周錦榮 吳朝榮 周慰君 喻文雨 魏搏濤

摘? 要? 信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐育人的人才培養(yǎng)模式構(gòu)建是國(guó)家高等教育新工科建設(shè)的重要組成部分。以提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)電子信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境、教學(xué)方式和教學(xué)智能化管理的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革進(jìn)行探索與實(shí)踐，利用無(wú)線物聯(lián)技術(shù)和虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備互聯(lián)共享以及實(shí)驗(yàn)管理方式進(jìn)行優(yōu)化利用，進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和管理信息化。

關(guān)鍵詞? 新工科；實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能管理系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）12-0030-05

Abstract? The construction of a talent training model based on informatization experimental teaching and practical education is an important part of the construction of new engi-neering disciplines in national higher education. This article takes as the starting point to improve the cultivation of stu-dents practical and innovative ability. It has explored and practiced the reform of the informatization experimental teaching model of the electronic information major experimental teaching environment， teaching methods and teaching intelligent management. The wireless Internet of Things technology and the combined virtual and actual experimental teaching mode are used for the experimental environment， the interconnection and sharing of experimental equipment and equipment， and the integrated design of experimental management methods. This design is used to further improve?experimental teaching methods and management information.

Key words? new engineering; intelligent management sys-tem for experimental teaching; lab

0? 引言

實(shí)踐育人是高校落實(shí)新工科建設(shè)“三全育人”的重要組成部分，是培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的重要手段[1-4]。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐是工科人才培養(yǎng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)理解與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的主要教學(xué)途徑之一。隨著新工科建設(shè)信息化教學(xué)的進(jìn)一步推進(jìn)，越來(lái)越多高校的電子信息類專業(yè)實(shí)驗(yàn)室已由原來(lái)的傳統(tǒng)型硬件實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換為集硬件與仿真為一體的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[5-8]。然而，部分高校原有實(shí)驗(yàn)室始建較早，大部分實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備與相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)更新不及時(shí)，設(shè)備因老化等原因損壞率逐年增加，對(duì)保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)正常實(shí)施和實(shí)現(xiàn)良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果產(chǎn)生一定的影響。近年來(lái)，為了增強(qiáng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，更好進(jìn)入實(shí)踐環(huán)境的維度，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建成為實(shí)驗(yàn)室升級(jí)改造和教學(xué)模式改革的方向。因此，實(shí)驗(yàn)室軟硬件建設(shè)提升，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革優(yōu)化成為實(shí)現(xiàn)新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要途徑[9-11]。

《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》等一系列戰(zhàn)略規(guī)劃的發(fā)布，旨在加快推動(dòng)我國(guó)教育信息化升級(jí)，助力教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)[9，12-13]。在此背景推動(dòng)下，智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理在電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)、電子通信工程等工科專業(yè)開(kāi)設(shè)的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化模式改革持續(xù)深化。本文以閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院與福建利利普光電科技有限公司共同承擔(dān)的漳州市重大科技專項(xiàng)以及教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人的產(chǎn)教融合研究項(xiàng)目成果為背景，分析基于無(wú)線物聯(lián)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和作用，為新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)現(xiàn)高效、信息化、智能化提供參考。

1? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能管理系統(tǒng)模式總體構(gòu)建

在電子信息工程、電氣工程及其自動(dòng)化等電類學(xué)科專業(yè)中，電路原理實(shí)驗(yàn)、模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)課程設(shè)計(jì)是專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中極其重要的組成部分。為了更好提升實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)信息化管理水平，設(shè)計(jì)以傳統(tǒng)基礎(chǔ)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)課、實(shí)訓(xùn)實(shí)踐課程常用的示波器、信號(hào)發(fā)生器、電源、萬(wàn)用表為核心的四件套組合實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)統(tǒng)一集成管理與師生互動(dòng)為宗旨，以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室資源利用效率，服務(wù)于師生為目標(biāo)，進(jìn)一步滿足實(shí)驗(yàn)室使用者和管理者的需求，同時(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)室管控軟件平臺(tái)支撐，可拓展到實(shí)驗(yàn)室智能門(mén)禁、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程電控等，整合至一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行全面動(dòng)態(tài)管理與控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室的有效監(jiān)控和智能化管理。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化、智能化和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究熱點(diǎn)，特別是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外疫情影響對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)提出新的挑戰(zhàn)，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)得到快速應(yīng)用[14-17]。由于工科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)具有較強(qiáng)的CDIO工程教育模式特點(diǎn)[18-20]，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)中具備知行合一能力，因此，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的要求具有較好可操作性和實(shí)際場(chǎng)景擬合應(yīng)用特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能管理模式設(shè)計(jì)的總體思路是把不同實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的測(cè)量?jī)x器通過(guò)Wi-Fi/LAN及ZigBee都連入互聯(lián)網(wǎng)，并可在網(wǎng)絡(luò)中的任何一端進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。其中擴(kuò)展部分可實(shí)現(xiàn)Wi-Fi/LAN、ZigBee雙連接，局域網(wǎng)可通過(guò)教師電腦連接實(shí)驗(yàn)室設(shè)備與儀器，也可通過(guò)手機(jī)APP云服務(wù)器對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。如圖1所示，系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)發(fā)送教學(xué)信息到使用設(shè)備上，查看并保存數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果，并可在線編輯提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告；自動(dòng)跟蹤記錄儀器使用情況，包括儀器型號(hào)、序列號(hào)、狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)使用時(shí)間和位置信息，了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)和學(xué)習(xí)情況。

2? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能管理系統(tǒng)構(gòu)建是教學(xué)質(zhì)量

監(jiān)測(cè)的重要手段

隨著高校新工科建設(shè)的不斷深入，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)越來(lái)越受到重視。工科類學(xué)生進(jìn)入實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，智能管理實(shí)驗(yàn)室對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、科學(xué)實(shí)驗(yàn)精神以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)踐態(tài)度都具有重要作用。智能管理系統(tǒng)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及教學(xué)管理兩部分，包括實(shí)驗(yàn)室、教師、學(xué)生、課程、項(xiàng)目、設(shè)備等基礎(chǔ)信息；可以對(duì)學(xué)校、學(xué)院、專業(yè)、班級(jí)進(jìn)行四級(jí)機(jī)構(gòu)設(shè)置和權(quán)限設(shè)置；支持人員信息批量導(dǎo)入導(dǎo)出，可以快速部署系統(tǒng)信息。實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理主要功能如圖2所示。

2.1? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、教學(xué)角色管理人性化

實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理主要有課程信息管理、預(yù)習(xí)管理、角色及功能設(shè)置等功能，可分別進(jìn)行教學(xué)計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)排課管理，實(shí)驗(yàn)課表、實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理、查詢、統(tǒng)計(jì)等；也可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)設(shè)置預(yù)習(xí)題，學(xué)生實(shí)驗(yàn)前需提前完成習(xí)題，分?jǐn)?shù)合格后方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。預(yù)習(xí)題可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)批改，無(wú)須增加教師負(fù)擔(dān)，同時(shí)讓學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)課程，課堂上能專心動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，減少實(shí)驗(yàn)原理和步驟講解。

教學(xué)角色管理主要由管理員端、教師端、學(xué)生端三部分組成。其中，管理員端主要功能是配置本校課時(shí)，進(jìn)行課程管理、排課管理，安排做實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)和時(shí)間。利用教師端，教師可以自定義實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，為每門(mén)課程添加需要做的實(shí)驗(yàn)，查看自己的排班，查看學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提交的數(shù)據(jù)，并給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)分。教師可以自定義擴(kuò)展一些內(nèi)容，以便學(xué)生更好地了解和完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。教師設(shè)定預(yù)習(xí)合格分?jǐn)?shù)，系統(tǒng)會(huì)判斷該學(xué)生的預(yù)習(xí)成績(jī)是否高于合格分?jǐn)?shù)，以設(shè)定他能否直接去做實(shí)驗(yàn)，還是需要重新預(yù)習(xí)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生可在線提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每次提交的數(shù)據(jù)都會(huì)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行范圍比較來(lái)判斷對(duì)錯(cuò)，教師在評(píng)定該學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)時(shí)也可參考其實(shí)驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有沒(méi)有達(dá)標(biāo)。實(shí)驗(yàn)課程的信息化管理如圖3所示。利用學(xué)生端，學(xué)生可查看要上的課程和要做的實(shí)驗(yàn)，查看實(shí)驗(yàn)詳情；查看實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提交的數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的比對(duì)情況，編輯完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫(xiě)；在實(shí)驗(yàn)列表中可以參加預(yù)習(xí)并查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、教師的評(píng)分和評(píng)語(yǔ)等。實(shí)驗(yàn)報(bào)告編輯時(shí)可以手工填寫(xiě)報(bào)告正文，上傳數(shù)據(jù)記錄表、圖片等其他附件，如圖4所示。

2.2? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)管理多樣化

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)校園卡刷卡開(kāi)機(jī)并與賬號(hào)綁定，使用自己賬戶完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后當(dāng)場(chǎng)提交自己測(cè)量的數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)。教師可在線進(jìn)行批閱，并針對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況分別進(jìn)行打分。由教師申請(qǐng)，以管理員審核通過(guò)的自主實(shí)驗(yàn)、自擬實(shí)驗(yàn)、指定可選實(shí)驗(yàn)等多種開(kāi)放模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放預(yù)約管理。通過(guò)后臺(tái)操作和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)靈活管理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，使得實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備得到有效應(yīng)用。系統(tǒng)也可以實(shí)時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)查看各實(shí)驗(yàn)室儀器使用情況，并可以實(shí)時(shí)觀察儀器狀態(tài)，保證儀器設(shè)備的正常使用，如圖5所示。

3? 結(jié)論

通過(guò)構(gòu)建多功能、智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，可以進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及場(chǎng)地利用率，借助網(wǎng)絡(luò)化、信息化手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更好適應(yīng)新工科實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需求。在實(shí)踐育人中，學(xué)生按規(guī)定流程執(zhí)行實(shí)驗(yàn)流程并有過(guò)程監(jiān)控，可以真正有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既能使實(shí)驗(yàn)實(shí)踐較好減少時(shí)間和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的限制，又能在課前課后較好地進(jìn)行師生互動(dòng)，解決更多實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)驗(yàn)效果。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能管理系統(tǒng)能較好滿足開(kāi)放性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，為提升學(xué)生實(shí)踐能力和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式參考。

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