電路實驗遠程在線教學(xué)模式探索

馮 濤，楊 旭，崔家瑞，林 穎，李 擎

（北京科技大學(xué)a.自然科學(xué)基礎(chǔ)實驗中心；b.自動化學(xué)院，北京 100083）

0 引言

2020年1 月，一場突如其來的新冠病毒疫情席卷全國并且迅速肆虐全球，是繼2003 年非典后又一個極為重大的公共衛(wèi)生事件，給國家生產(chǎn)及人們生活各方面帶來了極為嚴(yán)重的影響［1］。為保證疫情防控，教育部發(fā)布了《關(guān)于2020 年春季學(xué)期延期開學(xué)的通知》，要求適當(dāng)推遲春季學(xué)期開學(xué)時間，鼓勵各地利用互聯(lián)網(wǎng)和信息化教育資源為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支持，保證“停課不停教、停課不停學(xué)”［2-4］。在這樣的背景下，我校開展了大規(guī)模的線上理論課程教學(xué)，通過雨課堂、騰訊會議等教學(xué)工具，針對線上教學(xué)與線下授課的不同特點，靈活采取直播授課、在線答疑、在線考試等環(huán)節(jié)，共計開設(shè)893 門、1 688 門次本科生理論課程，取得了較好的教學(xué)效果［5］。然而，因為需要線下實操的特殊性，大部分實驗課程無法開展在線教學(xué)，相應(yīng)的教學(xué)計劃被推遲到復(fù)課之后進行權(quán)宜安排。

電路實驗是面向我校自動化學(xué)院、計算機與通信工程學(xué)院開設(shè)的電類專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程，為后續(xù)電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等理論課程起到基礎(chǔ)性的支撐作用［6］。每年約有30 個班1 000 余名學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程，授課學(xué)時為16 學(xué)時。專業(yè)覆蓋面廣、授課人數(shù)多、排課密度高，是該門課程的顯著特點。本學(xué)期電路實驗課程的授課對象是大一下學(xué)期本科生，選課人數(shù)共計403 名學(xué)生。如果將課程推遲到暑假或者下半年來補課，會給學(xué)生帶來較為嚴(yán)重的排課沖突，加大學(xué)生學(xué)習(xí)壓力，同時也會因為課程全年的上課任務(wù)被全部集中到下半學(xué)期開展，從而使得實驗室場地和設(shè)備資源變得格外緊張，排課密度和上課人數(shù)大幅增加，實驗室超負載運轉(zhuǎn)，無法滿足疫情防控常態(tài)化下的實驗室人員密度要求，造成實驗室安全隱患?？紤]到這些因素，我校電工電子實驗中心電路實驗課程的教學(xué)團隊努力克服疫情環(huán)境下實驗教學(xué)面臨的各種困難，成功開展了電路實驗課程的在線教學(xué)工作，探索出了疫情防控特殊背景下的遠程在線實驗教學(xué)新模式。新的實驗教學(xué)模式以學(xué)生能力提高為中心，靈活采用多種前沿教學(xué)技術(shù)和實驗手段，盡可能彌補學(xué)生無法現(xiàn)場操作的不足，最大化地激發(fā)學(xué)生思考，促進學(xué)生對理論知識的理解，加強學(xué)生分析思考能力和綜合創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)，取得了與線下實驗教學(xué)實質(zhì)等效的教學(xué)效果。

1 電路實驗遠程在線教學(xué)實施的可行性

與理論課堂相比，實驗課堂的遠程在線教學(xué)面臨的最大問題是學(xué)生不能來到實驗室進行實際的接線和測量，無法有效地訓(xùn)練學(xué)生的電路搭建和調(diào)試、排錯能力，也無法進行現(xiàn)場授課、答疑、指導(dǎo)，師生、學(xué)生之間無法面對面交流和討論。因此電路實驗遠程在線教學(xué)的實施需要克服多方面困難，需要遠程實驗工具、直播授課軟件、在線教學(xué)資源、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)條件等多方面密切配合。經(jīng)過探索與實踐，如圖1 所示幾個方面的現(xiàn)有條件為本次疫情防控背景下的電路實驗遠程在線教學(xué)實施提供了可行性。

（1）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)條件的普及以及學(xué)生在線學(xué)習(xí)習(xí)慣的具備。據(jù)我校教務(wù)處給出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，本學(xué)期電路實驗的授課學(xué)生人數(shù)總計為403 人，其中只有2 名學(xué)生因為家庭地處偏遠不具備在線授課的網(wǎng)絡(luò)條件而需要特殊考慮，其他學(xué)生均具有順利實施遠程在線實驗教學(xué)的軟硬件環(huán)境。同時，本課程面對的是95 后學(xué)生，他們生長在一個信息技術(shù)飛速發(fā)展的年代，被稱為互聯(lián)網(wǎng)“原住民”，具有極強的好奇心和學(xué)習(xí)能力，早已經(jīng)適應(yīng)了理論課堂上的直播授課和MOOC 課程的在線學(xué)習(xí)形式，對于網(wǎng)絡(luò)授課的接受程度較高，不會對電路實驗課程的遠程在線教學(xué)方式產(chǎn)生心理上的抗拒和習(xí)慣上的不適應(yīng)。

（2）虛擬仿真和遠程在線實驗教學(xué)手段的發(fā)展。新冠疫情給電路實驗教學(xué)造成的最大問題是學(xué)生無法來到實驗室進行現(xiàn)場接線和數(shù)據(jù)測量，使得原有的實驗項目無法正常開展。但是，隨著電路仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的電路仿真軟件（如Multisim等）已經(jīng)具有了極為逼真的儀器界面和操作體驗，操作過程具有極強的真實感，并且還充分地考慮到了電路元件和測量儀器的非理想實際特性，使得仿真數(shù)據(jù)越來越接近于真實電路的測量結(jié)果。同時，這些軟件還具有完善的分析和統(tǒng)計功能，學(xué)生輕點鼠標(biāo)就能夠方便地進行元件參數(shù)掃描、瞬態(tài)分析等多樣化的電路特性分析，比真實的線下實驗更加快捷方便，能夠讓學(xué)生更直觀地觀察到參數(shù)變化對電路輸出的影響，使得實驗現(xiàn)象更能反映理論本質(zhì)，從而更好地促進學(xué)生對理論知識的理解。此外，近年來還出現(xiàn)了可以對真實電路元件進行遠程連接、遠程測量、遠程觀察實驗結(jié)果的遠程在線真實實驗操作平臺，給用戶帶來極強的操作臨場感，很大程度上彌補了純軟件仿真帶來的實際動手能力訓(xùn)練不足的問題。

（3）在線教學(xué)資源庫的持續(xù)建設(shè)保障。多年來在電路實驗教學(xué)資源庫上進行著持續(xù)建設(shè)和積累，編寫了多部學(xué)習(xí)階梯平緩、易于自學(xué)的多媒體實驗講義和實驗教材，錄制了幾十余部操作演示視頻和儀器使用教學(xué)視頻，并搭建了相應(yīng)的在線單元測驗試題庫，在中國大學(xué)MOOC 網(wǎng)上建設(shè)了成型的獨立SPOC 課程，構(gòu)建了完整的面向?qū)嶒炚n堂的線上線下混合式教學(xué)模式，為疫情防控背景下的在線實驗教學(xué)提供了強有力的教學(xué)資源保障。通過對遠程實驗教學(xué)工具、在線教學(xué)資源庫的合理組合和精心設(shè)計，可以揚長避短，突破時空限制，較大程度上克服學(xué)生無法來實驗室進行現(xiàn)場聽課和實操的難題，還可以利用軟件靈活方便的優(yōu)勢，設(shè)計和開展更加復(fù)雜的綜合性實驗項目，實現(xiàn)探究式、討論式教學(xué)，使得學(xué)生真正成為實驗的主人，實現(xiàn)知識的內(nèi)化。

（4）直播授課教學(xué)工具的穩(wěn)定成熟。由于學(xué)生無法到校上課，師生不能面對面交流，不得不采用遠程直播的方式來進行在線授課。隨著智慧教學(xué)理念的興起，已經(jīng)出現(xiàn)了雨課堂、騰訊課堂、騰訊會議等多款成熟穩(wěn)定的遠程授課工具，能夠滿足大規(guī)模、高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)直播授課，在理論課程的在線教學(xué)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用和充分驗證。經(jīng)過調(diào)研比較，這些軟件除了具有正常的直播授課功能之外，還可以實現(xiàn)在線考勤、隨堂測驗、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等多樣化的功能，使得教師對學(xué)情的把握更為精準(zhǔn)。同時這些軟件還可以支持課程回放，方便學(xué)生課下自行回看、自主學(xué)習(xí)，這對細節(jié)繁多、側(cè)重于動手操作的實驗教學(xué)尤為有利。這些成熟的工具為電路實驗的遠程在線教學(xué)實施打下了良好的基礎(chǔ)。

（5）課程授課團隊具有較強的主觀能動性。在我校響應(yīng)教育部號召、發(fā)出“停課不停教、停課不停學(xué)”的倡議之初，本課程授課團隊各位老師便迅速行動，本著保證人才培養(yǎng)質(zhì)量不縮水、保障教學(xué)計劃影響最小化的大局觀，積極探索實驗課程的遠程教學(xué)新模式，廣泛試用各種虛擬仿真軟件和遠程在線實驗平臺，著力調(diào)研多種在線教學(xué)工具和教學(xué)手段，重新設(shè)計適應(yīng)于遠程在線教學(xué)場景的實驗內(nèi)容和實驗項目，并且在沒有專業(yè)視頻制作公司支持的情況下，自行學(xué)習(xí)多種新的信息化手段和軟硬件工具，自行錄制和剪輯制作教學(xué)視頻，變“危”為“機”，主動求變，表現(xiàn)出了極高的主觀能動性和主人翁精神，為本次電路實驗的遠程在線實驗教學(xué)順利實施起到了決定性的作用。

2 電路實驗遠程在線實驗教學(xué)模式構(gòu)建

針對新冠疫情背景下電路實驗遠程教學(xué)所存在的問題，根據(jù)相關(guān)專業(yè)對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求，構(gòu)建了電路實驗遠程在線實驗教學(xué)模式，如圖2 所示。相對于傳統(tǒng)教學(xué)模式，疫情背景下電路實驗遠程在線實驗教學(xué)的授課形式和實驗手段發(fā)生了較大變化，課程的學(xué)習(xí)重點不再是實際的元器件接線、真實的儀器儀表操作和實際數(shù)據(jù)測量，而是轉(zhuǎn)變成了虛擬仿真軟件的使用及遠程在線真實實驗平臺的操作，與之相應(yīng)的，實驗教學(xué)流程、實驗內(nèi)容、實驗項目也要作出大幅調(diào)整，這些都要由授課教師在課前完成。教師還要根據(jù)新的實驗內(nèi)容編寫新的實驗講義和演示課件，并將相應(yīng)的軟件操作和較為復(fù)雜的實驗原理都錄制成短視頻上傳到SPOC課程平臺，完成教學(xué)資源的推送，引導(dǎo)學(xué)生居家進行個性化自主學(xué)習(xí)。在直播授課環(huán)節(jié)，教師采用騰訊課堂、雨課堂等工具，通過語音直播、屏幕共享、PPT推送等方式進行實驗原理講解、重點操作演示等，并進行預(yù)習(xí)測驗、課堂測驗、課堂調(diào)查，發(fā)起學(xué)生間的交流與討論，對教學(xué)過程進行有序指導(dǎo)。之后，學(xué)生在虛擬仿真軟件和遠程在線真實實驗平臺上進行實驗操作，完成指定實驗任務(wù)。盡管學(xué)生不能夠來到實驗室現(xiàn)場進行真實元件和儀器的實驗操作，但是電路仿真軟件的炫酷界面和強大功能也能調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，遠程在線真實實驗平臺的真實操作體驗和滿滿的科技感，更能激發(fā)學(xué)生主動探索的熱情，再配合精心設(shè)計的實驗內(nèi)容和準(zhǔn)備詳盡的SPOC視頻等豐富教學(xué)資源，同樣能夠讓學(xué)生手腦并用、有序?qū)W習(xí)，使得遠程在線實驗教學(xué)與線下實驗室教學(xué)實質(zhì)等效成為可能。

圖2 電路實驗遠程在線實驗教學(xué)模式

3 電路實驗遠程在線教學(xué)實施流程

3.1 課前準(zhǔn)備階段

課前準(zhǔn)備階段是整個電路實驗遠程在線教學(xué)流程能否順利實施的關(guān)鍵。在疫情防控背景下，電路實驗的授課形式和實驗手段均發(fā)生了巨大的變化，因此課程的各個環(huán)節(jié)需要重新設(shè)計，需要教師重新規(guī)劃實驗教學(xué)流程，重新設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容，重新準(zhǔn)備實驗教學(xué)資源等。

（1）理清電路實驗在線教學(xué)實施脈絡(luò)，重新規(guī)劃實驗教學(xué)流程。要以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標(biāo)，根據(jù)理論課的授課進度和在線實驗教學(xué)的特點，明確實驗?zāi)康?，確定實驗內(nèi)容，分配實驗學(xué)時，并合理安排直播授課和SPOC視頻中的知識點講解，確定教學(xué)重點，預(yù)估教學(xué)難點，制訂考核指標(biāo)，對在線實驗教學(xué)的整個過程進行全盤把控，幫助學(xué)生在疫情防控特殊背景下實現(xiàn)知識內(nèi)化和能力成長。

（2）實驗內(nèi)容的準(zhǔn)備。新的實驗內(nèi)容要適應(yīng)遠程在線實驗教學(xué)的要求，在無法使用實際電路和儀器進行真實實驗的情況下，充分發(fā)揮電路虛擬仿真軟件和遠程在線真實實驗平臺直觀易用、功能強大的優(yōu)勢，設(shè)計比真實實驗更具有探究性的實驗項目，提高實驗的創(chuàng)新性和高階性。通過實驗內(nèi)容和實驗環(huán)節(jié)的合理安排，做到邏輯嚴(yán)密、環(huán)環(huán)相扣、層層遞進，引導(dǎo)學(xué)生自主實驗、自主探究，加深學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解，實現(xiàn)學(xué)生分析思考和實踐能力的培養(yǎng)。

（3）豐富在線教學(xué)資源，為學(xué)生創(chuàng)造多樣化的自主學(xué)習(xí)環(huán)境。在明確實驗?zāi)繕?biāo)和教學(xué)知識點的前提下，根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有的理論知識結(jié)構(gòu)和實踐能力水平，綜合利用各種軟件工具，將與工程應(yīng)用緊密相關(guān)的背景知識制作成演示文稿、多媒體講義；自行搭建簡易攝影攝像棚，錄制實驗原理講解視頻、實驗操作演示視頻、仿真軟件和在線實驗平臺詳細使用視頻等，以直觀和生動有趣的方式將知識點呈現(xiàn)給學(xué)生。教學(xué)資源準(zhǔn)備完成后，教師在課前將其上傳到SPOC課程平臺，向?qū)W生明確學(xué)習(xí)任務(wù)，方便學(xué)生居家自主學(xué)習(xí)。

學(xué)生在課前準(zhǔn)備階段主要通過教師提供的教學(xué)資源進行實驗預(yù)習(xí)。學(xué)生自行安排時間，通過實驗講義、預(yù)習(xí)視頻了解實驗背景，回顧理論知識內(nèi)容，樹立實驗?zāi)繕?biāo)，并回答預(yù)習(xí)思考題，為正式實驗操作做好充分的理論和背景知識準(zhǔn)備。

3.2 線上直播授課階段

因為疫情期間學(xué)生無法來到實驗室進行線下授課，因此采用線上直播的形式取而代之。經(jīng)過反復(fù)試用和對比，選用雨課堂和騰訊課堂兩種工具結(jié)合使用來進行線上直播授課，同時使用微信群來組織答疑和互動，3 種工具起到的作用如圖3 所示?！坝暾n堂”是學(xué)堂在線推出的智慧教學(xué)工具，它以插件的形式存在于Power Point軟件中，可以與微信端融合，實現(xiàn)學(xué)生點名與簽到、PPT頁面推送與分享、隨堂測驗與問卷調(diào)查等功能，在理論課的在線教學(xué)實踐中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［7-8］。但是理論課堂絕大部分情況下教師只需要進行PPT講解和推送即可，而在實驗課堂中，還需要對虛擬仿真軟件和在線實驗平臺進行操作演示，也就是需要有完善的屏幕分享功能。雨課堂在屏幕分享與語音直播方面做得不盡人意，經(jīng)常出現(xiàn)直播卡頓現(xiàn)象，因此不適合實驗課堂在線直播講解，故采用了騰訊課堂來進行補充。“騰訊課堂”在課堂管理、隨堂測驗等方面的功能與“雨課堂”差距較大，但是它能實現(xiàn)流暢的屏幕分享和直播教學(xué)功能，將兩者互補，融合使用，能實現(xiàn)完善的PPT 講解、實驗平臺操作演示、課堂點名簽到、隨堂測驗與問卷調(diào)查等功能，還可以以彈幕互動和討論區(qū)的形式來隨時發(fā)起課堂討論，而微信群則能實現(xiàn)更高效便捷的師生和學(xué)生間互動［9］。此外，使用騰訊課堂所講授的內(nèi)容還可以隨時回看，學(xué)生課下可以對實驗難點和疑點進行自行回顧，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。因此從功能性上來說，直播授課的教學(xué)效果已經(jīng)超越了線下面對面的傳統(tǒng)授課方式。

圖3 線上直播授課工具選擇及其功能

直播授課環(huán)節(jié)講授的內(nèi)容包括實驗?zāi)康?、實驗要求、實驗基本?nèi)容，還有相關(guān)的實驗原理和操作注意事項等。考慮到學(xué)生基礎(chǔ)水平和接收能力的差異性，為了實現(xiàn)精細化、個性化教學(xué)，在直播授課環(huán)節(jié)只是對實驗的重點和難點進行提綱挈領(lǐng)的梳理和講解，而把復(fù)雜深入的實驗原理和涉及大量操作細節(jié)的實驗步驟都錄制成視頻上傳到了SPOC 平臺，由學(xué)生在后面的自主實驗環(huán)節(jié)進行自行觀看，以提高直播授課環(huán)節(jié)的教學(xué)效率，實現(xiàn)課堂的翻轉(zhuǎn)。此外，在直播授課階段還對學(xué)生進行點名簽到，實施預(yù)習(xí)測驗和隨堂測驗，并發(fā)起互動討論，對學(xué)生遇到的具體問題進行答疑解惑。

3.3 自主實驗階段

經(jīng)過預(yù)習(xí)階段的背景知識準(zhǔn)備和直播授課階段的實驗重難點講解，學(xué)生已經(jīng)初步了解了實驗?zāi)康暮蛯嶒炓螅h程在線實驗操作產(chǎn)生了強烈的好奇心和探索欲望，之后便進入自主實驗階段。這一階段是電路實驗在線教學(xué)的重點，是學(xué)生知識內(nèi)化、能力成長的重要階段。自主實驗階段由3 個環(huán)節(jié)組成，分別是SPOC視頻觀看、在線虛擬仿真、遠程真實實驗，如圖4所示。

圖4 學(xué)生遠程自主實驗流程

3.3.1 SPOC視頻觀看

考慮到學(xué)生能力的個體化差異，將復(fù)雜抽象的實驗原理講解和詳盡具體的實驗操作演示都提前錄制成了視頻上傳到了SPOC平臺，由學(xué)生居家自行觀看、自主學(xué)習(xí)。與MOOC準(zhǔn)入門檻低、面向廣泛的社會學(xué)習(xí)者不同，SPOC 課程只有經(jīng)過本校認證的學(xué)生才能夠選課，因此學(xué)生來源可控，學(xué)生基礎(chǔ)基本一致，更有利于學(xué)習(xí)進度管理［10］。應(yīng)用SPOC 課程可以組織學(xué)生在線觀看教學(xué)視頻、多媒體課件等學(xué)習(xí)資源，參與討論和答疑，進行考核和拓展學(xué)習(xí)等線上教學(xué)活動，并且SPOC課程更加注重線上學(xué)習(xí)與線下教學(xué)的結(jié)合，師生互動更為緊密，能夠保證學(xué)習(xí)進度的統(tǒng)一，確保課程的學(xué)習(xí)完成度?；赟POC的線上線下混合式教學(xué)模式已經(jīng)在國內(nèi)外多所高校的教學(xué)改革中得到探索和應(yīng)用，在疫情防控背景下，這種教學(xué)模式更顯現(xiàn)出了它在遠程在線實驗教學(xué)場景中的應(yīng)用價值［11-14］。

SPOC 課程包括同步SPOC、異步SPOC 和獨立SPOC 3 種類型，同步SPOC 是完全跟隨一門平臺上正在開課的MOOC 課程，老師僅可補充內(nèi)容，不能刪減和修改源課程內(nèi)容，靈活性較低［15］。異步SPOC 是拷貝一門已經(jīng)結(jié)課的MOOC課程，在此基礎(chǔ)上老師可以修改課程內(nèi)容、增加本校課程資源，還可以調(diào)整教學(xué)進度，以便于根據(jù)本校專業(yè)培養(yǎng)具體要求來實施教學(xué)，并對學(xué)生進行進度管理和學(xué)情分析。獨立SPOC是單獨創(chuàng)建一門SPOC課程，與平臺現(xiàn)有的MOOC課程獨立，其課程資源、教學(xué)內(nèi)容均是自行建設(shè)，因此教學(xué)視頻需要自行錄制，教學(xué)課件需要重新編寫，試題庫需要單獨構(gòu)建，對于教師的工作量要求最大。但是它具有最高的操作靈活性和自主性，可完全根據(jù)本校課程內(nèi)容進行設(shè)計和搭建，不受現(xiàn)有MOOC 課程內(nèi)容的掣肘。由于目前各大MOOC 平臺上電路實驗MOOC 資源還較為稀缺，而與本校電路實驗教學(xué)設(shè)備和資源完全匹配的MOOC課程更是基本沒有，為了建設(shè)完全貼合我校課程內(nèi)容的在線教學(xué)資源，依托中國大學(xué)MOOC 網(wǎng)上的北京科技大學(xué)學(xué)校云，于2019 年下半年著手創(chuàng)建了電路實驗技術(shù)獨立SPOC 課程，并已經(jīng)在中國大學(xué)MOOC網(wǎng)正式上線運行。在今年新冠疫情突發(fā)、整個教育系統(tǒng)反應(yīng)時間極為有限的情況下，獨立SPOC 課程靈活可控的優(yōu)勢更加凸顯。根據(jù)在線實驗教學(xué)的特殊要求，對原有SPOC課程進行內(nèi)容調(diào)整和補充，共計上傳多媒體講義和課件10 個、實驗教學(xué)視頻33 部、討論內(nèi)容12 個、章節(jié)測試題50 題、學(xué)習(xí)導(dǎo)航等教學(xué)資源，內(nèi)容包括復(fù)雜實驗原理的講解、實驗室真實儀器的操作演示、在線仿真軟件的使用、遠程真實實驗平臺的操作等，為學(xué)生疫情期間的居家自主學(xué)習(xí)提供了堅實的在線教學(xué)資源保障。SPOC 課程內(nèi)容安排如圖5所示。

圖5 SPOC課程內(nèi)容安排

在以上SPOC 平臺資源支撐下，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)在居家環(huán)境中展開，根據(jù)自己的理解和吸收能力，自定步調(diào)，自選時間，自行觀看，并可以一邊觀看，一邊動手操作，以充分理解實驗原理，反復(fù)練習(xí)實驗操作，完成所要求的實驗項目。對于疑難問題可以反復(fù)回看，還可以自行上網(wǎng)查找解決方案，或者通過微信群、SPOC討論區(qū)等方式與同學(xué)間展開討論，也可以向老師尋求幫助，從而實現(xiàn)個性化、針對性、探究式實驗教學(xué)。為了確保學(xué)生注意力不被分散，每個教學(xué)視頻只集中于一個知識點進行講解，并將視頻時長盡量控制在10 min以內(nèi)。同時為了避免學(xué)生居家學(xué)習(xí)時無人監(jiān)督、流于形式，被動的看和聽，將實驗的重點、難點都設(shè)置成單元測驗題，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，在解決問題的過程中激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，實現(xiàn)了“學(xué)生為主體、教師為輔助”的翻轉(zhuǎn)式教學(xué)。

同時，使用SPOC平臺來組織在線教學(xué)，可以得到多維度、可視化的精確學(xué)情數(shù)據(jù)統(tǒng)計，包括學(xué)生的視頻觀看時長、觀看頻次、單元測驗成績、熱點討論問題等，如圖6、7 所示。利用SPOC 平臺的互動、討論和單元測驗等功能模塊，可生成學(xué)生日常學(xué)習(xí)的過程性評價報告，然后據(jù)此分析在線教學(xué)過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)效果等相關(guān)度，可為教師進行教學(xué)持續(xù)改進和優(yōu)化提供有效參考，有助于提高實驗教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

圖6 SPOC視頻觀看人數(shù)統(tǒng)計

圖7 SPOC平臺單元測驗人數(shù)統(tǒng)計

3.3.2 在線虛擬仿真

由于學(xué)生在家無法搭建真實的電路來完成實驗項目，因此這里使用虛擬仿真軟件來進行部分代替。選用了兩種虛擬仿真軟件來進行電路實驗教學(xué)，分別是Multisim 14.2 和Circuit JS1。Multisim 是美國國家儀器（NI）有限公司推出的基于SPICE 標(biāo)準(zhǔn)的電路仿真工具，適用于板級的模擬／數(shù)字電路板的設(shè)計工作［16-17］。Multisim內(nèi)置有豐富的元件庫和齊備的儀器儀表，并帶有參數(shù)掃描、瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析等多樣化的分析方法，可以方便、高效地搭建電路進行仿真，獲取各種電量數(shù)據(jù)、波形圖和分析圖表，以驗證電路定理。更重要的是，隨著功能的完善和版本的升級，Multisim中的萬用表、信號發(fā)生器、示波器等虛擬儀表的操作界面和操作方法已經(jīng)越來越趨近于真實儀表，如圖8 所示，是軟件自帶的虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器，其儀表面板和按鍵功能均與真實的安捷倫33120A函數(shù)信號發(fā)生器和54622D 示波器極為接近。以示波器為例，學(xué)生需要與真實示波器一樣，調(diào)節(jié)時間基準(zhǔn)、電壓擋位、耦合方式、觸發(fā)電平等參數(shù)，如果參數(shù)設(shè)置不正確，儀器屏幕上會出現(xiàn)與真實示波器類似的混亂波形。因此，需要學(xué)生對儀器上各個參數(shù)設(shè)置的含義和設(shè)置方法具有深刻的理解，才能得到正確的實驗波形，這就給實驗操作帶來了極強的真實感，在很大程度上克服了仿真實驗過“虛”的局限性，鍛煉了學(xué)生的動手實操能力，為學(xué)生在疫情過后對常用儀器的操作從“虛”到“實”進行過渡打下了良好的基礎(chǔ)。

圖8 Multisim自帶的虛擬儀表操作面板

為了開拓學(xué)生眼界，除了Multisim軟件之外，還使用了Circuit JS1 這款仿真軟件（見圖9）。Circuit JS1是一款開源的在線仿真軟件，無需安裝，小巧精悍，在瀏覽器中即可在線運行［18］。與Multisim相比，它的元器件數(shù)量和仿真分析功能稍弱，但是它勝在操作簡單、界面直觀。它使用流動的亮點來動態(tài)展示電路各支路電流的大小和方向，使用不同的顏色來區(qū)分電路各節(jié)點電位的高低。與Multisim 不一樣，它不是極力去模擬實際電路的真實特性和儀表的真實操作，而是剝離掉真實儀表繁瑣的操作步驟，以極簡的方式快捷地得到電路現(xiàn)象和電路波形，以更加簡單直觀的方式體現(xiàn)理論本質(zhì)，因此非常適合電路初學(xué)者來對電路定理進行驗證和現(xiàn)象觀察，加深對理論知識的理解。

圖9 Circuit JS1軟件界面

在實驗項目中將兩者進行結(jié)合使用，先要求學(xué)生使用Circuit JS1 對電路進行快捷的理論驗證和現(xiàn)象觀察，然后使用Multisim軟件，與真實實驗的操作步驟一樣，搭建實驗電路、設(shè)置和調(diào)整儀器參數(shù)，最終得到與真實實驗極為接近的仿真數(shù)據(jù)和波形，這樣給初學(xué)電路的學(xué)生搭建了一個平緩的從理論向?qū)嵺`過渡的階梯，為疫情背景下學(xué)生的居家自主實驗探索出了一個可操作的實施方案。

3.3.3 遠程在線真實實驗

為了進一步加強學(xué)生實驗操作臨場感，充分鍛煉他們的動手操作能力和分析思考能力，還引入了遠程在線真實實驗操作環(huán)節(jié)。使用的是深圳易星標(biāo)技術(shù)有限公司與華南理工大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的“ELF-LAB 遠程真實驗系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由“遠程實驗共享系統(tǒng)”和“ELFBOX”在線實驗硬件組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖10 所示［19］。

圖10 “ELF-LAB遠程真實驗系統(tǒng)”架構(gòu)

其中“ELF-BOX”是一個可編程門陣列系統(tǒng)，教師提前在其中部署好元器件實物和示波器、萬用表等真實測量儀器，在“遠程實驗共享系統(tǒng)”控制下，“ELFBOX”能夠改變其中的真實物理元件和儀器的管腳連接關(guān)系，從而進行遠程電路搭建，如圖11 所示。

圖11 “ELF-BOX”外觀及使用

同時，現(xiàn)場真實儀器的測量數(shù)據(jù)和真實示波器的屏幕波形也會通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程操作界面。學(xué)生在電腦上安裝相關(guān)軟件后，就可以在家遠程控制實驗硬件，進行實驗電路搭接、電路參數(shù)調(diào)整、電路指標(biāo)測量等操作，并可以通過攝像頭遠程觀察示波器上的實際波形，由此獲得與實境實驗一樣的操控訓(xùn)練和操控體驗，實現(xiàn)遠程真實實驗的操作功能。平臺還具有較強的過程管理功能，會記錄學(xué)生的實驗操作步驟，統(tǒng)計和判斷實測數(shù)據(jù)并生成實驗報告，防止數(shù)據(jù)抄襲，保證實驗教學(xué)質(zhì)量。

遠程在線真實實驗平臺全天候開放，學(xué)生可以自由預(yù)約時間來完成實驗，從而突破時空限制，為疫情背景下的電路實驗遠程教學(xué)提供了較好的實踐動手平臺?；诖似脚_，能夠完成電路實驗中的大多數(shù)實驗項目，包括相位差測量、RLC 電路串聯(lián)諧振現(xiàn)象的觀察、一階電路過渡過程的研究等。圖12 所示是進行相位差測量的實驗界面和遠程示波器的真實波形顯示。

圖12 基于ELF-LAB的相位差測量實驗

當(dāng)學(xué)生在家中通過電腦遠程控制實驗室內(nèi)的電路連接并觀察到實際示波器顯示的電路波形時，心中的成就感、欣喜感和操作真實感是難以言喻的。使用此平臺，一方面能夠?qū)W(xué)生進行真實實驗操作的動手訓(xùn)練，另一方面，能讓他們體會到物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等行業(yè)發(fā)展前沿“硬科技”，激發(fā)他們進行后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣和熱情，進一步提高疫情背景下的電路實驗教學(xué)效果。

3.4 課后總結(jié)與反思階段

在課后總結(jié)與反思階段，學(xué)生對實驗測量的數(shù)據(jù)進行分析、處理，并與理論值進行比較，分析誤差產(chǎn)生的原因，回答相應(yīng)的實驗思考題，反思實驗中遇到的問題及產(chǎn)生的原因，總結(jié)實驗得到的收獲，然后撰寫并提交實驗報告，在這個過程中完成對知識的梳理、鞏固和內(nèi)化。教師通過實驗報告的批閱，了解學(xué)生的真實實驗狀態(tài)，獲取學(xué)生對實驗的反饋，對課程資源和內(nèi)容進行補充和修正，并在下一次的直播授課過程中對學(xué)生的問題進行統(tǒng)一的答疑和講解，由此完成整個實驗教學(xué)的循環(huán)。

4 考核方式

在疫情防控特殊背景下，電路實驗線上實驗教學(xué)的多個環(huán)節(jié)均為學(xué)生居家自主完成，缺乏教師現(xiàn)場監(jiān)督。為了確保學(xué)生自主完成實驗，保證遠程在線實驗的教學(xué)效果，實驗考核方式也隨之作出了相應(yīng)的改變，更注重過程性考核，結(jié)合學(xué)生在課前預(yù)習(xí)、直播授課、SPOC平臺的活躍程度、軟件虛擬仿真和遠程真實實驗操作等多個環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)綜合評價學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性和創(chuàng)造性，對學(xué)生進行精細化的測評考核。各考核環(huán)節(jié)的分數(shù)占比如圖13 所示。

圖13 各環(huán)節(jié)考核分數(shù)占比

其中，預(yù)習(xí)與隨堂測驗是在直播授課過程中進行的。在每次直播課堂開始的前10 min，通過雨課堂的在線測驗功能向?qū)W生發(fā)放預(yù)習(xí)測驗題，以對他們的課前預(yù)習(xí)情況進行考核。之后，在直播課程進行過程中，適時地加入隨堂測驗部分，防止學(xué)生居家上課不認真，加強直播授課效果。SPOC 討論及視頻觀看數(shù)據(jù)由SPOC平臺自動統(tǒng)計給出，由教師根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)進行統(tǒng)一換算。在自主操作環(huán)節(jié)，學(xué)生將虛擬仿真實驗、遠程真實實驗這兩個環(huán)節(jié)的實驗接線圖、測量數(shù)據(jù)、分析圖表都記錄在實驗報告中，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析、實驗總結(jié)和拓展思考，教師據(jù)此評判學(xué)生在此環(huán)節(jié)的操作表現(xiàn)。每次課程均安排有SPOC 單元測驗，以客觀題的方式對實驗講義、直播授課、SPOC 視頻、自主實驗等各環(huán)節(jié)的重點和難點進行考查，并且允許進行兩次答題，取最高分作為本次實驗的測驗得分，這樣激勵學(xué)生以認真的態(tài)度反復(fù)閱讀實驗講義、回看直播視頻、觀看SPOC視頻講解，以達到預(yù)期的知識內(nèi)化效果。

5 教學(xué)效果及課程評價

為了驗證電路實驗遠程在線實驗教學(xué)模式的有效性，課程結(jié)束后，對實際參加學(xué)習(xí)的總共392 名學(xué)生進行了課程成績分布統(tǒng)計，結(jié)果如圖14 所示。

圖14 課程最終成績分布統(tǒng)計

從圖14 可見，大部分學(xué)生的課程最終成績集中在80 分以上，總共占比73.47%，課程不及格的人數(shù)共計有10 名，只占總?cè)藬?shù)的2.55%。這種成績分布說明絕大部分學(xué)生都能夠順利實現(xiàn)本次在線實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，并且能夠按要求完成實驗內(nèi)容，實現(xiàn)知識內(nèi)化，獲得能力成長，達到了本課程的教學(xué)目的。

為了獲得學(xué)生對課程的總體反饋，在課程結(jié)束之后還對學(xué)生進行了問卷調(diào)查，共收回有效問卷366 份。問卷從實驗難度、實驗時長、課程內(nèi)容、實驗形式、考核方式、總體評價等方面進行了調(diào)查。關(guān)于本次課程的實驗難度以及平均每次實驗花費的時間統(tǒng)計如圖15所示。

圖15 學(xué)生對課程反饋的調(diào)查情況

從圖15（a）可見，有79.51%的學(xué)生認為實驗內(nèi)容的難度設(shè)置偏高，同時圖15（b）顯示有74.86%的學(xué)生每次實驗花費時間在4 h以上，這些數(shù)據(jù)與圖14 中80 分以上人數(shù)占比為73.47%的成績分布相吻合，這說明了本次實驗課程盡管是在線教學(xué)，但是也設(shè)置了一定的課程難度，具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)度，需要投入足夠的時間和精力才能夠按要求完成各個實驗環(huán)節(jié)和實驗內(nèi)容，并沒有放松課程要求成為能夠渾水摸魚的“水”課，進而說明了這種線上實驗教學(xué)方式在激發(fā)學(xué)生思考、鍛煉學(xué)生分析及理論聯(lián)系實際能力方面具有與線下實驗近乎同等的促進作用，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。

關(guān)于課程內(nèi)容安排、實驗形式、考核方式、總體評價、教師用心程度等方面的問卷調(diào)查結(jié)果如圖16 所示。由圖16 可見，96%以上的學(xué)生對課程的總體評價較好，認為實驗內(nèi)容安排合理，實驗形式體驗較好，考核方式較為全面，并且100%的學(xué)生認為老師對實驗的準(zhǔn)備比較用心或者是非常用心，通信1901 班的楊同學(xué)在第3 次實驗報告中寫到：“本次實驗測量的數(shù)據(jù)較多，進行了約4 h多的時間，雖然時間并不短，但我十分喜歡這次實驗，十分佩服老師能夠在如此短的時間內(nèi)設(shè)計出如此高質(zhì)量的實驗，思路清晰、目的明確?？偠灾敬螌嶒炇殖晒?！”這說明這種遠程在線的實驗教學(xué)模式得到了學(xué)生的認可，精心設(shè)計的實驗內(nèi)容和實驗環(huán)節(jié)使得學(xué)生在實驗過程中能夠保持著極大的熱情。計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)1902 班的馬同學(xué)在實驗報告中寫到：“這幾次實驗課讓我真正體會到了只有在‘實驗室’才能體會到的成就感。我喜歡科研，一直想嘗試，但苦于沒有條件，多虧這幾節(jié)實驗課給我創(chuàng)造了機會，雖然形式有點特殊，但還是讓我對科研的興趣變得更加濃厚，更加希望去學(xué)習(xí)新的感興趣的東西！”這些真切的反饋表明，本次電路實驗的在線教學(xué)不僅給學(xué)生傳授了知識、培養(yǎng)了能力，同時也讓學(xué)生感受到了科研的魅力，激發(fā)了學(xué)生投身于科研和專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣和決心，從多方面提升了學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

圖16 問卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計

6 課程總結(jié)及反思

為了應(yīng)對新冠肺炎疫情，我校教學(xué)團隊?wèi)?yīng)用多樣化的教學(xué)手段，構(gòu)建了豐富的教學(xué)資源，順利實施了電路實驗的遠程在線實驗教學(xué)。這是一個大膽而有益的嘗試，產(chǎn)生了以下幾方面的積極效果：

（1）較大程度上消解了延期開學(xué)對實驗室人員、場地和設(shè)備造成的巨大運轉(zhuǎn)壓力和防控風(fēng)險。通過遠程在線形式的實驗教學(xué)，使得原本被延誤的實驗課程得以按計劃執(zhí)行，有效地避免了復(fù)課后因為要補課而導(dǎo)致的實驗室超負載運轉(zhuǎn)以及帶來的疫情防控風(fēng)險，有力地保障了實驗室的安全穩(wěn)定運行和教學(xué)秩序的有序開展。

（2）極大地促進了教師自身信息化素養(yǎng)的提升和信息化教學(xué)能力的提高。為了應(yīng)對此次疫情，保證“停課不停教”，教師團隊主動學(xué)習(xí)使用多種新的智慧教學(xué)工具，深入挖掘新的仿真軟件功能，廣泛試用多種遠程實驗手段，還自學(xué)視頻拍攝、視頻剪輯、多媒體講義制作，這些新技能的加持為后疫情時代的實驗教學(xué)信息化改革提供了強有力的支撐。

（3）有力地推動了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念深入，推進了“教與學(xué)”方式的變革。本次電路實驗的在線教學(xué)，從各個實驗環(huán)節(jié)制定、實驗內(nèi)容安排，到實驗手段選擇、教學(xué)環(huán)節(jié)實施，都充分考慮到了學(xué)生居家學(xué)習(xí)的特殊情況和學(xué)生在知識、能力以及接受程度方面的差別，充分依托智慧化在線教學(xué)工具，構(gòu)建豐富的在線教學(xué)資源，以學(xué)生能力提升為目標(biāo)，真正將工程教育專業(yè)認證的反向設(shè)計思想融入實驗設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了學(xué)生知識、能力、素養(yǎng)的全方位培養(yǎng)。

然而，本次實驗課程的在線教學(xué)嘗試也暴露出了一些問題，比如對直播授課的節(jié)奏把握還有待改進，在某些操作細節(jié)方面過于糾纏，導(dǎo)致整體授課效率下降，使得有些學(xué)生反映直播授課略顯拖沓；還有對學(xué)生的Office 軟件應(yīng)用水平考慮不夠全面，導(dǎo)致不少學(xué)生在實驗報告中使用Excel進行數(shù)據(jù)分析和圖表繪制時遇到了較大困難和障礙。此外，還可以進一步開發(fā)和設(shè)計更多富于創(chuàng)新性、探究性的綜合實驗項目，針對不同基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)興趣的學(xué)生，構(gòu)建具有不同難度、深度和廣度的實驗內(nèi)容和環(huán)節(jié)，將因材施教和分層次教學(xué)思想引入在線實驗教學(xué)中。

7 結(jié)語

2020 年初的新冠肺炎疫情給實驗教學(xué)提出了巨大挑戰(zhàn)，同時也為促進實驗課程的教學(xué)方法改革和教學(xué)質(zhì)量提升提供了新的機遇。此次的電路實驗遠程在線教學(xué)模式探索將應(yīng)對疫情而實施的“無奈之舉”，轉(zhuǎn)化成為促進教育觀念改變、教學(xué)手段改進、教學(xué)質(zhì)量提高的寶貴契機，給后疫情時期防控常態(tài)化下的實驗教學(xué)順利實施積累了豐富的經(jīng)驗，也為未來的實驗教學(xué)方法改革提供了新的思路。在疫情過后，這種實驗課堂在線教學(xué)模式的探索不應(yīng)就此止步，而是應(yīng)和線下實驗結(jié)合起來，繼續(xù)推進實驗線上線下混合式教學(xué)模式的探索和發(fā)展，不斷將實驗教學(xué)改革推向新的高度。