淺談電工電子智慧實驗室的探索和應(yīng)用

張聲嵐　武斯萌　廖彥淇　江 豪　張烈平　石榮亮　吳 東　

淺談電工電子智慧實驗室的探索和應(yīng)用

張聲嵐武斯萌廖彥淇江 豪張烈平石榮亮吳 東

（桂林理工大學(xué)機械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能化設(shè)備被廣泛應(yīng)用于教學(xué)實踐中，而實驗室作為高校改變傳統(tǒng)教學(xué)方式教學(xué)的重要場所，在建立和增強大學(xué)生科技創(chuàng)作實踐能力和思維創(chuàng)新能力的過程中，智慧實驗室是完成這一目標的重要渠道。文章以《電工電子實驗》課程為例，闡明智慧實驗室在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，以及較傳統(tǒng)實驗室教學(xué)的優(yōu)勢。

電工電子實驗；智慧實驗室；“混合式”教學(xué)

引言

當下，智慧化辦公、智慧化教學(xué)等在高校中已經(jīng)有了一定程度的普及，如何利用智慧化設(shè)備來提高學(xué)生學(xué)習水平，是亟待解決的一個問題。本文著手于智慧實驗室，以提高學(xué)生動手能力，降低教師教學(xué)負擔、簡化實驗室管理為目的，介紹智慧實驗室的使用情況。

以桂林理工大學(xué)電工電子智慧實驗室為例，實現(xiàn)線上資源共享，線下實操訓(xùn)練，形成一種線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式。建立和完善以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為目標的創(chuàng)新實驗室并使之正常運轉(zhuǎn)，不僅僅為學(xué)生的實踐鍛煉提供了物質(zhì)條件，更是給他們創(chuàng)造了一個廣闊的思維空間，其結(jié)果是使學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力得到鍛煉，科學(xué)的工作態(tài)度和創(chuàng)新精神得以培養(yǎng)，參與科學(xué)研究的熱情得到激發(fā)，從而達到創(chuàng)新教育的目的。在高校應(yīng)用型本科生教育中，尤其是以實踐為主的理工科專業(yè)，改變機械式的單一教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生改變傳統(tǒng)思維方式的能力，增強動手實踐的能力，在實際操作中開拓新思路、發(fā)現(xiàn)新技術(shù)，以達到應(yīng)用型本科的教學(xué)目標[1]。

《電工電子實驗》是應(yīng)用型本科教學(xué)中一門最具實踐價值和操作性很強的一門實驗課，它需要將在課堂上掌握的理論知識與課堂外培養(yǎng)的動手能力結(jié)合起來。這些理論知識大都在教室中學(xué)過，但運用到實際項目中卻略顯困難。為解決這一問題，在教學(xué)安排上，可以考慮通過在實驗類課程中的教學(xué)來增進對理論知識的理解并達到完全掌握，智慧實驗室可有效培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)分析與誤差處理的能力，同時得到基本實踐操作技術(shù)和分析能力的訓(xùn)練。

1　電工電子實驗室現(xiàn)狀

實驗室是高等學(xué)校教學(xué)、科研、社會服務(wù)的主要基地，是學(xué)校各項工作的重點。實驗室的建設(shè)須合理規(guī)劃﹐根據(jù)學(xué)科的發(fā)展制定實驗室長期和短期的發(fā)展規(guī)劃與目標，在此基礎(chǔ)之上進行統(tǒng)籌規(guī)劃﹑合理布局，再進行安全措施的設(shè)計建設(shè)[2]。當前，就傳統(tǒng)電工電子實驗室來說，就實驗室管理、實驗室安全、實驗課教學(xué)方法等方面存在以下不足[3]。

（1）實驗室設(shè)備實用性單一，種類多，管理效率低下。傳統(tǒng)實驗室以人工管理為主，主要依靠教師以及實驗室助理長時間的監(jiān)管來完成實驗教學(xué)和日常管理工作。例如：實驗室的門鎖只能由專員開啟，若教師或?qū)嶒炇抑砦茨馨磿r開鎖，將限制需要使用實驗室上課學(xué)生的自由進出。

（2）由于教師及實驗室助理精力有限，以及實驗課程安排的時間和地點是固定的，從而導(dǎo)致非教學(xué)期間實驗資源長期置閑，課余時間學(xué)生想用無處用，資源可用卻沒法用。

（3）實驗設(shè)備復(fù)雜，不易排查安全隱患。對于老舊的實驗設(shè)備，由于電路老化以及實驗?zāi)p，一是做出的實驗數(shù)據(jù)不具參考性，二是實驗過程中相比新設(shè)備更易出現(xiàn)安全問題，威脅實驗人員的人身安全。

（4）實驗室的實驗設(shè)備并不豐富，教師實驗演示時間占據(jù)了大多學(xué)生的實驗環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生動手實驗的時間減少，對學(xué)有余力的學(xué)生無法進行擴展實驗。這樣會導(dǎo)致學(xué)生實驗時間不足，實驗?zāi)芰o法得到提升。

（5）局限于課程安排，實驗教學(xué)內(nèi)容及方法單一，學(xué)生只是臨時模仿，沒有思考問題，只為了完成任務(wù)而完成實驗，不主動預(yù)習和設(shè)計方案，達不到實驗效果[4]。

2　電工電子智慧實驗室中的教學(xué)理念與意義

應(yīng)用型本科自動化專業(yè)非常看重學(xué)生的實踐能力和操作能力。以《電工電子實驗》為例，要將課堂的理論知識與實際實驗操作的實踐相結(jié)合，使學(xué)生更清楚地認識到，理論學(xué)習與實踐操作之間存在的差距[5]。因此，實驗室可作為該專業(yè)學(xué)生的第二課堂。教師在培養(yǎng)學(xué)生時，注重對實驗原理、實驗工具、電路原理圖、操作方法的理解與掌握，通過多種途徑提高創(chuàng)新思維，營造有利于創(chuàng)新型人才發(fā)展的氛圍及壞境，將智慧實驗室應(yīng)用于實驗課程教學(xué)中，對促進學(xué)生探索新事物，改變固有思維，提高創(chuàng)新意識起到潛移默化的作用。

智慧實驗室是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來的，將先進技術(shù)融入高校的教育管理與建設(shè)中，具有先進性、統(tǒng)一性、規(guī)范性、安全性的特點，符合人性化的設(shè)計。實驗室環(huán)境及實驗設(shè)備之間存在泛在感知，可將實驗室內(nèi)環(huán)境情況、實驗數(shù)據(jù)上傳至大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)對實驗室的智能化管理。實行線上線下相結(jié)合的“混合式”教學(xué)，提前在線上開放實驗指導(dǎo)內(nèi)容，實驗過程中對學(xué)生實驗數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控與控制，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對實驗儀器的控制和學(xué)生身份認證，實驗課程后，對實驗數(shù)據(jù)進行處理計算，并對實驗中的難點進行解答，可極大提高學(xué)生在實驗課程中的參與性，增強與教師之間的互動，有助于鞏固知識，增強動手能力，激發(fā)其對科學(xué)研究的積極性，從而達到建設(shè)新時代背景下創(chuàng)新型人才的目的。

3　電工電子智慧實驗室在教學(xué)中的具體實施辦法

每次上實驗課時，可將本實驗課的教學(xué)安排分為三個環(huán)節(jié)，分別為課前預(yù)習環(huán)節(jié)、課中實驗環(huán)節(jié)、課后總結(jié)環(huán)節(jié)。課前預(yù)習環(huán)節(jié)利用已在線上分享的學(xué)習資料，以及實驗課之前理論課老師所講內(nèi)容，對實驗過程及現(xiàn)象有大致了解；課中實驗環(huán)節(jié)，利用智慧實驗室特有的教學(xué)設(shè)備，對所有上課學(xué)生進行覆蓋式教學(xué)；課后總結(jié)環(huán)節(jié)，通過實驗眼APP，將本實驗課后復(fù)習內(nèi)容，發(fā)送到學(xué)生手機上，線上回答，線上審批。下面，本文將以這三個環(huán)節(jié)分別進行詳細說明：

3.1　課前預(yù)習環(huán)節(jié)

（1）在這個環(huán)節(jié)中，學(xué)生依照本節(jié)課的實驗內(nèi)容，提前找資料（該課程會安排在理論課之后），回顧該實驗的原理并查找電路原理圖。

（2）學(xué)生可登錄智慧實驗室聯(lián)動軟件——實驗眼APP，并在該軟件上查看電子版實驗指導(dǎo)書，了解并熟悉所需實驗儀器的使用，記錄所需測量數(shù)據(jù)的類型。

（3）在實驗課前，教師會發(fā)布與該實驗有關(guān)的練習題，學(xué)生的作答情況會通過實驗眼APP反饋給數(shù)據(jù)后臺，方便教師對學(xué)生知識掌握程度做出一定判斷，在課堂上側(cè)重偏弱項進行彌補。如圖1所示。

圖1　課前預(yù)習示例

3.2　課中實驗環(huán)節(jié)

（1）課前十分鐘，學(xué)生可以先對實驗臺、示波器、正弦發(fā)生器等實驗儀器進行熟悉，針對使用方法、使用場景等問題，可向教師提出疑惑并解決。學(xué)生們使用校園卡進行打卡簽到，實驗臺會將打卡數(shù)據(jù)傳給教師端后臺，方便老師統(tǒng)計學(xué)生的出勤率。

（2）教師根據(jù)實驗眼APP后臺答題情況，針對不同學(xué)生進行分門別類進行指導(dǎo)。教師結(jié)合理論知識及相關(guān)器材的演示，幫助學(xué)生解決課前練習題。

（3）學(xué)生以2～3人為一組的小組形式進行組隊，結(jié)合實驗室所給指導(dǎo)書和其他相關(guān)材料，運用課前預(yù)習知識，可嘗試在實驗臺上接線、測量等操作。教師可在教師端，實時監(jiān)控每個實驗臺的狀態(tài)，確保不會發(fā)生意外情況。

（4）教師演示環(huán)節(jié)中，教師通過智慧實驗室特有的錄屏和投影設(shè)備，根據(jù)實驗指導(dǎo)書上的內(nèi)容，對實驗操作方法進行規(guī)范化、標準化，對正確實驗現(xiàn)象、實驗過程進行展示，以確保部分學(xué)生改正錯誤的實驗操作方法，加強實驗的安全性。

（5）教師通過思維引導(dǎo)倡導(dǎo)學(xué)生進行“自主性”“擴展式”實驗，在小團隊內(nèi)通過實驗所得自主設(shè)計擴展式實驗內(nèi)容，仿真并判斷實驗現(xiàn)象，記錄每一組實驗的數(shù)據(jù)，培養(yǎng)團隊的合作精神。小組成員將實驗內(nèi)容上傳至數(shù)據(jù)后臺，教師擇優(yōu)進行實驗講解。如圖2所示。

圖2　課中實驗示例

3.3　課后總結(jié)環(huán)節(jié)

（1）課后，學(xué)生優(yōu)先提交電子版實驗報告，內(nèi)容包括：實驗原理、實驗用具、電路原理圖、實驗方法、實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)、實驗結(jié)論。通過實驗內(nèi)容可以加深課本中所含概念、曲線圖的理解，以便將實驗過程具體化。

（2）教師根據(jù)學(xué)生上傳的實驗報告，可通過平臺進行大數(shù)據(jù)匯總，針對報告中的較弱項，進行循環(huán)完善。根據(jù)實驗臺上傳到教師端的打卡數(shù)據(jù)，以及實驗報告的提交結(jié)果，對不符合教學(xué)指標的學(xué)生，進行提醒并幫助其解決相關(guān)問題。

（3）學(xué)生將《電工電子實驗》課程中每次的實驗報告上傳至實驗眼APP，教師根據(jù)每次的實驗情況，對不同情況的學(xué)生進行針對性指導(dǎo)，從各個方面考察學(xué)生對知識的理解程度，判斷該學(xué)生對新知識的理解能力，引導(dǎo)學(xué)生對所遺漏的知識進行彌補性學(xué)習，增強其自我思考問題的能力。

4　電工電子智慧實驗室實踐教學(xué)結(jié)果

4.1　實驗課程實施效果

（1）預(yù)習環(huán)節(jié)：由于實驗課程與理論課程之間存在一段時間的間隔，增加這一環(huán)節(jié)，可保證學(xué)生對知識理解的完整性，既能鞏固學(xué)生對知識的掌握程度，又能減輕教師上實驗課時的負擔。

（2）實驗課中環(huán)節(jié)：此環(huán)節(jié)解決了之前教學(xué)過程中存在的演示環(huán)節(jié)過多占用學(xué)生實驗時間以及學(xué)生課上對實驗設(shè)備不熟悉、不了解的問題，增強了實驗課中教師與學(xué)生之間的相互交流。實現(xiàn)了學(xué)生和教師在實驗過程中的多種互動，包括文字、語音和視頻等多種互動方式，增加了師生之間的互動，同時也方便了教師實時地記錄每個學(xué)生的實驗表現(xiàn)，避免課后遺忘[6]。

（3）實驗結(jié)果：為確保實驗數(shù)據(jù)的真實性，數(shù)據(jù)后臺會配合實驗臺的操作系統(tǒng)對學(xué)生提交的實驗報告進行智能化處理，對學(xué)生提交的實驗結(jié)果進行判斷，實現(xiàn)系統(tǒng)自動查重的功能?？山档蛯嶒灁?shù)據(jù)雷同的狀況，減輕教師批改時遇到的困難，方便教師對學(xué)生水平做出判斷。

（4）預(yù)約系統(tǒng)：為了充分利用實驗室資源，方便學(xué)生自行安排實驗時間，避免教師因出差等原因?qū)嶒炇也豢捎矛F(xiàn)象。同時保證原有的實驗安排不被影響的情況下。學(xué)生可根據(jù)自己的時間網(wǎng)上預(yù)約實驗室，教師在確定無誤后，同意預(yù)約請求，以此提高實驗室的利用率。如圖3所示。

圖3 實驗室預(yù)約系統(tǒng)示例

（5）實驗過程的監(jiān)測與回放：利用智慧實驗室里空氣中的一個監(jiān)測與回放系統(tǒng)，對整個實驗過程和各個實驗環(huán)境都做到了全方位的監(jiān)測與預(yù)警。通過在辦公室內(nèi)的視頻大熒光屏可以采取固定和輪播等多種形式，對實驗室內(nèi)所有學(xué)生的各種實驗操作過程進行實時的監(jiān)控，確保學(xué)生在實驗過程中操作規(guī)范，以防實驗事故等問題的發(fā)生。

4.2　教學(xué)方法建設(shè)成效

將教學(xué)方法由“照搬式”改變?yōu)椤盎旌鲜健?，在線上，結(jié)合各類教學(xué)資源，對學(xué)生的學(xué)習情況進行考察；線下，老師演示并且結(jié)合實操，鞏固知識的完整性。

在師資隊伍、教學(xué)方式方法、實踐教材建設(shè)、管理制度和考核體系進行優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生具有從事相關(guān)專業(yè)的必備素質(zhì)和職業(yè)“關(guān)鍵能力”，為以后的進一步學(xué)習或就業(yè)打下堅實的實踐動手能力基礎(chǔ)。對此，《電工電子實驗》課程形成一套完整的流程：課前預(yù)習理論知識——完成線上預(yù)習題——反饋預(yù)習數(shù)據(jù)——熟悉實驗器材——個性化指導(dǎo)——團隊討論設(shè)計方案——教師演示——提交電子實驗報告——跟蹤學(xué)習進度，為培養(yǎng)應(yīng)用性、創(chuàng)新性人才奠定基礎(chǔ)。

學(xué)生在課堂上的參與性增強，與團隊的合作中，節(jié)約實驗前的準備時間，并且組內(nèi)成員相互觀察，既加深實驗過程的操作流程，又降低實驗事故的發(fā)生率。實驗是建立在理論知識基礎(chǔ)之上的，這不僅需要對理論知識的掌握，更需要對實驗設(shè)備及電路原理的理解足夠深刻[7]。

4.3　智慧實驗室在教學(xué)上的優(yōu)勢

對學(xué)生來說，使用智慧實驗室上課，可以激發(fā)學(xué)生探索未知事物的興趣；免去復(fù)雜的實驗操作流程；全程參與教師演示環(huán)節(jié)，對存在疑惑的地方可及時解決；鞏固課堂知識，將理論知識與實際操作聯(lián)系起來；以小組形式參與實驗課，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力；實驗室資源得到合理利用，為非上課期間想用實驗室的同學(xué)提供便利條件；同時可最大程度避免安全事故的發(fā)生。

對教師來說，時間分配上更加明細，針對普遍存在的難點疑點，側(cè)重解決；對學(xué)生實驗操作過程實時監(jiān)測和控制，防止學(xué)生的人身安全出現(xiàn)意外，確保實驗用具的安全性；USB攝像頭用來監(jiān)控實驗室內(nèi)的情況，還可以拍照保存學(xué)生的實驗結(jié)果，方便老師遠程或者其他時間做出評價；使用電子版實驗報告，可免去紙質(zhì)報告不易存放、批改等問題，并對學(xué)生的報告數(shù)據(jù)進行整合統(tǒng)計，方便教師進行統(tǒng)一處理；對學(xué)生提出的問題，客觀試題可自動評判，主觀試題人工評判，提高教學(xué)管理效率；對已批閱的實驗報告，后臺進行匯總整理，教師可自行導(dǎo)出期末成績分數(shù)表格[8]。

在實驗室管理層面上，使用智慧實驗室，方便學(xué)生在課堂之外進行實驗室預(yù)約，使實驗室資源能夠得到充分利用，避免出現(xiàn)“想用無處用，可用卻沒法用”的浪費現(xiàn)象；通過對實驗過程的監(jiān)管，可以排查出實驗結(jié)果有誤的學(xué)生，對這些學(xué)生專門化管理，調(diào)取實驗過程回放視頻，還原實驗過程，對學(xué)生的差錯進行彌補或展示；在安全排查上，實驗室后臺記錄每個實驗臺的使用記錄和使用狀態(tài)，在使用者發(fā)現(xiàn)安全故障時，可及時停止實驗臺的運行，并通知維修人員進行維修；管理員遠程斷電，智能電源控制系統(tǒng)自動斷電正常工作；實現(xiàn)資源共享，除自動化專業(yè)外，其他專業(yè)同樣會使用智慧實驗室，但每個專業(yè)教學(xué)方法不同，資源共享后，可查看其他專業(yè)實驗時的數(shù)據(jù)，以此來調(diào)整教學(xué)方式，適應(yīng)學(xué)生學(xué)習。只有從時間上、空間上、實驗人員上、指導(dǎo)老師上、創(chuàng)新項目上共同實現(xiàn)協(xié)調(diào)開放，結(jié)合人性化的措施，才能更好地培養(yǎng)學(xué)生協(xié)同工作及創(chuàng)新的能力[9]。

5　結(jié)束語

本文闡述的智慧實驗室，是基于當下科技發(fā)展水平以及教學(xué)需求，為減輕教師教學(xué)中的負擔、提高學(xué)生學(xué)習效率以及實驗設(shè)備的利用率而應(yīng)運而生的。通過學(xué)?，F(xiàn)有的智慧實驗室的使用以及觀察，得出以上教學(xué)方法的改進以及運行結(jié)果的描述。智慧實驗室的建設(shè)是一項復(fù)雜且艱巨的工程，這項工程需要學(xué)校的正確策劃和學(xué)生的積極實踐配合。在建設(shè)過程中還需貼合實際，緊跟教學(xué)方向的主流不斷優(yōu)化實驗室，以適應(yīng)時代發(fā)展帶來變化的要求。

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Discussion on Exploration and Application of Electrical and Electronic Smart Laboratory

With the development of science and technology, more and more intelligent devices are widely used in teaching practice. As an important place to change traditional teaching methods in colleges and universities, the smart laboratory is an important channel to achieve this goal in the process of establishing and enhancing college students' scientific and technological creation practice ability and thinking innovation ability. Taking the course ofas an example, this paper expounds the application of smart laboratory in experimental teaching and its advantages over traditional laboratory teaching.

electrical and electronic experiment; intelligent laboratory; "mixed" teaching

G48

A

1008-1151(2022)01-0182-04

2021-11-17

2020年廣西壯族自治區(qū)桂林理工大學(xué)校級教改項目“ ‘互聯(lián)網(wǎng)+’教育背景下電工電子智慧實驗室建設(shè)路徑的探索與實踐”（2020B18）；2021年廣西高等教育本科教學(xué)改革工程一般項目“基于建構(gòu)主義導(dǎo)向的‘翻轉(zhuǎn)課堂’教學(xué)法在《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用研究與實踐”（2021JGB205）；2020年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程立項項目“ ‘雙萬計劃’背景下《數(shù)字電路》課程混合式教學(xué)模式探索與實踐”（2020JGB208）。

張聲嵐（1984－），女，廣西桂林人，桂林理工大學(xué)機械與控制工程學(xué)院高級實驗師，碩士，研究方向為無線傳感器技術(shù)。