高校實驗教學過程管理的系統(tǒng)方法

呂念玲, 黃曉梅, 張林麗, 李 斌, 殷瑞祥

(華南理工大學 電子與信息學院, 廣東 廣州 510640)

工程教育是我國高等教育的主要組成部分,2003年我國開始試行工程教育認證,并于2016年6月正式加入國際工程教育認證組織——華盛頓協(xié)議[1],確定了以學生能力成長為宗旨的工程教育目標,明晰了12項工程專業(yè)教育畢業(yè)達成指標[2-4]。實驗與實踐教學是工程教育中不可或缺的重要教育教學環(huán)節(jié),科學有效地實施實驗教學是保障工程專業(yè)人才培養(yǎng)畢業(yè)達成的一項關鍵任務。

實驗教學有實踐性、載體性、重復性及資源依賴性的特點,所以,實驗教學是一項重在過程的教學工作[5]。但在教學實施過程中,實驗結果的檢測往往比實驗過程檢測更容易,這就使得實驗教學常常走過場、效率低,嚴重影響教學質量的提高。本文以華南理工大學電類專業(yè)實踐教學改革為基礎,提出實驗教學過程管理的系統(tǒng)方法,探索進一步提高人才培養(yǎng)質量的新路。

1 實驗教學過程管理的意義

1.1 突破管理難點,切實提高教學質量

學生的實驗過程,包括實驗預習、實驗操作和實驗報告3個環(huán)節(jié),是與內容設置、資源支撐和過程實施密切相關的過程。該過程時間跨度長,場地常常布局在實驗室內、外,甚至校內、校外,參與人數(shù)眾多?，F(xiàn)行的主要依賴教師人力實施過程管理的方式,受限于時間和空間、受制于管理的技術與手段,教師常感“心有余,而力不足”,質量提升遭遇瓶頸。向過程管理要質量,必須改變傳統(tǒng)的過程管理思維模式,借助技術手段,探索新方法,才能突破管理難點,支撐教學質量上新高度[6-9]。

1.2 凝練過程要素,扭轉過度關注結果的評價方式

實驗教學的目標是通過成熟內容訓練學生的能力,因此,對于學生實驗過程的評價,比對于學生獲得的實驗結果評價更加重要。但教學實施過程中,影響質量的因素很多,給管控帶來一定的困難,這就造成了現(xiàn)實教學及評價 “重結果、輕過程”的現(xiàn)狀。聚焦實驗教學的根本目標、凝練過程管理中影響教學質量的內涵要素、建設基于過程的多元評價機制,才能轉變教、學雙方過度關注結果的現(xiàn)狀。

1.3 實現(xiàn)過程自整定,保持教學系統(tǒng)的穩(wěn)定

過程管理,是教學大系統(tǒng)中的重要一環(huán)。傳統(tǒng)的實驗教學過程是一個單向、開環(huán)的過程,從系統(tǒng)穩(wěn)定的角度來看,開環(huán)系統(tǒng)信息易流失、穩(wěn)定性較差。因此,通過收集過程管理信息、挖掘過程要素之間的內涵關聯(lián)、建設過程管理閉環(huán)系統(tǒng)、實現(xiàn)教學過程的自整定,是保持教學穩(wěn)定,質量持續(xù)提高的必要條件。

2 實驗教學過程中的質量要素

實驗教學過程管理中,與教學質量相關度高的因素是過程管理關注的要點。

(1) 身份識別。高等教育承擔學生知識傳授與能力培養(yǎng)的同時,也承擔認證職能。實驗學習過程中的抄襲、代做、代考等行為,都有悖于認證的真實性原則,因此,過程管理要解決的首要問題就是實驗者身份的真實性問題,后續(xù)的教學與評價才有意義。

(2) 預習效果。實驗是手腦并用的過程,學生在實驗預習階段的投入,直接影響到實驗課的質量。檢查學生的實驗預習報告,僅說明學生完成了預習的形式,無法考量其預習的實際效果。實驗課上常會看到預習報告抄了好幾頁,仍然不會處理實驗問題的學生。由于實驗準備的好與不好都能做實驗,學生實驗學習的積極性與主動性普遍不高。如果將預習質量的要求轉變成實驗課堂上可以檢測的指標,可以引導并推動學生的有效預習。

(3) 教學輔導。掌握規(guī)范的操作技能,是一個反復模仿、練習、出錯與糾正的過程,所以教學的重點也在學生實驗的過程之中。傳統(tǒng)的實驗課堂,通常是1～2名主講教師和教輔人員,承擔整個課堂的答疑、糾錯、輔導、安全管理和實驗數(shù)據(jù)審核、驗收等工作,無法更到位地照顧到學生個體；學生出現(xiàn)操作錯誤、數(shù)據(jù)誤差等無法及時得到糾正。憑借教師的人力管理的實驗課堂,教學輔導力量嚴重不足,需要考慮借助智能手段,協(xié)助現(xiàn)場教師，拓展教學輔導的廣度與深度。

(4) 學情信息。教學質量的提高不可一蹴而就,是一個持續(xù)提升的過程；實驗現(xiàn)場反映的問題,是做出教學質量評價的最可靠依據(jù)。傳統(tǒng)實驗課堂,教師對學生學習狀態(tài)的了解是通過答疑、輔導和糾正錯誤的互動中獲得的,由于取樣面窄,所以信息不全面；更有一些反映學生認知變化的動態(tài)信息,由多個狀態(tài)信息組成,不是單憑一次觀察,就能得出結論的。因此依靠技術手段,獲取反映教學效果的學情大數(shù)據(jù),是過程管理的一項重要任務。

(5) 操作評價。實驗過程是培養(yǎng)學生實驗能力和實驗素養(yǎng)的主要途徑,學生在實驗現(xiàn)場的操作情況,反映其真實的實驗水平。因此,對學生實驗成績的評定應以現(xiàn)場操作評價為主。而以實驗結果為單一評價標準的學生實驗成績評價方法,令學生過分關注結果,而忽視在實驗學習過程的投入和積累。唯有將指揮棒指向過程評價,才能更好地落實“實驗教學重在過程”的理念。

3 實驗教學過程管理的系統(tǒng)思考

綜上所述,實驗教學過程管理,是一個多方面、多層次的,有其獨特內涵的系統(tǒng)整體。從系統(tǒng)觀點出發(fā),通過分析過程管理的整體效果與具體流程的關系,研究管理系統(tǒng)內部與外界實施條件相互關聯(lián),從整體性、最優(yōu)性、動態(tài)性及層次性原則出發(fā),對實驗教學過程管理進行最優(yōu)設計。

3.1 建設實驗過程管理的閉環(huán)系統(tǒng)

從學生參與的角度看,實驗過程包含實驗預習、實驗操作及提交報告環(huán)節(jié)。所以,一般的實驗過程管理是以輔助、輔導學生完成上述學習環(huán)節(jié)為主要目的、單向、開環(huán)的管理過程。

但從教育教學的角度看,優(yōu)質的實驗課實施,在形式上是循環(huán)往復的,而在質量上是螺旋上升的動態(tài)過程,其得以上升的驅動力,來源于對每個教學循環(huán)效果的研究判斷與調整提高。因此,完善的實驗過程管理,必須是一個教學設計、過程管理、效果分析與反饋調整等環(huán)節(jié)緊密關聯(lián)、相互作用、可自矯正的閉環(huán)系統(tǒng),如圖1所示。在此閉環(huán)系統(tǒng)中,學生在實驗過程中呈現(xiàn)的各種狀態(tài),出現(xiàn)的各種共性問題,即學情信息大數(shù)據(jù),才可能被收集、分析,并利用,在提升過程管理有效性的目標下體現(xiàn)價值。

圖1 實驗過程管理信息閉環(huán)系統(tǒng)圖

3.2 選擇代表性的過程檢測點

實驗過程管理要關注的關鍵檢測點是學情大數(shù)據(jù)獲取的重點,也是難點。實驗教學的目標就是通過成熟的實驗項目,訓練學生從事實驗研究的能力。學生實驗過程中對學習任務的理解、操作中遇到的困難,最終是否完成任務等,是過程管理要掌握的重要信息。因此,過程管理要獲取切實反映學生實驗過程動態(tài)的行為數(shù)據(jù)和用于判斷效果的結果數(shù)據(jù)。選擇檢測點要滿足2個原則。

(1) 與學生實驗狀態(tài)或實驗效果緊密相關,且具代表性。以預習效果檢測環(huán)節(jié)為例,預習報告反映的是學生完成了預習的過程；而進行在線的預習檢測,則考查了學生解決實驗基本問題的能力,是檢測預習效果。因此,將在線預習檢測設置為過程檢測點,比翻閱預習報告更能夠了解學生實驗準備的情況。

(2) 選擇便于機器采集的監(jiān)控對象。全過程的數(shù)據(jù)采集,需要借助計算機工具,所以要選擇便于機器自動識別與檢測的過程對象。

如表1所示,基于上述原則,選擇的檢測點及其對于教學管理的意義。

表1 過程檢測點及其意義

表1(續(xù))

3.3 實施過程評價

基于上述過程檢測點的設置,每個學生的每個檢測點信息都被打上多個“標簽”,每個檢測點數(shù)據(jù)被賦予了多重的意義(見表1)。通過數(shù)據(jù)挖掘,可以獲取支撐過程評價的依據(jù)。簡單地說,這個過程就是把原來由教師跟隨的全過程,才能做出的對于操作的參與度、熟練度、規(guī)范度和準確度的評價,轉換成計算機可以識別的面部信息。實驗進行的速度、關鍵實驗數(shù)據(jù)和刷新次數(shù),以及數(shù)據(jù)正確率等描述方式,計算機可以把學生實驗全過程動態(tài)地記錄下來；教師參考上述原始數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)評價側重點,賦予檢測目標相應的權重,計算機可以輔助教師給每一個學生的現(xiàn)場操作進行監(jiān)測與評價。

3.4 助力管理制度柔性落地

強化過程管理,是為了將制度與評價緊密關聯(lián),督促學生給予實驗學習足夠的重視,學生個體要提升積極性和主動性,付出努力,才能達到目標,其過程無疑是辛苦的。有些學生會產生抗拒情緒,所以管理過程要把握方式方法。特別是事關分數(shù)、資格、能力或水平的評價容易影響學生情緒波動的管理操作,要充分考慮學生的感受與自尊,減少師生面對面可能產生的不愉快,讓過程管理的約束與要求以學生愿意接受的方式、潛移默化地影響學生。

4 實驗教學過程管理系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

為了使借助技術手段、強化實驗過程管理的理念在教學實驗室落地,并切實惠及師生,開展了大量的基于人臉識別技術、數(shù)據(jù)采集技術、標準化接口技術及網絡技術在實驗教學過程管理領域的創(chuàng)新研究,并對在線管理模式融入教學應用進行探索。

4.1 構建互聯(lián)互通的測試環(huán)境

啟動傳統(tǒng)實驗室整體改造,購置了配備網絡端口的示波器、萬用表、程控電源和函數(shù)信號發(fā)生器,在配套軟件驅動下,可實現(xiàn)設備的遠程調控,測試數(shù)據(jù)以儀器截屏方式上傳。每張實驗臺還配備實驗用計算機和交換機,實驗臺接入校園網。為實施實驗過程在線管理,打好基礎。

4.2 開發(fā)實驗在線共享平臺管理軟件

與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)擁有獨立知識產權的管理軟件系統(tǒng)。

4.2.1 開發(fā)工具、框架

系統(tǒng)采用層次化設計結構,將B/S架構與C/S架構相結合,提供彈性可擴展的系統(tǒng)架構,包括前端Web層、中間數(shù)據(jù)協(xié)議層和計算資源層和物理資源層,以及消息管理、分布式數(shù)據(jù)存儲、存儲系統(tǒng)、文件讀寫和安全等4個子系統(tǒng),如圖2所示。其中Web層提供網頁模式的服務,讓學生能通過網頁登錄系統(tǒng),開展包括預習檢測、實驗數(shù)據(jù)處理等操作；中間數(shù)據(jù)協(xié)議層完成提供多種服務的接口和操作管理流程,包括身份登錄與識別管理、數(shù)據(jù)加密管理以及服務的分發(fā),同時利用Restful結構提供對外的API服務、提供移動端的登錄操作；計算資源層提供必要的計算資源,支撐包括人臉識別和大數(shù)據(jù)分析所需的計算能力。

圖2 管理系統(tǒng)框架圖

4.2.2 智能電源系統(tǒng)的研制

配合管理過程中實驗臺供電的需要,開發(fā)了電類實驗臺電源智能控制系統(tǒng)，包括控制開關硬件,以及實現(xiàn)實驗預習自動組卷、自動評分、滿足條件時命令控制開關自動接通的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗室32個實驗臺的部署。

采用B/S+C/S結合使用的模式解決瀏覽器的限制問題。系統(tǒng)數(shù)據(jù)都存儲在遠程服務器,考慮到實際的應用場景系統(tǒng)采用B/S架構進行開發(fā),為了實現(xiàn)智能電源的控制效果和解決瀏覽器的限制問題,引入基于C#開發(fā)的客戶端程序。系統(tǒng)在服務端設定了多重邏輯條件,當滿足特定條件的要求時,客戶端作為服務端和電源通信的中間橋梁,傳達著彼此的指令信息(見圖3)。

圖3 電源智能控制實現(xiàn)圖

4.2.3 人臉識別登錄

系統(tǒng)人臉識別采用了深度學習技術[10-11],利用谷歌的tensorflow結構提供包括人臉定位和識別功能,基于度量學習技術實現(xiàn)人臉識別登錄功能,算法架構如圖4所示。

圖4 人臉識別系統(tǒng)算法架構圖

算法基于卷積神經網絡[12],使用已有的人臉數(shù)據(jù)訓練該網絡模型,并輸出512維度的特征作為每張人臉的特征表達。我們將該系統(tǒng)用于識別程序,分別應用于系統(tǒng)的登錄操作和實驗過程監(jiān)測。當新的學生注冊后,系統(tǒng)會保存不同光照、角度下的人臉特征,在實驗過程中系統(tǒng)定時采集學生的臉部信息,并將采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的特征值比對,基于歐氏距離的度量后,系統(tǒng)可以在一定誤差內確定學生的身份信息。

4.3 功能實現(xiàn)

在線實驗共享平臺支撐下,實驗過程由簡單的單向流程,變?yōu)檫^程精細化管理的閉環(huán)系統(tǒng),具體流程如圖5所示。

該系統(tǒng)是學生的實驗助學系統(tǒng)。學生在實驗現(xiàn)場刷臉登錄,進行預習檢測；滿足分數(shù)條件,實驗設備才上電；實驗過程按照要求上傳指定的關鍵測試點數(shù)據(jù),系統(tǒng)具備出錯自動提醒功能；實驗結束,學生可獲取回傳的原始實驗數(shù)據(jù),完成實驗報告。當實驗結束,學生可以看到自己在預習環(huán)節(jié)、實驗現(xiàn)場操作及實驗報告3方面的評價；對于實驗過程中出錯率高的(如：一次上傳數(shù)據(jù)出錯率高于40%的)學生,系統(tǒng)自動給出其下次實驗項目的個性化建議。即從第二次實驗開始,學生就擁有了個性化的實驗學習方案；實驗課程結束,獲得實驗課總評成績。

該系統(tǒng)是教師的學情信息存儲、分析與反饋平臺。實驗要求以預習題目、關鍵操作檢測點及各環(huán)節(jié)成績評價標準等可量化的方式落實到過程管理各環(huán)節(jié)。實驗過程中,教師對實驗難點和重點的講授,以及現(xiàn)場巡回輔導等傳統(tǒng)實驗教學方式依然保留；不同的是,計算機在現(xiàn)場實施監(jiān)控并自動獲取、存儲每個學生的關鍵實驗數(shù)據(jù)和反映其現(xiàn)場實驗狀態(tài)的行為數(shù)據(jù)。實驗結束后,教師既可以看到上述全部的原始數(shù)據(jù),也可以看到計算機按照預先設定的數(shù)據(jù)關聯(lián)形成的階段評價,幫助教師發(fā)現(xiàn)班級實驗共性問題、確定是否調整實驗要求或優(yōu)化實驗設計。

圖5 實驗在線管理閉環(huán)系統(tǒng)圖

4.4 系統(tǒng)應用

計算機輔助的正、誤判斷,就像“0”“1”代碼,非此即彼,無中間條件可言。但是系統(tǒng)的服務對象是真實的學生群體,如何應用管理工具達成“所有的管理措施不是為難學生,而是為了幫助學生學得更好、更輕松”的初心,考量的是教師把握評價公平與管理藝術的大智慧。

4.4.1 剛柔并舉的準入制度

對實驗預習提出明確要求,并利用電源智能控制系統(tǒng)落實“實驗準入制”,即實驗現(xiàn)場,計算機自動隨機組成一份包含10道選擇題的預習檢測卷,每題10分；學生答題、提交,系統(tǒng)自動判卷、計分；考不到60分,該實驗臺電源無法接通,該學生原則上不可以進行當次實驗。上述檢測在15 min內完成,以3次為限。其實,學生在宿舍登錄實驗在線共享平臺,是可以無次數(shù)地進行預習檢測的模擬練習,練習的過程就是預習的一部分?？梢?嚴格準入制度的根本目的不是不讓學生做實驗,而是督促學生做好預習。

4.4.2 一視同仁的客觀評價

成績評價關乎學生切身利益,務必獎勤懲懶、體現(xiàn)公平。給予每個學生的評價,都是依據(jù)計算機過程檢測獲取的數(shù)據(jù)(如表1所示),在統(tǒng)一的評價標準模式下獲得的。有2個關鍵環(huán)節(jié)評價的設計給予了足夠的重視。

(1) 預習評價關注熟練。設置了與測試次數(shù)對應的權重,鼓勵做得正確且熟練的學生。具體評分方式為：

第一次提交預習自測,預習分數(shù)=檢測實際得分*1(次數(shù)權重)

第二次提交預習自測,預習分數(shù)=檢測實際得分*0.9(次數(shù)權重)

第三次提交預習自測,預習分數(shù)=檢測實際得分*0.8(次數(shù)權重)。

(2) 現(xiàn)場操作評價關注過程。把反映過程的順序與時間要素納入評價指標,改變僅憑實驗數(shù)據(jù)對錯進行評價的方式。學生上傳數(shù)據(jù)的順序,反映對調試步驟的理解；第一次上傳出錯率高,反映對實驗原理、實驗測試的掌握比較差；實驗測試項目完成的速度,反映實驗熟練程度；綜合上述因素,把完成速度、順序無誤和數(shù)據(jù)正確并列為反映過程質量的最高級別,并設置現(xiàn)場操作評價標準。

在關鍵檢測點數(shù)據(jù)全部上傳、順序無誤和數(shù)值全部正確的學生中,提交時間排序前10名的,現(xiàn)場操作分=100。

在余下的學生中,數(shù)據(jù)全部上傳、順序無誤和數(shù)值全部正確的學生,現(xiàn)場操作分=90。

剩下的學生存在上傳數(shù)據(jù)不全、順序錯誤,以及數(shù)據(jù)錯誤等問題。上傳順序錯誤的,現(xiàn)場操作成績乘以系數(shù)0.8；數(shù)據(jù)缺失-15分/個,數(shù)據(jù)錯誤-10分/個。則現(xiàn)場操作分=90*80%-15*數(shù)據(jù)缺失個數(shù)-10*數(shù)據(jù)錯誤個數(shù)。

4.5 教與學的緊密互動

本過程管理的理念是以學情數(shù)據(jù)為基礎,以實驗教學過程在線管理平臺為支撐,以學情大數(shù)據(jù)分析為核心,形成教學任務設置與學習效果反饋的閉環(huán)系統(tǒng)?；趯虒W全過程的信息收集與分析,了解學生實驗學習狀態(tài),及時對教學內容和方式進行調整,實現(xiàn)教學過程自整定,確保教學大系統(tǒng)的穩(wěn)定。

5 結語

通過軟、硬件的研發(fā)及應用，實現(xiàn)實驗教學過程管理的自鑒系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應用,可以提高過程管理的有效性,并幫助教師收集和利用學情大數(shù)據(jù),優(yōu)化提升實驗教學設計。但再強大的系統(tǒng),都無法替代教師有溫度的口授、身傳,建設人、機優(yōu)勢互補的實驗課堂,需要更多的實踐與發(fā)現(xiàn)。