基于Android Studio 的電工學(xué)實驗教學(xué)輔助平臺開發(fā)與應(yīng)用＊

付興蘭，趙士林，曹亮，馬馳，李光林

（西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

2018 年教育部發(fā)布的《教育信息化2.0 行動計劃》明確提出 “構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、個性化、終身化的教育體系，建立人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)的學(xué)習(xí)型社會，打造適應(yīng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理、自主服務(wù)需求的智慧實驗室，構(gòu)建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學(xué)平臺” 的總體要求[1]。同年，教育部提出了高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度（“兩性一度”）金課建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，號召革新傳統(tǒng)教學(xué)，不斷更新教學(xué)理念，豐富教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方法，最大化地挖掘?qū)W生潛力[2]。2021 年12 月，中央印發(fā)了《“十四五” 國家信息化規(guī)劃》，首次明確提出“開展終身數(shù)字教育” 的要求，并指明了在 “十四五” 時期要利用信息技術(shù)完善教育教學(xué)環(huán)境、優(yōu)化教育資源供給、加快教學(xué)方式改革，為構(gòu)建面向每個人、適合每個人、更加開放靈活的教育體系提供強有力支撐[3]。上述的政策和規(guī)劃為高校教學(xué)新模式的發(fā)展指出了明確方向。而OBE 作為一種先進的教育理念，已被證明是高等工程教育改革的正確方向[4]。因此，在OBE理念引導(dǎo)下，積極推進教育教學(xué)改革，對中國高等教育更好地適應(yīng)國家及經(jīng)濟社會發(fā)展至關(guān)重要。

實驗教學(xué)作為整個教學(xué)活動的重要組成部分之一，是指教師以教學(xué)項目為基本單元在實驗室對學(xué)生開展的一項教學(xué)活動[5-9]。實驗教學(xué)的目的是通過實驗設(shè)備、實驗手段及實驗現(xiàn)象加深學(xué)生對理論知識的理解和掌握[10-13]。因此實驗教學(xué)環(huán)節(jié)在整個教學(xué)環(huán)節(jié)中有著舉足輕重的作用，既是基礎(chǔ)理論知識的內(nèi)化，也是理論知識的升華。

因此，本文在對傳統(tǒng)電工學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，剖析傳統(tǒng)電工學(xué)實驗教學(xué)存在的主要問題。結(jié)合OBE 理念，進一步地提出新的教學(xué)模式，同時基于Android Studio 搭建一款電工學(xué)實驗輔助平臺開展新的教學(xué)模式，為電工學(xué)實驗教學(xué)建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 電工學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

“電工學(xué)” 是高等教育工科類非電類專業(yè)的一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生獲得電工技術(shù)方面的基本概念、基本原理、基本分析方法和基本技能，掌握電工學(xué)的相關(guān)理論和方法。電工學(xué)實驗作為電工學(xué)課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實驗使學(xué)生掌握電工學(xué)的相關(guān)理論和方法[14-15]，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為以后的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和科學(xué)研究工作打下扎實的理論和實踐基礎(chǔ)[16-19]。

目前電工學(xué)實驗課程共包含16 個實驗，其中14 個為驗證型實驗，2 個為設(shè)計型實驗，具體教學(xué)模式如圖1 所示。從圖1 可見，理論講授、實驗講解和成績評定3 個環(huán)節(jié)由教師主導(dǎo)，實驗預(yù)習(xí)、實驗操作和實驗報告由學(xué)生自主完成，而學(xué)生和教師僅在實驗操作環(huán)節(jié)有交叉。因此，該教學(xué)模式存在以下問題：①教學(xué)模式單一。目前的實驗教學(xué)以驗證型實驗為主，教學(xué)模式單一，實驗項目沒有層次劃分。②教學(xué)資源供需不平衡。受限于實驗設(shè)備、場地數(shù)量，目前只能固定時長以班級為單位安排實驗，此外實驗設(shè)備為集成化、模塊化的操作臺（如圖2 所示），電子元器件損耗快，維修程序復(fù)雜、周期長，進一步導(dǎo)致教學(xué)資源供需難以平衡。③學(xué)生學(xué)時受限。受限于實驗室開放時間，學(xué)生只能在固定的時間段完成實驗。實驗課外，學(xué)生沒有自由選擇實驗時間、實驗項目的機會與平臺。

圖1 目前電工學(xué)實驗教學(xué)模式示意圖

圖2 電工實驗操作臺

長此以往，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性會逐漸降低，違背了實驗教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的宗旨。

2 電工學(xué)實驗教學(xué)新模式構(gòu)建

針對上述問題，結(jié)合OBE 教育理念，將電工學(xué)實驗項目設(shè)計為演示型實驗（20%）、驗證型實驗（30%）和綜合設(shè)計類實驗（50%）3 個模塊，如圖3 所示。具體情況如下：①演示型實驗采用集中教學(xué)方式開展，教師對課程要求、實驗室管理、電子元器件認(rèn)識等進行講解，規(guī)范學(xué)生的實驗操作，培養(yǎng)良好的實驗習(xí)慣；②驗證型實驗采用多樣化教學(xué)模式，設(shè)置預(yù)約制、開放式的實驗管理辦法，由學(xué)生自主靈活安排并完成實驗預(yù)習(xí)、實驗預(yù)約、實驗操作和實驗報告；③綜合設(shè)計型實驗教學(xué)中，采用分層次、個性化教學(xué)模式，依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、目標(biāo)和興趣，自愿組合團隊開展綜合設(shè)計型實驗，并在此階段選擇優(yōu)秀的實驗設(shè)計，鼓勵學(xué)生參加競賽或科研實驗，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。

圖3 電工學(xué)實驗教學(xué)新模式示意圖

通過上述3 個教學(xué)環(huán)節(jié)的實施，將學(xué)生的電工學(xué)實驗學(xué)習(xí)劃分為階梯式的模式，從基礎(chǔ)認(rèn)知過渡到深化理論再到創(chuàng)新應(yīng)用，提高電工學(xué)實驗教學(xué)的“兩性一度”，最終為社會培養(yǎng)出基礎(chǔ)扎實、動手操作能力強和綜合素質(zhì)高的優(yōu)秀人才。

3 電工學(xué)實驗教學(xué)輔助平臺設(shè)計

為了實現(xiàn)上述的實驗教學(xué)新模式，將電工學(xué)實驗教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化的教學(xué)資源相結(jié)合，開發(fā)配套的實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息平臺，實現(xiàn)更靈活、更開放和更豐富的實驗教學(xué)[20-23]。電工學(xué)實驗教學(xué)輔助平臺（電工學(xué)實驗助手）的功能模塊圖如圖4 所示。該系統(tǒng)包含學(xué)生、教師和實驗室三大模塊，具體情況如下。

圖4 電工學(xué)實驗助手功能模塊圖

學(xué)生模塊設(shè)計了賬號管理、課件共享資源、實驗預(yù)約、報告提交、交流與討論、成績查詢等功能。學(xué)生根據(jù)自己的時間靈活安排實驗內(nèi)容學(xué)習(xí)、實驗時間和進度，完成實驗后按要求提交實驗分析報告，課程結(jié)束后可在系統(tǒng)里查詢實驗成績，整個實驗過程中均可在交流與討論模塊中與教師互動。這樣的方式可以充分發(fā)揮學(xué)生的自覺性和主觀能動性，實現(xiàn)學(xué)生隨時、隨地、按需學(xué)習(xí)。

教師模塊設(shè)計了賬號管理、實驗課件更新、實驗項目設(shè)計、實驗預(yù)約更新、討論與交流、成績評定等功能。教師在系統(tǒng)中更新課件、共享資源、實驗項目內(nèi)容，根據(jù)個人時間和可用實驗設(shè)備數(shù)量設(shè)置預(yù)約時段和實驗臺數(shù)量。該模式下教師設(shè)計實驗的時間將更充裕，實驗教學(xué)的管理也會更高效，突破了時間和空間限制，實時對學(xué)生進行監(jiān)督和指導(dǎo)。

實驗室模塊設(shè)計了用戶管理、實驗室公告管理、安全管理視頻、監(jiān)控管理等功能。實驗室開放時段內(nèi)均重復(fù)播放實驗室安全和操作規(guī)范，提醒學(xué)生注意人身安全和實驗安全，監(jiān)控設(shè)備用于觀察并記錄學(xué)生實驗操作過程。

通過實驗助手的開發(fā)，實現(xiàn)教與學(xué)的改革與創(chuàng)新，為學(xué)生和教師提供更靈活、更自由的實驗教學(xué)環(huán)境，滿足每個學(xué)生都可以實現(xiàn)動手操作的愿望，保證實驗教學(xué)的質(zhì)量。電工學(xué)實驗助手APP 的功能界面設(shè)計如圖5 所示。

圖5 電工學(xué)實驗助手功能界面設(shè)計圖

4 電工學(xué)實驗教學(xué)輔助平臺應(yīng)用效果與分析

基于Android Studio 平臺，采用Java 語言完成了電工學(xué)實驗助手的開發(fā)。為了評估新的教學(xué)模式的效果，將開發(fā)完成的電工學(xué)實驗助手應(yīng)用于2021 級電工學(xué)實驗課程中，開展了基于OBE 理念的電工學(xué)實驗教學(xué)“兩性一度” 教學(xué)新模式的實施應(yīng)用。教學(xué)年級共計77 名學(xué)生，按小班教學(xué)模式開展，分為2 個教學(xué)班，電工學(xué)實驗助手部分使用界面舉例如圖6 所示。從圖6可見，學(xué)生通過下載APP 程序安裝在手機上，注冊用戶名和密碼后就可以登錄系統(tǒng)完成報告上傳、實驗預(yù)約、交流討論、成績查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等操作，不受時間和空間的限制，實驗教學(xué)和實施更為靈活。

圖6 電工學(xué)實驗輔助APP 操作界面舉例

進一步地，通過對本屆學(xué)生成績進行分析，得到了如表1 所示的學(xué)生成績分布表。從表1 可見，教學(xué)1 班（37 人）的合格率為97%，良好成績占比16.22%，優(yōu)秀成績占比達到8.11%；教學(xué)2 班（40 人）的合格率為100%，良好成績占比30%，優(yōu)秀成績占比達到5%。從實施效果可見，在新的教學(xué)模式下，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、參與度、自主性和創(chuàng)新性均得到了較好的改善，這不僅有利于學(xué)生學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果的提高，還為電工學(xué)實驗教學(xué)提供了新的信息化技術(shù)手段，滿足了新時代人才培養(yǎng)的需求。

表1 電工學(xué)實驗教學(xué)班成績分布表

5 結(jié)論

“電工學(xué)” 作為工科類非電類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)課程的基礎(chǔ)和前提，在工科類學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮著重要作用。本文通過分析目前電工學(xué)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)存在教學(xué)模式單一、教學(xué)資源供需不平衡、學(xué)生學(xué)時受限等問題。針對上述問題，提出了基于OBE 理念的電工學(xué)實驗教學(xué)新模式，重構(gòu)了原來的實驗教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)了多層次分類教學(xué)，設(shè)計了創(chuàng)新性實驗項目，提高了課程的高階性、創(chuàng)新性，增大了挑戰(zhàn)度。為了實現(xiàn)新的教學(xué)模式的實施，基于Android Studio 設(shè)計開發(fā)了教學(xué)輔助平臺（電工學(xué)實驗助手），有效解決了目前實驗教學(xué)存在的問題，實現(xiàn)了分層次、多元性和個性化教學(xué)，不僅提升了學(xué)生學(xué)習(xí)自覺性和主動性，還實現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐操作能力的提高，對于達成新工科“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實踐、強能力、高素質(zhì)” 的培養(yǎng)需求具有重要意義。