線上線下混合式實驗教學模式構建與實踐

李 利，韓 東，徐 池，賀 寅

（海軍大連艦艇學院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018）

網絡技術的發(fā)展，網絡帶寬和速度日益提高，依托互聯網或軍綜網，為軍隊院校開展遠程虛實一體實驗教學模式提供了可能。在線實驗教學是一種全新的開放式實驗教學模式，可以很好地彌補傳統(tǒng)實驗室在經費、場地、器材及開放性等方面的限制，將有利地推動實驗教學體制改革。與線下實驗室結合，學員既可在實驗室現場實驗，也可通過網絡進行遠程實驗，教員可在線上直接進行實驗安排、實驗指導、報告批改和實驗打分等，減少了實驗室維護與管理方面的精力投入，節(jié)約資源，提高效率，從而構建“線上”+“線下”互補的混合式實驗教學模式。

為了探索通信專業(yè)基礎課混合式實驗教學模式，依托線下“通信原理”實驗室建設了信息通信在線實驗平臺，在通信原理、信號與系統(tǒng)等課程的教學過程中實踐線上線下混合式實驗教學模式。論文給出在線實驗平臺的構建方案、實驗案例對比分析和實踐應用效果分析。

一、在線實驗平臺的建設目的和系統(tǒng)構建

（一）建設目的和解決的教學問題

為推動實驗教學體制改革，推進在線實驗平臺建設是高校實驗教學發(fā)展的必然趨勢，構建線上線下混合式實驗教學模式更是實驗教學體制改革的重要方向，建設在線實驗平臺，可以改善和解決以下教學問題。

（1）有效解決突發(fā)疫情情況下難以開展線上實驗教學的問題。當前新冠肺炎疫情下，為解決停課不停學問題，在線教學成為當前最有效的教學方式，然而目前的網課解決的絕大部分是理論授課部分，而實驗教學尤其是實驗內容占比較大的課程的教學無法得到保證。依托基于網絡的實驗平臺開展線上線下混合式實驗教學可有效解決這一突出問題。

（2）有效解決實驗場地承訓能力不足與學員實驗時間充突的矛盾，學員能在遠端隨時、隨地、隨興完成課程實驗，進行設計創(chuàng)新開發(fā)，通過分時錯峰登陸解決了現場實驗保障能力不足的問題；現場實驗教學與遠端實驗教學可并行進行，與項目式課題式實驗研究相結合，提升學員實驗操作學習自主性。

（3）克服了實驗模式單一、實驗內容固定的問題，學員可以根據個人的學習進度、學習時間及學習能力，安排實驗時間選擇擴展實驗內容，激發(fā)學員實驗的積極性，滿足個性化發(fā)展的教學要求。

（4）混合實驗教學方式的建立，減少了教員在實驗室維護與管理方面的工作時長，實驗室可24 小時無人值守運行，將教員精力解放到為學員指導答疑等方面，提升學員實驗課程學習深入程度。

（5）將傳統(tǒng)實驗內容無法展示的部分通過信息化圖形化展示給學員，使學員對知識點掌握速度更快，理解更深刻。

傳統(tǒng)的實驗教學模式是教員課上教、學員課上學，是一種灌輸式的學習模式，其學習效果不佳。而線上線下混合式實驗課教學模式則打破了這一學習壁壘，教員利用網絡教學平臺下放學習任務，學員在課下通過線上教學平臺，自主學習、隨時學習，對于學習中不理解的問題，線上與教員和同學進行溝通交流。教員能把注意力集中在學員不理解的問題上，這種交流過程不僅提高了學員的自學能力和思維能力，而且也使教員在授課前掌握了本班學員實驗教學中的疑難點，從而有針對性地進行備課，提高實驗教學效率。

混合式實驗教學模式注重提高學員對實驗過程的理解能力。通過線上實驗課教學，教員有針對性地講解難點，學員也可以在課堂上更加專注于主動學習，對實驗有更深的理解。同時，結合在線實驗操作平臺，學員在實際實驗操作前多次進行在線實驗操作，熟悉整個操作過程和實驗所需儀器。通過這種教學方法的改革，學員在進行實際實驗操作時，基本掌握了整個操作過程，提高了實驗的成功率。

（二）信息通信在線實驗平臺的系統(tǒng)構建

為了探索和實踐通信專業(yè)課程混合式實驗教學模式，立項建設了信息通信在線實驗平臺。平臺基于現有的通信原理實驗室升級構建，在現有線下實驗基礎上增加線上實驗功能。只需在現有場地增設機柜一臺（內置服務器、硬件實驗模塊和交換機）、布設網絡線路一條。系統(tǒng)可部署運行于實驗室局域網、校園網、軍綜網或互聯網。

該在線實驗平臺采用“硬件設備—服務器（管理平臺）—客戶端瀏覽器”的B/S 架構模式，所有硬件電路設備不直接連接客戶端，而是由服務器統(tǒng)一管理按需分配給每個用戶，客戶端在實驗過程中測量的數據均由后臺硬件電路實際產生，數據真實有效，與實驗室實測的數據完全相同，與純虛擬仿真系統(tǒng)有本質的區(qū)別。實驗設備采用硬件板卡模式，集成在標準的機箱中，機箱內置于機柜中，占地面積小，方便安裝部署及后續(xù)課程擴展。在線實驗平臺系統(tǒng)架構示意圖如圖1 所示。

圖1 在線實驗平臺系統(tǒng)架構示意圖

實驗平臺采用3U 標準機箱式結構，客戶端學生實驗均有實際硬件電路對應，硬件資源動態(tài)分配，每門課程能并發(fā)25 名學生同時實驗，系統(tǒng)24 小時無人值守運行，針對用戶數量較多的情況可分時登錄實驗；多個平臺可級聯。支持信號與系統(tǒng)、通信原理課程，根據需要可進一步擴展數字信號處理、高頻電子線路和軟件無線電等課程。

操作平臺標配多種以實際儀器面板設計的虛擬儀器，學生既能用虛擬儀器實時測量各種電信號，又能訓練學生熟練使用實際儀器；實驗平臺由網管軟件和操作平臺軟件支持，無需單獨安裝客戶端，學員能在電腦終端的瀏覽器上登陸實驗系統(tǒng)、搭建實驗電路、配置實驗電路各種參數、選擇測試點、操作虛擬儀器并實時測量實驗數據、截取測試數據和波形和設計并上傳電子實驗報告，如圖2 所示。

圖2 搭建電路、配置參數及觀測數據

二、傳統(tǒng)實驗與新實驗模式的案例對比

以通信原理課程PCM 編譯碼實驗為例。

傳統(tǒng)實驗中，PCM 編碼用集成芯片實現，需要從信號源獲取輸入信號，輸入到PCM 模塊進行編碼，后譯碼，經由雙通道示波器顯示波形，如圖3 所示。

圖3 PCM 編譯碼實驗原理圖

這個過程需要信號源、對應實驗模塊、示波器等設備；只能看到輸入模擬信號和輸出編碼數據，芯片完成的帶限、抽樣、量化及編碼過程無法看到，量化原理及PCM 編碼規(guī)則的具體體現學員也無法很好地與理論銜接，無法確定計算出的編碼值是否為輸入信號對應的值。學員更多只是看指導書連線，示波器只能觀測到原始信號及編碼后的信號，中間編碼過程無法通過實驗進行驗證，且大部分學員使用的示波器為雙通道示波器，無法同時觀測原始信號、編碼后信號、譯碼后還原信號及其他多路信號，學員對于其中原理掌握并不透徹。

新實驗方式中，學員可以遠程自由選擇對應的實驗模塊進行實驗，信號源和示波器可直接遠程操作顯示，可以將PCM 編碼中整個過程中的多個觀測點直接進行觀測，包括設置輸入信號幅度頻率、帶限輸出、抽樣脈沖、編碼時鐘、編碼輸出、恢復時鐘、同步脈沖、濾波信號和譯碼輸出，可通過電子開關切換信號連通狀態(tài)。內部信號流向簡單明了，通俗易懂，且實驗操作界面是4 通道示波器，滿足同時觀測多路信號的需要，示波器可以對任一觀測點進行波形展示，示波器界面采用真實示波器面板，操作過程與真實儀器完全一致，達到和學員在實驗室操作儀器同樣的效果。對抽樣、量化和編碼過程進行深度分析展示，加深學員對知識點的理解程度?？筛鶕W員實驗進度及興趣，擴展完成二次開發(fā)等實驗內容，學員可以遠程將編寫的程序加載到硬件設備上，從系統(tǒng)得到硬件反饋，從而完善調整代碼功能?？梢罁W員學習程度，分層次提供部分二次開發(fā)代碼，針對性提高學員學習能力。學員完成實驗后可在線提交實驗報告，教員可在線批改。該實驗案例的在線實驗過程如圖4—7 所示。

圖4 在線查閱實驗指導書

圖5 實驗操作連接

圖6 實驗儀器顯示界面

圖7 PCM 抽樣量化編碼過程

三、混合式實驗模式的應用效果

2020 年初新冠肺炎疫情爆發(fā)后，海軍大連艦艇學院艦艇通信指揮專業(yè)、艦艇情電指揮專業(yè)的通信原理和信號與系統(tǒng)課程依托信息通信在線實驗平臺開展了網上實驗，2021 年，課程組繼續(xù)針對此2 門課程實踐了線上線下混合式實驗，實驗課采取了一半學員線上一半學員線下的方式進行，通過對比發(fā)現：

（1）實驗完成度成效明顯。自應用新實驗教學方式以來，線上實驗任務及時完成率100%。而線下實驗由于學員不熟悉實驗器材及實驗箱老舊導致性能不良甚至故障等原因，課堂實驗完成率不足50%。

（2）調課補課現象明顯減少。由于線下實驗室容量有限，即使2 人一組實驗，單批次人數也不超30 人，對于50 多人的班次，需要額外調課或補課，而當堂實驗任務沒有完成，則需要開放實驗室學員額外補課完成實驗，大大增加了學員和教員的時間投入。線下線上混合實驗恰好能彌補此問題，實際授課過程中，指定線上實驗項目人為設定對學員限時一周開放，學員只要在限定時間內完成實驗即可且不限地點，線上實驗錯時登陸總體上不限人數，而線下實驗任務沒有完成的允許做線上實驗彌補。由此，混合式實驗方式線下補課補做率由60%降為0，同時也大大節(jié)約了教員和學員的時間和精力。

（3）學員積極性明顯提高，學習深度加深。從實驗報告提交質量來看，線下實驗學員能勉強完成實驗任務且很少有人主動完成拓展實驗，而線上實驗由于時間較充裕且實驗進程更加順利，使得學員積極性明顯提高，有30%的學員能主動完成拓展實驗，有10%的學員愿意嘗試二次開發(fā)功能。

（4）教員精力投入方向明顯轉變。線下實驗教員要維護實驗設備，課前保障設備完好率，課后要檢查整理設備，大大占用了教員精力。而線上實驗24 小時無人值守運行，無需人工維護，教員的精力可大大轉向實驗指導方向。混合式實驗方式可使得教員管理維護時間降至原來的30%，實驗指導時間提升至原來的200%以上。

四、結束語

基于信息通信在線實驗平臺，“線上”+“線下”混合式實驗教學模式彌補了線上實驗教學不便開展的不足，與線下實驗互補，且克服了傳統(tǒng)實驗項目固定且單一的缺點，真正實現了不限時間、不限地點、不限人數的全開放實驗。

實踐發(fā)現，線上線下混合式實驗模式在實驗完成度、減少調課補課、提高學習積極性和學習深度及聚焦教員精力方面有顯著改進和提高，線上實驗效果不輸線下，是軍隊院校實驗教學改革的重要發(fā)展方向。