基于新一代信息技術(shù)在智慧實訓(xùn)教學(xué)改革的應(yīng)用研究

楊桂珍

【摘要】當(dāng)前，對于廣大高校學(xué)生特別是計算機、通信、自動化、電子類等理工科專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，教學(xué)計劃中除了理論課程還有大量實驗實訓(xùn)課程，為滿足此類人才需求量越來越多，招生規(guī)模不斷擴大的辦學(xué)需求，針對高校實驗實訓(xùn)設(shè)備不足、時空有所限制、過程缺乏跟蹤監(jiān)控手段等現(xiàn)狀，探討通過新一代信息技術(shù)手段解決實驗實訓(xùn)教學(xué)效率與教學(xué)質(zhì)量的問題，開發(fā)涵蓋數(shù)字教材、數(shù)字課堂、智慧實訓(xùn)、教學(xué)評價在內(nèi)的一站式平臺解決方案，實現(xiàn)覆蓋課前、課中、課后實驗實訓(xùn)跟蹤、教學(xué)互動、教學(xué)質(zhì)量評價的全流程實訓(xùn)教學(xué)過程管理，更好地提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】智慧實訓(xùn);信息化平臺;教學(xué)改革

近年來，廣大高校積極響應(yīng)國家政策號召，大力推動校內(nèi)教育信息化建設(shè)，促進信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，充分利用信息技術(shù)優(yōu)化人才培養(yǎng)模式和改革教學(xué)方法，逐步實現(xiàn)信息化教學(xué)受益面的師生全覆蓋，開展信息技術(shù)支撐下的教育治理能力優(yōu)化行動，推動計算機互聯(lián)網(wǎng)信息化手段服務(wù)教育教學(xué)全過程。

針對高校實驗實訓(xùn)過程中存在的問題，提出通過建設(shè)智慧實驗實訓(xùn)平臺，利用以云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)為代表的信息化手段創(chuàng)新改革實驗實訓(xùn)教法，實現(xiàn)實訓(xùn)教學(xué)全程信息化管理，實現(xiàn)“做中學(xué)、學(xué)中做、邊做邊學(xué)、邊學(xué)邊做”的教學(xué)模式改革，提升實驗實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐動手能力。

一、現(xiàn)狀分析

基于對現(xiàn)階段高校計算機、通信、自動化、電子等工程類專業(yè)實訓(xùn)課程的現(xiàn)狀分析，當(dāng)前實驗實訓(xùn)教學(xué)存在以下困難：

（1）實驗實訓(xùn)設(shè)備不足

受學(xué)校固定資產(chǎn)規(guī)劃、學(xué)生人數(shù)規(guī)模等客觀辦學(xué)條件影響，高校實驗實訓(xùn)設(shè)施設(shè)備容量有限，僅能滿足本?；镜慕虒W(xué)安排要求，難以通過純線下實訓(xùn)的方式提高實踐教學(xué)比例。

（2）實驗實訓(xùn)的時間空間受限

線下實驗實訓(xùn)教學(xué)必須要到校內(nèi)專用場地內(nèi)實施，依賴校內(nèi)設(shè)施設(shè)備，因上述設(shè)備限制等原因，對教務(wù)排課等教學(xué)安排的要求也較高。

（3）過程缺乏跟蹤監(jiān)控手段

按照當(dāng)前教學(xué)模式，實驗實訓(xùn)課程的結(jié)果評價以最終作業(yè)或作品評定為主，缺乏對學(xué)生實操過程的全方位跟蹤監(jiān)控與教學(xué)指導(dǎo)。

二、基于新一代信息技術(shù)探索智慧實訓(xùn)教學(xué)改革

1.智慧實訓(xùn)教學(xué)改革構(gòu)想

建設(shè)智慧實驗實訓(xùn)平臺，通過信息化手段創(chuàng)新改革實驗實訓(xùn)教學(xué)方法，實現(xiàn)全程信息化管理的實驗實訓(xùn)教學(xué)，其建設(shè)與應(yīng)用將有效促進工程類，尤其是程序設(shè)計類課程的遠程線上教學(xué)，教師能夠更加緊密地圍繞該類課程群建設(shè)，以專業(yè)知識為建設(shè)模塊、以應(yīng)用技能為建設(shè)導(dǎo)向，構(gòu)建實驗教學(xué)項目庫，加強數(shù)字教材、數(shù)字課堂建設(shè)，實現(xiàn)線上教學(xué)資源的開放共享。學(xué)生則通過智慧身份認證更加注重學(xué)習(xí)過程，杜絕了學(xué)習(xí)中斷、找人代替等情況的發(fā)生。在大學(xué)生掌握專業(yè)骨干課程內(nèi)容基礎(chǔ)上開展的崗位實踐能力教育，不影響學(xué)校正常教學(xué)活動，又能達到培養(yǎng)“理論扎實、實踐過硬”高級應(yīng)用人才的培養(yǎng)目標[1]。同時，運用多元化評價機制激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生能夠根據(jù)自身專業(yè)知識能力提升需求完成課程考核，有效促進遠程線上教育的開展。

2.實訓(xùn)平臺模塊設(shè)計

智慧實訓(xùn)教學(xué)平臺劃分為3個功能模塊：教務(wù)管理平臺、教師教學(xué)平臺、學(xué)生實訓(xùn)平臺。（見下頁圖1）

（1）教務(wù)管理平臺的功能模塊設(shè)計：

a）權(quán)限管理

可管理維護賬號權(quán)限，可設(shè)置用戶的角色權(quán)限，包含子功能：查詢數(shù)據(jù)、添加用戶、修改用戶信息、刪除用戶、設(shè)置角色、查看全部數(shù)據(jù)。需包括的數(shù)據(jù)項：用戶名、姓名、用戶角色、狀態(tài)、用戶類型?？上螺d導(dǎo)入模板，可批量導(dǎo)入教師數(shù)據(jù)。

b）基本配置

可配置維護院系、專業(yè)、課程的基礎(chǔ)信息?？膳繉?dǎo)入院系、專業(yè)、課程基礎(chǔ)信息。

c）課程資源管理

可添加教材，可錄入實訓(xùn)課程的PPT課件、實訓(xùn)任務(wù)、課程習(xí)題等。

d）班級管理

可維護管理實訓(xùn)班級信息、學(xué)生信息，可查看學(xué)生實訓(xùn)報告。

（2）教師教學(xué)平臺的功能模塊設(shè)計：

a）智慧課堂：支持教師開展現(xiàn)場授課、遠程授課，支持教師布置課程預(yù)習(xí)任務(wù)、隨堂練習(xí)、課后實驗實訓(xùn)任務(wù)。包括的子功能：我的班級、開始上課、班級活躍排行榜，可下發(fā)課件、布置隨堂練習(xí)、布置實訓(xùn)任務(wù)等。

b）教學(xué)互動：支持開展課堂搶答，支持在線答疑，可設(shè)置精選問答，可查詢學(xué)生答卷等。

c）統(tǒng)計空間：可查看各班級的預(yù)習(xí)統(tǒng)計情況、問答統(tǒng)計情況、習(xí)題統(tǒng)計情況、實訓(xùn)統(tǒng)計情況等。

（3）學(xué)生實訓(xùn)平臺的功能模塊設(shè)計：

a）學(xué)生登錄：包括登錄本地及遠程實驗實訓(xùn)環(huán)境，支持“本地實驗”和“遠程實驗”模式?？蛇x擇“遠程實驗”模式，直接登錄到遠程實驗環(huán)境做實驗實訓(xùn)，一鍵登錄到遠程云端實驗實訓(xùn)環(huán)境，隨時隨地做實驗，提升實驗實訓(xùn)教學(xué)的效率。也可選擇“本地實驗”模式，使用本地電腦做實驗實訓(xùn)。

b）我的實訓(xùn)：支持查看教師分配的實訓(xùn)任務(wù)，點擊“開始實訓(xùn)”，進入實訓(xùn)界面?？刹榭磳嵱?xùn)任務(wù)名稱、實訓(xùn)目標、實訓(xùn)環(huán)境要求、實訓(xùn)內(nèi)容、實訓(xùn)附件文檔。點擊繼續(xù)實訓(xùn)，可進入向?qū)降膶嵱?xùn)任務(wù)界面，左側(cè)顯示實訓(xùn)步驟，右側(cè)顯示實訓(xùn)步驟的具體內(nèi)容，點擊提交實訓(xùn)步驟，則自動依據(jù)平臺教師設(shè)定的實訓(xùn)規(guī)則，檢測學(xué)生是否已經(jīng)按要求完成了實驗實訓(xùn)步驟的內(nèi)容。支持自動截取實訓(xùn)過程的關(guān)鍵步驟截圖。支持自動生成實驗實訓(xùn)報告書。

c）我要預(yù)習(xí)：需支持學(xué)生在線預(yù)習(xí)的功能，支持PPT課件、視頻課件，增強課堂效果。

d）我的題庫：需支持學(xué)生在線做習(xí)題，鞏固課程的學(xué)習(xí)效果。

e）我的提問：需支持學(xué)生在線提問，需支持上傳文檔附件、截圖、視頻，學(xué)生端需自帶截圖功能、一鍵視頻錄制的功能，需支持靜音錄屏、錄音錄屏的錄制模式，方便學(xué)生操作。

f）精選問答：教師精選的問答記錄，可共享給班級學(xué)生查看，提升教學(xué)資源利用率。

g）我的答卷：支持查看我的答題記錄，支持按教材名稱、試卷名稱、教師名稱查詢。

h）系統(tǒng)設(shè)置：可設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，包括：附件下載的臨時目錄，錄制視頻的臨時存放目錄。

3.新模式實訓(xùn)教學(xué)的特色

（1）支持多終端數(shù)據(jù)互通

教師WEB端/PC端、學(xué)生WEB端/PC端、學(xué)校管理員WEB端數(shù)據(jù)互通，充分利用各類型設(shè)備資源實現(xiàn)課前、課中、課后教學(xué)無縫銜接，全面突破時間空間限制，學(xué)生可通過不同設(shè)備隨時隨地做實驗實訓(xùn)。

（2）支持遠程環(huán)境做任務(wù)

通過線上遠程服務(wù)器，提前配置好虛擬實驗環(huán)境供學(xué)生使用，并支持通過WEB瀏覽器方式直接遠程訪問云端平臺，學(xué)生可以使用任意一臺電腦進行實訓(xùn)。

（3）支持線上互動評價

系統(tǒng)內(nèi)置一鍵截圖、一鍵錄屏工具等，方便師生溝通，支持自動生成實驗實訓(xùn)報告，自動批改功能輔助判斷實驗實訓(xùn)步驟的結(jié)果，學(xué)生在線提交心得總結(jié)，教師批改反饋，學(xué)生可查看教師批改結(jié)果及評價反饋記錄。

（4）支持信息化教務(wù)過程管理

依據(jù)課前預(yù)習(xí)數(shù)據(jù)、實驗實訓(xùn)過程數(shù)據(jù)、習(xí)題完成數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可自動生成課程成績，平臺界面可一鍵導(dǎo)入導(dǎo)出學(xué)習(xí)軌跡與評估報告，全過程信息化管理，動態(tài)留痕，教師和教務(wù)管理人員可實時有效監(jiān)督學(xué)生學(xué)習(xí)進度，包括跨周跨月實驗實訓(xùn)任務(wù)，方便監(jiān)督及指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，教務(wù)工作較傳統(tǒng)模式更為經(jīng)濟高效，實現(xiàn)無紙化便捷管理。

4.教學(xué)改革實施步驟

（1）需求調(diào)研

實驗實訓(xùn)資源的整合不是簡單的結(jié)合，而是資源的有機融合，其本質(zhì)是資源共享，實現(xiàn)資源的最大化利用[2]。在校內(nèi)及兄弟院校相關(guān)二級學(xué)院、專業(yè)進行走訪調(diào)研，了解當(dāng)前計算機、通信、自動化、電子類專業(yè)實驗實訓(xùn)課程的教學(xué)形式、現(xiàn)狀、困境與師生需求，形成開發(fā)需求分析與可行性報告，明確智慧實驗實訓(xùn)平臺開發(fā)需求清單與目標功能模塊，制定項目開發(fā)計劃。

（2）平臺構(gòu)建

搭建研發(fā)系統(tǒng)核心技術(shù)架構(gòu)及功能框架，在平臺試運行雛形的基礎(chǔ)上逐步完成整個產(chǎn)品框架的研發(fā)及測試完善。基于此核心技術(shù)架構(gòu)，全面支持多樣化授課方式和學(xué)生遠程連接虛擬實驗實訓(xùn)環(huán)境進行課前預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)及課后練習(xí)，為學(xué)生隨時隨地的主動學(xué)習(xí)提供技術(shù)支持。在社會范圍內(nèi)，充分依托各自的優(yōu)勢資源和優(yōu)勢，以互信和合約為基礎(chǔ)，以服務(wù)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和滿足需求為出發(fā)點，以協(xié)同育人為核心[3]。

（3）教學(xué)試點

平臺主體功能開發(fā)完成后，以校內(nèi)部分計算機類、通信類、自動化類、電子類專業(yè)班級作為教學(xué)改革試點，通過新模式的線上實驗實訓(xùn)課程增加實操教學(xué)比重，并收集師生使用反饋，進一步改進完善系統(tǒng)功能，持續(xù)進行智慧實驗實訓(xùn)平臺的更新迭代。

三、技術(shù)實現(xiàn)手段

1.采用的技術(shù)創(chuàng)新手段

（1）本系統(tǒng)開發(fā)主要采用B/S技術(shù)架構(gòu)，使用JAVA、SpringMVC、Struts2、Mybatis、Ext4Js、C#、HTML5、

JavaScript等新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行開發(fā)設(shè)計。容器采用Tomcat、Nginx做負載均衡，采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫MySQL，同時結(jié)合Memcache、分布式緩存等技術(shù)，提高了系統(tǒng)性能。

（2）系統(tǒng)采用JAVA編程語言實現(xiàn)功能模板，教務(wù)管理后臺的實訓(xùn)課件資源管理模塊支持zip格式的文件上傳，系統(tǒng)自動解壓并形成課件章節(jié)目錄。

（3）使用WebSocket技術(shù)跟服務(wù)器通訊，支持實時反饋使用狀態(tài)、減少通信量。（見圖2）

2.重點突破的關(guān)鍵問題

（1）自動評判主觀題核心算法問題

高校教師教學(xué)過程中針對練習(xí)、作業(yè)、考試的批改工作較多，特別是實訓(xùn)任務(wù)，涉及大量的主觀題、非標準化的步驟內(nèi)容，教師逐個批改的工作量特別大、反饋周期更長。本平臺采用新一代大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)改進主觀題自主評卷的算法，提升判卷的效率，降低教師批改工作量。

（2）實訓(xùn)跟蹤開發(fā)工具多版本兼容性問題

前期開發(fā)過程中調(diào)研各院校所使用的開發(fā)軟件工具版本，綜合考慮評估，所采用的技術(shù)方案及架構(gòu)充分考慮版本兼容性、擴展性，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)的各層次節(jié)點，具備支持多種通信媒體、多種物理接口的能力，提供技術(shù)升級、設(shè)備更新迭代的靈活性，實現(xiàn)大部分軟件工具的兼容適配，確保滿足各校實訓(xùn)需求。

（3）高并發(fā)訪問系統(tǒng)穩(wěn)定性問題

采用B/S技術(shù)架構(gòu)、大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)MySQL、主流軟件開發(fā)技術(shù)JAVA成熟穩(wěn)定的CentOS7操作系統(tǒng)及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)安全通訊技術(shù)，并借助分布式區(qū)塊鏈技術(shù)記錄課程成績，避免系統(tǒng)的單點故障，通過事故監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)安全保密等技術(shù)措施提高整個平臺系統(tǒng)的安全可靠性，實現(xiàn)依據(jù)業(yè)務(wù)訪問量實時在線擴容的技術(shù)開發(fā)運維方案。

（4）本地環(huán)境部署過于繁瑣的問題

通過WEB端直接訪問已經(jīng)提前配置好在線實驗實訓(xùn)環(huán)境的遠程云端服務(wù)器，通過虛擬機靈活開展實驗實訓(xùn)教學(xué)，為學(xué)生節(jié)省安裝環(huán)境的工作量，預(yù)留更多時間研究、思考實驗實訓(xùn)本身的任務(wù)內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)效率及質(zhì)量。

結(jié)語

對學(xué)校而言，探索新模式線上實驗實訓(xùn)教學(xué)，可以在增加實操教學(xué)比例、提升教學(xué)質(zhì)量、改善實驗實訓(xùn)過程跟蹤管理的基礎(chǔ)上，降低學(xué)校固定資產(chǎn)采購與維護壓力。對學(xué)生而言，通過虛擬仿真實操的方式將理論與實際操作能力相結(jié)合，有更加充裕的機會進行實操演練，促進知識的學(xué)以致用，加強對本專業(yè)相關(guān)實際工作能力的培養(yǎng)，避免紙上談兵，將大大提升畢業(yè)后的就業(yè)競爭力。基于以云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)、區(qū)塊鏈等為代表的新一代信息技術(shù)，通過開發(fā)、應(yīng)用智慧實訓(xùn)教學(xué)平臺，可以更好地培養(yǎng)高質(zhì)量、創(chuàng)新型、動手能力強的高素質(zhì)專業(yè)技術(shù)人才。

參考文獻：

[1]王猛.高校實驗實訓(xùn)平臺管理模式探索——從培養(yǎng)大學(xué)生崗位能力方向研究[J].當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究，2016（10）：99-100.DOI：10.16534/j.cnki.cn13-9000/g.2016.2

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[2]雷鋼.高校雙創(chuàng)實驗實訓(xùn)平臺建設(shè)研究[J].實驗室研究與探索，2019，38（01）：210-214+280.

[3]楊善江.產(chǎn)教融合：產(chǎn)業(yè)深度轉(zhuǎn)型下現(xiàn)代職業(yè)教育發(fā)展的必由之路[J].教育與職業(yè)，2014（33）：8-10.

責(zé)任編輯 龍建剛