(yè)課程體系的一個(gè)關(guān)鍵組成部分,急需不斷改革和創(chuàng)新。國內(nèi)很多高校為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化網(wǎng)絡(luò)化的問題,已經(jīng)研究出了諸多新型的在線虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)J?。但這些離MOOC平臺(tái)所要求的開放、共享、大規(guī)模特性,尚有很大的差距。如如何利用labview等虛擬技術(shù)構(gòu)建具有高度真實(shí)感、直觀性和精確性在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),如何實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)的良好配制,如何借助MOOC平臺(tái)更好地實(shí)現(xiàn)資源共享和交流,提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)效,拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度。這些均是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的MOOC化過程中需解決的問題??傊娦艑I(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在MOOC浪潮中,是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存,在MOOC平臺(tái)下通過真實(shí)的人機(jī)交互界面遠(yuǎn)程完成實(shí)驗(yàn),可有效地突破時(shí)空限制,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化進(jìn)程。
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New Challenge and Reform of Experiment Teaching for Electronic Information Specialty in“Post-MOOC Era”
ZHOU Xifeng1,ZENG Rongzhou2,ZHANG Xianghua1,ZHANG Pinghua3
(1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan,411101,China;2.State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China;3.School of Electronic Engineering,Hunan College of Information,Changsha 410200,China)
Experimental teaching is a key component in the experiment practical teaching system of electronic information specialty.However,the development of traditional experiment teaching has been hindered by many restricting factors,such as devices,work -places,teaching staffs and institutions.To ease the situation,the bottleneck which has been suffered during the networking for the experimental teaching in electronic information specialty are analyzed and summed up in this paper.And a novel experiment teaching for electronic information specialty has been obtained.It will offer more effective reference for the information of experimental teaching in electronic information specialty in“Post-MOOC Era”.
electronic information specialty;experimental teaching;MOOC;remote virtual experiment
G642.4
A
10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.037
2015-08-09;修改日期:2016-09-05
湖南工程學(xué)院博士啟動(dòng)基金(z15);湖南工程學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目(xjjx15z02);2014年湖南省教學(xué)改革研究項(xiàng)目(湘教通[2014]247號(hào));湖南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃省級(jí)一般資助課題(XJK016BXX004);湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃青年資助課題(XJK015QZY007);湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(15C0982)。
周細(xì)鳳(1979-),女,博士,講師,主要從事電子信息專業(yè)理論和實(shí)踐教學(xué)、CMOS數(shù)?;旌铣呻娐吩O(shè)計(jì)等方面的研究。
實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)2016年5期