工科實(shí)驗(yàn)課教育控制過(guò)程中的精細(xì)化信息收集與處理

陳眾 張兵兵

摘 要：針對(duì)工科實(shí)驗(yàn)課，本文提出了運(yùn)用虛擬仿真和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”教育模式，使用人工智能技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的全程監(jiān)控，精細(xì)化收集學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的反饋數(shù)據(jù)，構(gòu)建全息化的教育大數(shù)據(jù)，為教學(xué)管理人員的決策提供有效依據(jù)，并提供一個(gè)豐富教育控制論研究和應(yīng)用方法的思路。

關(guān)鍵詞：教育控制論；“互聯(lián)網(wǎng)+”教育；教育大數(shù)據(jù)；人工智能

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2018）19-0024-03

一、引言

教育控制論始于上世紀(jì)60年代初，當(dāng)時(shí)在日臻成熟和完善的控制論、信息論和系統(tǒng)論的影響下，出現(xiàn)了以柏林師范大學(xué)教授H·弗蘭克和前蘇聯(lián)心理學(xué)家蘭達(dá)為代表的研究和發(fā)展教育控制論的力量。其基本思想是運(yùn)用控制論、系統(tǒng)論和信息論的基本原理和方法，分析和研究教育、教學(xué)和教育管理活動(dòng)，以求實(shí)現(xiàn)教育過(guò)程和成果最優(yōu)化，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在我國(guó)也有李誠(chéng)忠、查有梁等研究教育控制論的代表。[1]目前在教育控制論的研究中，大部分還停留在思想、結(jié)構(gòu)或過(guò)程與控制論進(jìn)行類別的階段。例如文獻(xiàn)[2]、[3]分別討論了如何在古文、英語(yǔ)教學(xué)中借鑒控制論的方法。

在教育質(zhì)量把控環(huán)節(jié)，研究者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到學(xué)生信息收集的重要性，但這些研究中都強(qiáng)調(diào)教師在信息收集過(guò)程中的責(zé)任心、時(shí)間和精力付出。而控制論在工業(yè)革命中的巨大成功，是因?yàn)槭褂酶黝惪刂破鞔嫒藖?lái)完成繁瑣重復(fù)的工作，減輕勞動(dòng)量，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的顯著提升。因此，目前教育控制論研究中對(duì)教師提出的更高要求，本質(zhì)是與控制論發(fā)展過(guò)程相悖的。

因此總體而言，教育控制論尚屬一門不成熟的交叉學(xué)科，由于研究方法上的不足，也未取得振奮人心的突破性成果。但技術(shù)的發(fā)展不斷拓展教育的時(shí)間維度和空間維度，給教育發(fā)展帶來(lái)新的契機(jī)和挑戰(zhàn)。特別是以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)，作為一種新的生產(chǎn)力，正在推動(dòng)生產(chǎn)關(guān)系的變革，深刻改變著社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。各類教學(xué)和管理網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在教學(xué)活動(dòng)中，例如圖1中A支路教師的教學(xué)材料系統(tǒng)和慕課體系，B支路的同行評(píng)價(jià)系統(tǒng)，C支路的學(xué)生評(píng)教系統(tǒng)。

本文主要針對(duì)工科實(shí)驗(yàn)課，探討運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，在圖1的D支路有效收集學(xué)生能力的反饋信息，進(jìn)而使用虛擬仿真、人工智能等新技術(shù)來(lái)輔助教學(xué)，減輕教師工作量，同時(shí)將B、C支路的信息收集方式轉(zhuǎn)移到更合理的位置，為教學(xué)質(zhì)量控制提供依據(jù)。論文以《電路》、《MATLAB及應(yīng)用》、《可編程邏輯控制器PLC》等課程為例，來(lái)說(shuō)明反饋信息的收集方法和應(yīng)用過(guò)程。

二、信息反饋環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題

信息反饋是控制論的一個(gè)極其重要的概念。通俗地說(shuō)，信息反饋就是指由控制系統(tǒng)把信息輸送出去，又把其作用結(jié)果返送回來(lái)，并對(duì)信息的再輸出發(fā)生影響，起到控制的作用，以達(dá)到預(yù)定的目的。但目前教學(xué)反饋存在以下問(wèn)題：

1.不準(zhǔn)確信息存在

隨著教育信息化的推進(jìn)，大量高校開始使用各類網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，采集學(xué)生評(píng)教、同行互評(píng)、督導(dǎo)聽(tīng)課等評(píng)價(jià)類數(shù)據(jù)，存在惡意評(píng)價(jià)、應(yīng)付式評(píng)價(jià)、人情評(píng)價(jià)等實(shí)際問(wèn)題，不能正確反映教學(xué)質(zhì)量。例如部分學(xué)生對(duì)教學(xué)嚴(yán)格的教師采用你為難我、我為難你的態(tài)度，從而使部分教師放低了對(duì)學(xué)生的要求，起到反作用。

2.信息內(nèi)容粗獷化

目前的MOOC系統(tǒng)大量收集學(xué)生在線學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、完成習(xí)題數(shù)量、學(xué)生和教師參與教學(xué)互動(dòng)次數(shù)等信息。這一類信息有助于教學(xué)管理方了解慕課的應(yīng)用情況，增強(qiáng)推廣慕課課程的信念，但本質(zhì)上并不能真實(shí)反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。由于監(jiān)督手段的缺陷，依然存在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中的作業(yè)抄襲、代做、人在心不在等問(wèn)題，甚至更為便利（采用開機(jī)刷學(xué)時(shí)、雇人填寫系統(tǒng)定時(shí)提問(wèn)等手段），而處于網(wǎng)絡(luò)隔離后面的老師難以察覺(jué)。

3.信息海量化

教育控制論中將老師類比為控制器，這個(gè)“控制器”，不僅要做控制，還要負(fù)責(zé)收集信息，比較與給定目標(biāo)的偏差，同時(shí)還是一對(duì)多的信息收集和控制模式。由精英化教育轉(zhuǎn)向大眾化教育后，很多課程大班上課，人數(shù)動(dòng)輒上百。如果要控制好每一個(gè)目標(biāo)，老師在各環(huán)節(jié)所需要處理的信息是海量的，老師的責(zé)任心和時(shí)間等精力付出可想而知。

4.信息應(yīng)用局部化

傳統(tǒng)的教學(xué)信息反饋，一般以師生互動(dòng)為主要途徑，通過(guò)作業(yè)批改、平時(shí)測(cè)驗(yàn)和考試等環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)評(píng)估。網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，許多高校已經(jīng)開始嘗試將《大學(xué)英語(yǔ)》等人數(shù)眾多的科目考試，放入到機(jī)房，以減輕老師判斷客觀題的工作量。但這種考試時(shí)才用到計(jì)算機(jī)技術(shù)的方式，只能起到局部減輕教師工作量和對(duì)教學(xué)質(zhì)量提供數(shù)據(jù)評(píng)估，并無(wú)法貫徹在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中。

2013年《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》等一批關(guān)于建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的國(guó)家政策出臺(tái)，實(shí)驗(yàn)課引入了虛擬仿真、VR等相關(guān)技術(shù)來(lái)加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程，但不夠重視原理級(jí)仿真，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程的反饋信息收集和評(píng)估方面工作也做得不多。部分實(shí)驗(yàn)教師因需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力來(lái)學(xué)習(xí)和掌握新的實(shí)驗(yàn)工具，未能有效提高教學(xué)效率，反而產(chǎn)生抵觸情緒，削弱了建設(shè)效果。

三、實(shí)驗(yàn)課的控制論方法應(yīng)用實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)課的主要環(huán)節(jié)為：①實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與準(zhǔn)備；②實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程；③實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢查。本文將討論把控制論中相關(guān)概念融入到這三個(gè)環(huán)節(jié)中，并討論現(xiàn)代信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在三個(gè)環(huán)節(jié)中的具體實(shí)施方案和作用。

1.反饋手段和內(nèi)容精細(xì)化

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”作為一種新型的教育形態(tài)，與傳統(tǒng)教育相比，在教學(xué)組織方式、師生地位、教學(xué)資源應(yīng)用等方面有著很大的不同。尤其是教育大數(shù)據(jù)概念的出現(xiàn)，未來(lái)教育獲得學(xué)生全息數(shù)據(jù)的可能性增大。我們?cè)诠た茖?shí)驗(yàn)課中探索和實(shí)踐部分新方法。包括：

（1）實(shí)驗(yàn)虛擬化

目前虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)可以將實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容（無(wú)論是外觀認(rèn)知類還是模型原理類）完全展現(xiàn)，例如電路原理實(shí)驗(yàn)中，元器件的連接，萬(wàn)用表、示波器等儀表的使用都能在網(wǎng)絡(luò)上虛擬化實(shí)現(xiàn)，而以微分方程形式表達(dá)的元器件動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，也能通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算以曲線、圖表和動(dòng)畫的形式表現(xiàn)出來(lái)。

使用虛擬仿真等技術(shù)可以將實(shí)驗(yàn)過(guò)程的預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的填寫在網(wǎng)絡(luò)上完全實(shí)現(xiàn)，將實(shí)驗(yàn)虛擬化可以使學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前，了解實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，縮短實(shí)驗(yàn)老師在實(shí)驗(yàn)室的講解時(shí)間，并可以使每個(gè)學(xué)生都能夠先行認(rèn)知某些臺(tái)數(shù)較少或占地面積大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作過(guò)程，提高實(shí)際裝置的使用效率。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置網(wǎng)絡(luò)化

使用物理實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟和操作過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化，則需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備進(jìn)行相關(guān)改造。以電路課程為例，實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)用表等儀器需具備通過(guò)有線或無(wú)線的方式將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)的功能。

一個(gè)典型的設(shè)計(jì)思路，就是使用手機(jī)APP或其他便攜設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙連接實(shí)驗(yàn)儀器，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的實(shí)際物理量，最終能夠上傳到后臺(tái)實(shí)驗(yàn)操作界面和數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（3）參數(shù)化設(shè)計(jì)的考核模式

傳統(tǒng)考試系統(tǒng)存在的問(wèn)題是題庫(kù)容量有限，本文提出采用參數(shù)化的思想來(lái)設(shè)計(jì)題目，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：①同一知識(shí)點(diǎn)的考核有若干題目，同一次測(cè)試時(shí)對(duì)不同學(xué)生隨機(jī)發(fā)題；②題干一樣，但其參數(shù)是隨機(jī)生成的，例如題目要求計(jì)算一個(gè)電路結(jié)構(gòu)中的某位置電壓，而題干中電源、電阻、電容、電感等參數(shù)卻是計(jì)算機(jī)在一定數(shù)值范圍內(nèi)隨機(jī)生成的。

由此，每個(gè)學(xué)生在進(jìn)入練習(xí)模式時(shí)，面對(duì)的是不同的題目。從應(yīng)用上來(lái)講，這樣做的好處是學(xué)生必須在清楚了解基本原理或計(jì)算過(guò)程后才有可能完成，從而可以有效應(yīng)對(duì)抄襲作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的行為，以解決虛假性反饋信息進(jìn)入“控制系統(tǒng)”。

（4）反饋信息的精細(xì)化處理

MOOC等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)可以收集學(xué)生登錄時(shí)間、在線學(xué)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)度等信息，也可以通過(guò)題庫(kù)來(lái)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行測(cè)試，但卻沒(méi)有很好地應(yīng)對(duì)學(xué)生的“小技巧”。同時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)效率而言，尤其是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，顯然并非在線時(shí)間越長(zhǎng)越好。

在完成前述實(shí)驗(yàn)虛擬化和實(shí)驗(yàn)裝置網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，可以進(jìn)一步將反饋信息細(xì)化，例如學(xué)生從登錄開始，到進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)或?qū)嵨锊僮鲗?shí)驗(yàn)，到完成提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)間均可以分段記錄，實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)誤與正確過(guò)程均有計(jì)算機(jī)記錄，實(shí)驗(yàn)效率和正確率是有效評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)能力和教師教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵信息。

2.反饋評(píng)價(jià)算法化

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”教育、教育大數(shù)據(jù)、人工智能等教育應(yīng)用理念和技術(shù)的迅速普及，開展了近30年的教育信息化工程，以黨的十九大勝利召開為標(biāo)志開始進(jìn)入教育信息化2.0時(shí)代。[5]教育部副部長(zhǎng)杜占元指出，新時(shí)代背景下要注重教學(xué)的智能化，推動(dòng)教育教學(xué)的深層變革。[6]

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課中，教師經(jīng)常需要對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行檢查，以確定學(xué)生掌握情況。然而實(shí)驗(yàn)過(guò)程步驟多、學(xué)生人數(shù)多，要完全性監(jiān)督每個(gè)臺(tái)次/學(xué)生的掌握情況就要耗費(fèi)指導(dǎo)老師大量的時(shí)間和精力。

目前語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)義分析技術(shù)的進(jìn)步，使人工智能可以自動(dòng)批改作業(yè)，幫助教師從“機(jī)械勞動(dòng)”中解脫出來(lái)，讓教師有更多的時(shí)間和精力關(guān)注教與學(xué)的過(guò)程。因此可采用人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段來(lái)輔助教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)督。這部分工作由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的差異化，人工智能技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)課堂必然存在差異，但也存在相互借鑒價(jià)值，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。

例如在MATLAB這樣的計(jì)算機(jī)編程實(shí)驗(yàn)課中，對(duì)一次動(dòng)輒上百人的上機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢查或完全靠學(xué)習(xí)自覺(jué)性來(lái)達(dá)到教學(xué)目的就有些不切實(shí)際（學(xué)生往往在上機(jī)過(guò)程中瀏覽新聞或做其它事情，從而無(wú)法達(dá)成教學(xué)目標(biāo)）。項(xiàng)目組以類似編譯器的原理開發(fā)了用于自動(dòng)判別學(xué)生在學(xué)習(xí)MATLAB時(shí)提交答案的計(jì)算機(jī)軟件，從基本的賦值語(yǔ)句、矩陣操作到賦值的循環(huán)過(guò)程、自定義函數(shù)等功能，系統(tǒng)采用隨機(jī)出題的方式給使用者就考核內(nèi)容進(jìn)行訓(xùn)練并自動(dòng)判別結(jié)果。

對(duì)PLC控制等邏輯控制過(guò)程，項(xiàng)目組在前期科研項(xiàng)目的積累下，運(yùn)用基于離散事件系統(tǒng)（DES）理論的專利技術(shù)[7]，對(duì)每一個(gè)控制類實(shí)驗(yàn)建立可行狀態(tài)集和異常狀態(tài)集，通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，監(jiān)控學(xué)生發(fā)出的控制事件，比對(duì)正確狀態(tài)鏈，即可判斷操作過(guò)程的正確性。

四、結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)達(dá)學(xué)城副總裁Clarissa Shen 關(guān)于“MOOC已死”的說(shuō)法引起了學(xué)界的廣泛爭(zhēng)論。研究者從MOOC高輟學(xué)率和教學(xué)質(zhì)量層次不齊現(xiàn)象中看到了MOOC逐漸式微的“前兆”。[5]傳統(tǒng)的MOOC形式以大量的在線視頻內(nèi)容為主，學(xué)習(xí)視頻是人們主要的任務(wù)，是為了滿足具有非常強(qiáng)需求的自主學(xué)習(xí)者的要求。高校教育的育人任務(wù)是有教無(wú)類的，教育方式也要針對(duì)被動(dòng)學(xué)習(xí)者。

因此，我們寄希望于通過(guò)大量涌現(xiàn)的新技術(shù)施加于教育教學(xué)過(guò)程，傳統(tǒng)教與學(xué)的各要素就能從“量”的轉(zhuǎn)變走向“質(zhì)”的變革。本文提出的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程可以歸屬于MOOE（大規(guī)模在線開放實(shí)驗(yàn)），強(qiáng)調(diào)通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+”教育、教育大數(shù)據(jù)、人工智能等教育應(yīng)用理念和技術(shù)來(lái)加強(qiáng)高校對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的了解和督促，彌補(bǔ)目前MOOC教學(xué)的某些不足，提升教學(xué)質(zhì)量。

本文提出的反饋信息精細(xì)化和應(yīng)用方法，也為教育控制論研究和應(yīng)用提供了一個(gè)具體思路。

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（編輯：王曉明）