崔玉龍 范逸強 于浩然 何冠男 張 紅

北京化工大學(xué) 北京 100029

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，教學(xué)方式也與時俱進。從20世紀(jì)90年代的書本教學(xué)到多媒體的普遍應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、全天候教學(xué)、移動教學(xué)等教學(xué)方式成了高校的教學(xué)改革方向。數(shù)字電路、模擬電路作為電子類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其教學(xué)內(nèi)容分為理論和實驗兩部分。而實驗部分的設(shè)立是為了加深學(xué)生對于理論的理解以及運用。為了解決實驗課程中出現(xiàn)的一系列問題，引入了網(wǎng)絡(luò)化實驗平臺，對實驗課程和儀器進行有效管理。這不僅是多媒體教學(xué)的應(yīng)用，也是當(dāng)今最熱關(guān)鍵詞“物聯(lián)網(wǎng)”“云服務(wù)”概念的實際運用，也是教學(xué)改革的創(chuàng)新點所在，且對于以后相關(guān)專業(yè)的實驗課程具有指導(dǎo)意義。

1 數(shù)字電路、模擬電路教學(xué)現(xiàn)狀

如今，教育部大力提倡教學(xué)改革，如何在實驗教學(xué)方式和內(nèi)容上應(yīng)用最新的科學(xué)技術(shù)則成了各大高校教師的主要教學(xué)改革方向之一。就目前的教學(xué)情況來看，大部分高校教師過多側(cè)重理論教學(xué)，實驗教學(xué)學(xué)時相對較少，理論授課課時往往跟實驗教學(xué)課時差距很大。實驗課時還會因為實驗器材緊張和師資不足而壓縮，使得學(xué)生無法真正深入理解課程內(nèi)容。教學(xué)方式、考核方式過于單一，教師難以把握學(xué)生實際課程的掌握程度。且高校對于不同專業(yè)的數(shù)電、模電基礎(chǔ)課程教學(xué)缺乏針對性，不能為各個專業(yè)量身定做。

2 教學(xué)存在問題

在分析數(shù)字電路、模擬電路的教學(xué)現(xiàn)狀[1-4]時，存在以下教學(xué)問題。教學(xué)是教師和學(xué)生之間的互動過程，因此教師的教授方式、課程內(nèi)容的設(shè)置、學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度以及教學(xué)輔助工具等都是教學(xué)成果的重要影響因子。對北京化工大學(xué)2015信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院下屬的學(xué)習(xí)數(shù)字電路、模擬電路課程的專業(yè)進行調(diào)查。專業(yè)涉及自動化專業(yè)、測控技術(shù)與儀器專業(yè)、電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、通信工程以及國際學(xué)院。數(shù)電實驗課程安排在秋季學(xué)期，模電實驗安排在春季學(xué)期。以上專業(yè)，除國際學(xué)院外，一個學(xué)期課程均為20學(xué)時，一學(xué)時45分鐘；而國際學(xué)院安排的課程均為48學(xué)時，且教材為雙語教材，實驗課程為英文教材，上課為英文授課。調(diào)查結(jié)果顯示，國際學(xué)院的學(xué)生與其他專業(yè)的學(xué)生相比，課時長，所用國外教材要求動手能力更高，英語授課與國際接軌，授課效果顯著。除基本實驗課程之外，還可自己搭建新型實驗電路，對課程進行創(chuàng)新。而其他專業(yè)的學(xué)生因為課時少，只能完成基本的實驗電路，對課程的理解程度相對較差。但無論哪種授課方式，在授課過程中都會出現(xiàn)以下問題。

2.1 實驗問題

據(jù)高校調(diào)查顯示，主要問題為學(xué)生使用儀器步驟不規(guī)范、儀器使用出現(xiàn)問題多、儀器使用的問題反復(fù)出現(xiàn)、實驗內(nèi)容與日后工作不符、開放式實驗師資力量不足、教師在教授使用儀器上耗時過多等。學(xué)生上課時大都將時間花費在熟悉儀器上，忽略了實驗本身的意義；同時，教師需要不斷地解決學(xué)生提出的儀器使用問題，且很多問題都為重復(fù)問題，浪費了大量寶貴的教學(xué)時間，對于實驗的教學(xué)創(chuàng)新也是有心無力；實驗的考核多為紙質(zhì)報告，批改和整理也需要很長時間，考核成績管理不便利。

2.2 儀器管理問題

隨著各大高校對于教學(xué)經(jīng)費的逐年投入，實驗室的設(shè)備資產(chǎn)越趨于龐大，價值越來越高，設(shè)備的管理與維護也成了教師教學(xué)的重要問題。實驗室設(shè)備數(shù)量大，管理和維護給實驗室教師帶來很大困難；設(shè)備利用率低，統(tǒng)計儀器的老化率和損壞率也較嚴(yán)重；不能合理地分配實際使用率(許多儀器過了保修期還未發(fā)現(xiàn))；校企合作流程繁雜，需要時間協(xié)調(diào)，不易及時發(fā)現(xiàn)儀器使用問題。加之儀器的管理和維護問題，綜合以上種種因素均嚴(yán)重壓縮了教師對于教學(xué)課程的創(chuàng)新時間以及科研時間。

3 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺

為了解決以上問題，引入UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺。UltraLab設(shè)計理念涉及網(wǎng)絡(luò)化和云服務(wù)等先進技術(shù)，使整個系統(tǒng)十分具有超前性和科技感。UltraLab系統(tǒng)具有共享教學(xué)信息、儀器信息管理、云端資源功能。UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺[5]用網(wǎng)路搭建了一個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)共享平臺(如圖1所示)，將示波器、信號發(fā)生器、多用電表、電源等多種實驗儀器進行聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生可以遠程操控實驗設(shè)備，教師也可以對實驗儀器設(shè)備進行在線管理和對學(xué)生進行在線指導(dǎo)，還可以上傳課程視頻、課件、文檔等。

圖1 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的先進性

3.1 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的基本原理

圖2 為UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺原理圖，由工作臺、交換機、服務(wù)器和用戶終端構(gòu)成。工作臺分為數(shù)字示波器、線性可編程電源、波形發(fā)生器、數(shù)字萬用表等設(shè)備。以上設(shè)備都具有網(wǎng)絡(luò)接口，可實現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”的功能，連接計算機，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)平臺；交換機配置儀器的IP地址，實現(xiàn)設(shè)備和服務(wù)器之間的信息交互。

服務(wù)器實現(xiàn)用戶和交換機之間的數(shù)據(jù)傳輸。用戶可以在手機、平板電腦、手提和臺式計算機等用戶終端上通過相應(yīng)的軟件在網(wǎng)絡(luò)上對儀器進行操作和配置。

圖2 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺系統(tǒng)原理圖

3.2 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺實驗界面介紹

如圖3所示，UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺系統(tǒng)的功能分為實驗教學(xué)功能和實驗管理功能。實驗教學(xué)功能：課件下載功能、自定義儀器功能、控制功能、即時通信功能、報告生成功能和在線考核功能；實驗管理功能：學(xué)生使用儀器信息、學(xué)生實驗成績等方面的管理功能。

3.2.1 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)功能的探究

自定義儀器功能：在做不同實驗時，使用的儀器不盡相同，教師或?qū)W生可通過軟件根據(jù)實驗需求選擇所用儀器，從而提升儀器使用率，節(jié)省學(xué)校資源。

圖3 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺系統(tǒng)操作界面

控制功能：實驗進行前，學(xué)生在平臺軟件上進行儀器參數(shù)的設(shè)定，具體操作如圖4、圖5所示，如設(shè)定示波器的頻率、振幅、量程、測量精度等參數(shù)，信號發(fā)生器的波形、頻率、振幅等參數(shù)。且儀器的參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)讀取已經(jīng)做了數(shù)字化處理，具有較高的精度。因此，不僅教師可以通過UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺管理實驗設(shè)備，還可讓學(xué)生在線訓(xùn)練實驗。

儀器參數(shù)可以統(tǒng)一設(shè)置，解決教師數(shù)量少等問題。

圖4 儀器參數(shù)顯示頁面圖

圖5 儀器參數(shù)設(shè)置界面

即時通信功能：實驗操作中，學(xué)生可通過查閱說明書進行自學(xué)，還可以通過實時通信軟件與教師進行信息交互。教師可實時掌握學(xué)生進度，進行在線指導(dǎo)教學(xué)，解決學(xué)生問題，對學(xué)生的情況進行實時統(tǒng)計，為接下來的教學(xué)工作做好準(zhǔn)備。報告生成功能：如圖6所示，學(xué)生做完實驗后，自動生成實驗報告，教師進行在線查閱和批改后給出成績。不僅能夠生成實驗報告，教師還可以進行在線查閱和批改給出成績。不僅節(jié)省學(xué)生時間，也節(jié)約了教師的時間，為教師省出更多的科研創(chuàng)新時間，提高師生的學(xué)習(xí)效率以及實驗報告存放質(zhì)量。

在線考核功能：教師可在系統(tǒng)上隨機分配多套實驗考核試題，達到因材施教以及適應(yīng)不同專業(yè)學(xué)生的目的。學(xué)生通過在網(wǎng)絡(luò)上進行在線測評，完成期末考核，系統(tǒng)自動評測成績。這不僅減輕了教師評卷負擔(dān)，還提高了閱卷準(zhǔn)確率，保證了考試的公平性。

圖6 實驗報告

3.2.2 UItraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺管理和測試功能的探究

UItraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺不僅有教學(xué)功能，還具有測試和管理功能，例如應(yīng)用在實驗、儀器、信息、課程和成績等方面(如圖7所示)。下文只對實驗管理功能、成績管理功能和系統(tǒng)的實驗測試進行主要的介紹。

圖7 管理界面

實驗管理功能：教師根據(jù)課程定制實驗內(nèi)容，學(xué)生在平臺上按照要求進行實驗。既方便了教師教學(xué)，學(xué)生還可得到針對性的訓(xùn)練和提高。對教學(xué)管理和學(xué)生課業(yè)有著指導(dǎo)、規(guī)劃作用。

信息和成績管理功能：信息管理系統(tǒng)主要是用來管理學(xué)生的個人資料和記錄儀器使用信息。學(xué)生信息可通過學(xué)校系統(tǒng)直接導(dǎo)入實驗平臺，可用來記錄學(xué)生的考勤、平時成績、期末考試成績。儀器的實際使用情況可通過實驗平臺實時跟蹤記錄，如圖8所示，用來登記和檢測儀器的使用頻率和故障率。從而實驗室教師可以迅速排查儀器故障，進行維修，大大減少工作量，提高工作效率。

圖8 儀器管理

系統(tǒng)的實驗測試功能：如圖9所示，用戶可以自定義測試的順序，對儀器進行組合，最終實現(xiàn)模擬工業(yè)自動化測試的功能。

圖9 模擬工業(yè)自動化測試

3.3 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的優(yōu)點

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)化

在圖2中，系統(tǒng)中的各類設(shè)備和終端均具有聯(lián)網(wǎng)功能。個系統(tǒng)都可實行網(wǎng)絡(luò)在線管理，特別是實驗設(shè)備配置具有符合LX-I的C類LAN接口，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度得到大大提升。

3.3.2 真正意義的開放性

建立好UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺之后，學(xué)生使用自己計算機終端可隨時隨地進行實驗課程學(xué)習(xí)，管理實驗室的教師也可以通過個人用戶終端24小時進行遠程監(jiān)控和管理設(shè)備。與傳統(tǒng)的實驗實操課程相比，實現(xiàn)了移動學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)，在線監(jiān)測儀器和排查故障，也實現(xiàn)了全天候開放性實驗室的目的。

3.3.3 強大的云服務(wù)平臺

云服務(wù)平臺即為虛擬硬盤，可存儲海量數(shù)據(jù)，滿足實驗管理需求。學(xué)生數(shù)量多，實驗數(shù)據(jù)、文件、成績等文件資料需要有序存儲，教學(xué)課件、教學(xué)計劃、實驗教程和慕課資料等也需要存儲以供查閱，而這些數(shù)據(jù)需要海量的存儲空間。UltraLab實驗系統(tǒng)的云服務(wù)可以完美地解決海量數(shù)據(jù)的存檔和檢索問題。除以上功能，服務(wù)器還有強大的數(shù)據(jù)庫保障功能，保存的數(shù)據(jù)更長效、更安全，且能夠充分地網(wǎng)絡(luò)共享。

3.4 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的使用實效

在實際教學(xué)中，通過對比之前沒有引用UltraLab系統(tǒng)的教學(xué)情況，得出以下結(jié)論，可分為實驗教學(xué)管理、平時或考試成績管理、線下教學(xué)管理3個部分。教師編輯和管理教學(xué)計劃后，學(xué)生可以在線查閱和提前預(yù)習(xí)，這不僅為以后的教學(xué)提供了范本，也節(jié)省了5～8分鐘的課堂時間；在實驗教學(xué)中，教師通過學(xué)生統(tǒng)計、實驗臺統(tǒng)計、儀器統(tǒng)計等功能對整個實驗進度進行管理節(jié)省了10～20 分鐘的教學(xué)時間；以上二者所節(jié)省的時間可用來做鞏固訓(xùn)練和創(chuàng)新拔高實驗等。且在線審批和管理實驗報告以及考試成績等措施節(jié)省了教師1～2周的工作時長，增加了教師的科研創(chuàng)新時間。總體而言，整個教學(xué)時間變得比較寬裕，而教學(xué)質(zhì)量也得以提升。不僅國際班的同學(xué)實驗成績良好，普通班在時間少于國際班的情況下，成績也大幅度提高，加大了與教師的線上交流時間，整體實驗進度加快10～15分鐘，總體成績較去年提高了10%。還有部分學(xué)生使用此系統(tǒng)進行仿真實驗完成了畢業(yè)設(shè)計，且此系統(tǒng)對于創(chuàng)新競賽也有著極大的輔助作用。這都說明引入UltraLab系統(tǒng)收到良好的教學(xué)成果。

4 結(jié)語

理論和實踐教學(xué)是相互結(jié)合的，實踐是驗證理論和加深學(xué)生對其掌握的必要手段。實踐教學(xué)相比理論教學(xué)更加直觀、易接受，所以實驗課程的改革有著很大意義。為了更好地提高實驗的教學(xué)效果，引入了網(wǎng)絡(luò)化管理平臺UltraLab實驗平臺。該平臺不僅提高了教師的教學(xué)效率，也使學(xué)生的動手能力、實踐能力得以提升，提升學(xué)生對學(xué)習(xí)數(shù)電和模電本身的自信心，學(xué)生的創(chuàng)新能力和主觀能動性都得以提高；且對于設(shè)備的維護和保養(yǎng)也起到了有效的監(jiān)督作用，實現(xiàn)了實驗系統(tǒng)的自動化管理。真正做到了以學(xué)生為本，最終達到了提升教學(xué)質(zhì)量的目的。