COVID-19 疫情期間高校電工電子實驗教學(xué)條件的多樣性保障

張曉莉，王鳳華，黃慧春，顧玉軍

（東南大學(xué)電工電子實驗中心，南京 211189）

0 引言

2020 年初，新冠肺炎全國蔓延，各高校立即響應(yīng)國家公共衛(wèi)生事件應(yīng)急預(yù)案，延期開學(xué)、控制返校，防止疫情向校園輸入擴散。在嚴峻的疫情背景下，具有實操性、實時性等特點的實驗教學(xué)工作難以開展。省教育廳發(fā)布了《普通本科高校疫情防控期間教育教學(xué)工作的指導(dǎo)意見》，意見中明確指出，各高校要利用好互聯(lián)網(wǎng)資源，結(jié)合自身的實際情況，因地制宜地開展線上教學(xué)。有條件的高校須發(fā)揮示范作用，向兄弟院校提供國家、省精品在線開放課程、線上線下混合式課程、虛擬仿真實驗課程，實現(xiàn)資源共享［2］。

部分仍然依賴傳統(tǒng)實驗教學(xué)平臺的高校顯得難于招架，無法有效地開展實驗教學(xué)工作。而很多原本處于“多平臺多渠道開放實驗環(huán)境”構(gòu)建階段的高校則提前進入了實戰(zhàn)模式，比如南京航空航天大學(xué)［3］、電子科技大學(xué)［4］、中國民航大學(xué)［5］以及我校等。其中，我校很早就開展并完善了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”“翻轉(zhuǎn)課堂”及“遠程在線實驗”［6］等模式的電工電子類實驗教學(xué)平臺建設(shè)，具備在疫情期間開展線上電工電子類實驗教學(xué)的先決條件。

1 疫情期間國內(nèi)高校實驗教學(xué)環(huán)境現(xiàn)狀

1.1 MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

采用MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的高校對比傳統(tǒng)教學(xué)模式，可以有效解決疫情期間授課資源不足，且學(xué)生無法有效開展實驗自學(xué)的問題［7-8］。該教學(xué)模式是依托豐富的MOOC共享課程資源，在課前利用教師分發(fā)的教學(xué)資料自主學(xué)習(xí)課程，然后在課堂上參與同伴和教師的互動完成練習(xí)的一種教學(xué)形態(tài)［9-14］。

學(xué)生可以通過仿真軟件及“個人實驗室”完成自主學(xué)習(xí)?！皞€人實驗室”是一種綜合性的口袋設(shè)備，不受時間場所的限制，隨時隨地可以開展電子技術(shù)實驗。在疫情發(fā)生前，“個人實驗室”已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大高校的電工電子類實驗教學(xué)［15-16］，比如模擬電子電路實驗、數(shù)字邏輯電路實驗（以下簡稱模電、數(shù)電實驗）等等。疫情發(fā)生后，多所高校為學(xué)生提供了“個人實驗室”和FPGA板卡的借用服務(wù)，使得學(xué)生“在家做電路實驗”成為現(xiàn)實。

該教學(xué)模式是疫情期間應(yīng)用效果較好的一種電子類實驗教學(xué)模式，即使處于居家隔離狀態(tài)，學(xué)生依然可以通過仿真軟件設(shè)計優(yōu)化+“個人實驗室”電路搭接的方式完成練習(xí)。然而，整體實施成本過高，不利于全面推廣。并且考慮到學(xué)生在家的不可控性，教師在教學(xué)活動中的參與度不夠，無法真正掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，最終難以達成滿意的教學(xué)效果。

1.2 “互聯(lián)網(wǎng)+”線上線下結(jié)合的教學(xué)模式

總結(jié)目前典型的電工電子類實驗教學(xué)模式的特點，發(fā)現(xiàn)就保障疫情期間師生實驗教學(xué)條件這一點上，需要綜合考慮實施成本、教學(xué)互動、教學(xué)效果等多方面因素。結(jié)合高校實際條件整合各方面的優(yōu)勢資源，完成線上線下的有效融合，盡最大能力滿足教學(xué)效果等效目標。

綜上，在疫情期間中心提出并實施了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”線上線下相結(jié)合的新形態(tài)實驗教學(xué)模式（見圖1）。該模式充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，基于軟件設(shè)計仿真優(yōu)化這“1”種主要的線上實驗形式和“個人實驗室”、在線實境實驗、線下綜合實驗室這“3”種實物實驗平臺（見圖2），通過多人實時會議軟件實施網(wǎng)課，完成整個實驗教學(xué)過程。

圖1 “互聯(lián)網(wǎng)+”線上線下結(jié)合的實驗教學(xué)模式

圖2 “1 +3”實驗教學(xué)形態(tài)

該模式既能保障疫情期間實驗教學(xué)工作能夠正常開展，又能避免學(xué)生因長期使用仿真軟件學(xué)習(xí)電子類實驗所造成的認知偏差。教學(xué)實施過程靈活多樣，實驗渠道共享開放。

2 實驗教學(xué)環(huán)境保障具體實施

2.1 整體思路

立足“互聯(lián)網(wǎng)+”線上線下結(jié)合的實驗教學(xué)模式，為保障每個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的有效進行，以2019-2020學(xué)年度春學(xué)期的模電實驗和數(shù)電實驗教學(xué)為例，對于疫情期間關(guān)于教學(xué)條件保障方面的整體實施思路，如圖3 所示。

圖3 疫情期間電工電子類實驗教學(xué)環(huán)境保障整體思路

在居家隔離和復(fù)學(xué)返校這兩個階段，教學(xué)環(huán)境保障工作的側(cè)重點略有不同：①學(xué)生居家期間主要通過軟件設(shè)計仿真與“個人實驗室”、在線實境實驗相結(jié)合的方式開展線上網(wǎng)課實驗學(xué)習(xí)。這個階段本單位的重點工作在于通過教學(xué)保障、在線答疑、實驗管理、技術(shù)維護等形式確保線上實驗教學(xué)活動的平穩(wěn)運行；②返校后在滿足疫情防控要求的大前提下，可遵循以線下為主，線上為輔的實驗教學(xué)原則，綜合各自的優(yōu)勢，靈活安排。這個階段需要將疫情防控作為工作的重中之重，合理安排設(shè)備、耗材的維修、供應(yīng)，合理規(guī)劃實驗授課環(huán)節(jié)及驗收計劃，并做好應(yīng)急預(yù)案。

2.2 實施前準備

在實驗網(wǎng)課開課前1 個月，教研組對本學(xué)期的模電、數(shù)電實驗內(nèi)容及教學(xué)計劃作了適時的調(diào)整。一方面是為了匹配理論課程的進度；另一方面，面對因疫情防控而導(dǎo)致的返校時間點不斷被調(diào)整的現(xiàn)實，在居家隔離期間既要保障實驗教學(xué)正常有序開展，又要盡量達成實驗教學(xué)目的這兩者之間反復(fù)取舍，做了大量的推演、預(yù)案，最后總結(jié)出合理的實驗教學(xué)計劃及施教指南，以期達到教學(xué)質(zhì)量等效的目的。

在確定了教學(xué)計劃的同時，本單位也統(tǒng)一了實施教學(xué)活動的主要平臺，包括授課軟件以及線上實驗依托的仿真、實物實驗平臺。在正式開課前，需要任課教師主導(dǎo)學(xué)生完成實驗教學(xué)環(huán)境相關(guān)的基本檢查工作，如表1 所示，按照硬件/網(wǎng)絡(luò)環(huán)境檢查→多人實時會議軟件安裝檢查→仿真軟件安裝檢查→個人實驗箱及附件確認的檢查流程，在開課前做好環(huán)境測試，確保實驗網(wǎng)課能夠順利地開展。

表1 電工電子類實驗開課前檢查項及標準

2.3 線上教學(xué)、多平臺實驗

學(xué)生居家隔離期間，實驗教學(xué)的主要形式為線上網(wǎng)課教學(xué)，實驗以仿真軟件為主，多個實物實驗平臺作為輔助學(xué)習(xí)補充。

以模電、數(shù)電實驗教學(xué)為例，指導(dǎo)老師在課前布置實驗預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生可通過MOOC 或班級QQ 群獲取教學(xué)參考資源，通過仿真軟件、“個人實驗室”、在線實境實驗等平臺完成預(yù)習(xí)預(yù)搭。課上師生通過“騰訊會議”完成教學(xué)互動（內(nèi)容講解、答疑），學(xué)生通過共享屏幕或者提交錄屏視頻的方式向老師展示實驗電路，并按要求完成驗收。之后學(xué)生自行整理預(yù)習(xí)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、實驗總結(jié)等過程作為實驗報告內(nèi)容，及時提交至統(tǒng)一的電子報告平臺。針對有“個人實驗室”的院系學(xué)生，安排期末線上考試。

總結(jié)這個階段本單位的教學(xué)條件保障工作，主要體現(xiàn)在：

（1）網(wǎng)課教學(xué)環(huán)境保障。由于使用騰訊會議作為授課媒介，為保障實驗網(wǎng)課的正常進行，指導(dǎo)老師需要在課前做好冗余備份，確保課程不中斷。教師可自行準備機器登錄備用賬號，或使用本單位提供的臺式機。

（2）“個人實驗室”設(shè)備保障。在開課前1 周，安排并完成一個電類院系共計167 位學(xué)生的設(shè)備免費借用服務(wù)。通過供貨商和本單位工作人員的共同努力，分批次、共計耗費13 d將所有設(shè)備寄送到了109 個省市自治區(qū)的學(xué)生家中，一并寄出的還有實驗需要用到的一些耗材附件。這部分同學(xué)在家就能完成實物電路的搭接調(diào)試操作，并通過在線共享視頻或提交離線視頻作業(yè)的方式反饋給指導(dǎo)教師驗收。

（3）實驗平臺日常維護。組織、安排包括“個人實驗室”、在線實境實驗平臺、電子報告系統(tǒng)在內(nèi)的多個實驗平臺系統(tǒng)的日常維護工作，包括實驗資源分配，入門指導(dǎo)、在線答疑及后臺服務(wù)器設(shè)備維護等。

（4）在線實境實驗平臺對外開放。聯(lián)合服務(wù)商為不能返校上課的學(xué)生提供免費的在線實物實驗教學(xué)服務(wù)平臺—“東南在線實驗”。該平臺通過微信公眾號、QQ群等渠道為使用者提供入門指導(dǎo)及在線幫助，目前已開放的課程有“電路實驗”“模擬電子電路實驗”和“數(shù)字邏輯電路實驗”。其他院校的師生也可以申請賬號使用，達成教學(xué)資源共享目的。

（5）線上考試保障。提前制定并演練期末線上考試的具體實施細則，安排教室及考務(wù)人員，測試相關(guān)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)等。正式考試時，監(jiān)考教師使用“騰訊會議”監(jiān)察學(xué)生的實時狀況，并對考試全程錄屏存檔。

2.4 線下為主、結(jié)合線上

學(xué)生返校后，采取以線下驗收為主、結(jié)合線上的方式開展電子類實驗。和居家隔離期間一樣，實驗授課可以充分利用MOOC 資源，結(jié)合線上線下的不同優(yōu)勢、合理安排。根據(jù)實際情況合理安排實驗室資源，分批次分時段開展實物驗收。

（1）設(shè)備耗材補充領(lǐng)取。釋放“個人實驗室”庫存，惠及更多的學(xué)生。待補發(fā)元器件及連接線等耗材的學(xué)生，須在指定的時間范圍內(nèi)于室外過道大廳間隔1 m排隊領(lǐng)取物品，嚴格控制人流密度。

（2）學(xué)生自助領(lǐng)用設(shè)備耗材。確保各實驗室內(nèi)，每一種儀器設(shè)備、附件（探頭、開路電纜等）、芯片器材等有必要的備份。

（3）專員值班，防控任務(wù)落實到人。每日8：00～17：00 開啟各實驗室門窗透風；在每日21：00 前完成對每個教室講臺的消毒工作；每日21：00 到次日7：00每個教室開啟紫外線消毒燈（確保學(xué)生不在場）。

（4）合理安排實驗教學(xué)。交叉安排座次、單人單組實驗。確保每位實驗者的操作面積不少于5 m2；實驗過程中全程通風、全員佩戴口罩，注意相互防護，確保安全；線下分批驗收，結(jié)合線上驗收（共享屏幕或錄屏視頻），靈活機動。

3 實施效果

3.1 教學(xué)條件保障達成情況

在整個2019-2020 學(xué)年春學(xué)期學(xué)生居家隔離期間，模電、數(shù)電實驗網(wǎng)課教學(xué)活動中，學(xué)生整體出勤率高達99%，課內(nèi)實驗驗收率超過90%，使用統(tǒng)一實驗管理平臺提交電子報告的同學(xué)也超過了90%。

以本學(xué)期參與實驗教學(xué)的7 個院系共計1 456 個學(xué)生作為樣本，統(tǒng)計學(xué)生對各實驗平臺的實際使用情況，結(jié)果呈現(xiàn)多樣性（見圖4）。①從結(jié)果上看，電路仿真軟件使用率最高，其使用不受場地和時間的限制，是疫情期間的主要實驗平臺；②“個人實驗室”實驗教學(xué)效果很好，但因投入成本問題，疫情期間只能滿足一部分院系學(xué)生的需求；③在線實境實驗平臺作為輔助的實物實驗教學(xué)平臺，目前已能正常開展模電、數(shù)電實驗及電工學(xué)實驗等課程的教學(xué)。但是本學(xué)期本單位主要還是針對模電實驗課程使用，沒有將該平臺的價值最大化。課程實際參與使用的學(xué)生占比數(shù)令人滿意，但仍未達到飽和，這和平臺的建設(shè)成熟度以及學(xué)生的實驗積極性正相關(guān)。④受條件所限，還是有大部分的學(xué)生沒有通過實際硬件電路搭接完成電路實操學(xué)習(xí)。待恢復(fù)線下教學(xué)后，應(yīng)組織對這部分同學(xué)補充實操內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

圖4 教學(xué)條件保障達成度

3.2 師生滿意度

在實施保障的過程中，就實施效果對1 個教學(xué)班級共30 個學(xué)生展開了問卷調(diào)查，結(jié)合“東南在線實驗使用問卷調(diào)查”的結(jié)果，從多個維度統(tǒng)計了針對本學(xué)期模電、數(shù)電實驗教學(xué)條件保障的師生滿意度情況。

如圖5 所示，師生對于疫情防控達成度、實驗平臺的多樣性均表示了肯定；但溝通效率變低，負擔加重也是共識。而對于教學(xué)目的達成度，學(xué)生和老師從各自的角度則表達不同的意見。由于在線實驗教學(xué)的特殊性，教研組對于模電、數(shù)電實驗內(nèi)容的難度、深度均有不同程度地調(diào)節(jié)。從學(xué)生角度看，降低實驗難度對學(xué)生的自信心有一個促進作用。另外，由于大部分實驗都是使用仿真軟件完成，大大減少了硬件電路容易出現(xiàn)的功能問題，整體實驗的完成難度有降低。但是對于教師而言，很多知識點無法通過虛擬仿真的形式讓學(xué)生感知，較為遺憾。

圖5 師生滿意度總覽

而“東南在線實驗”平臺的滿意度統(tǒng)計結(jié)果（圖6），也說明了該實驗平臺自上線以來得到了校內(nèi)外師生的普遍認可。

圖6 在線實境實驗滿意度調(diào)查

4 總結(jié)與展望

本文列舉了新冠肺炎疫情期間在保障電工電子類實驗條件環(huán)境方面所做的工作，體現(xiàn)了立足于“互聯(lián)網(wǎng)+”線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，圍繞“1 +3”實驗教學(xué)形態(tài)開展實驗教學(xué)環(huán)境保障工作的思路。

實踐表明在疫情暴發(fā)前就已經(jīng)具備了在線實驗教學(xué)的能力，“個人實驗室”及在線實境實驗有效地彌補了仿真軟件的不足。而多樣性保障措施，有效地支撐了各實驗平臺的有效運行。其中應(yīng)用經(jīng)驗，在目前疫情未完全解除并且將防控作為常態(tài)化工作的大背景下，對沒有全面開展電工電子類實驗教學(xué)工作的兄弟院校有很大的共享經(jīng)驗價值。

總結(jié)本學(xué)期對于實驗教學(xué)條件的保障工作，應(yīng)立足已發(fā)現(xiàn)的問題，揚長避短?？梢詫⒁延械慕?jīng)驗形成規(guī)范，在保障疫情防控這一大前提下，有效降低師生的工作量投入，提高師生的教學(xué)達成度及滿意度。

高校電工電子實驗教學(xué)的發(fā)展不應(yīng)只在疫情等特殊情況發(fā)生的時候才開始有新的思考，而應(yīng)堅持不懈地著力于學(xué)生的培養(yǎng)以及實驗教學(xué)的建設(shè)［17］。以此為契機，應(yīng)大力推動信息技術(shù)與實驗教育教學(xué)深度融合，改進實驗教學(xué)方法，深入推進實驗教學(xué)改革［2］。