高校实验教学过程管理的系统方法

吕念玲, 黄晓梅, 张林丽, 李 斌, 殷瑞祥

(华南理工大学 电子与信息学院, 广东 广州 510640)

工程教育是我国高等教育的主要组成部分,2003年我国开始试行工程教育认证,并于2016年6月正式加入国际工程教育认证组织——华盛顿协议[1],确定了以学生能力成长为宗旨的工程教育目标,明晰了12项工程专业教育毕业达成指标[2-4]。实验与实践教学是工程教育中不可或缺的重要教育教学环节,科学有效地实施实验教学是保障工程专业人才培养毕业达成的一项关键任务。

实验教学有实践性、载体性、重复性及资源依赖性的特点,所以,实验教学是一项重在过程的教学工作[5]。但在教学实施过程中,实验结果的检测往往比实验过程检测更容易,这就使得实验教学常常走过场、效率低,严重影响教学质量的提高。本文以华南理工大学电类专业实践教学改革为基础,提出实验教学过程管理的系统方法,探索进一步提高人才培养质量的新路。

1 实验教学过程管理的意义

1.1 突破管理难点,切实提高教学质量

学生的实验过程,包括实验预习、实验操作和实验报告3个环节,是与内容设置、资源支撑和过程实施密切相关的过程。该过程时间跨度长,场地常常布局在实验室内、外,甚至校内、校外,参与人数众多。现行的主要依赖教师人力实施过程管理的方式,受限于时间和空间、受制于管理的技术与手段,教师常感“心有余,而力不足”,质量提升遭遇瓶颈。向过程管理要质量,必须改变传统的过程管理思维模式,借助技术手段,探索新方法,才能突破管理难点,支撑教学质量上新高度[6-9]。

1.2 凝练过程要素,扭转过度关注结果的评价方式

实验教学的目标是通过成熟内容训练学生的能力,因此,对于学生实验过程的评价,比对于学生获得的实验结果评价更加重要。但教学实施过程中,影响质量的因素很多,给管控带来一定的困难,这就造成了现实教学及评价 “重结果、轻过程”的现状。聚焦实验教学的根本目标、凝练过程管理中影响教学质量的内涵要素、建设基于过程的多元评价机制,才能转变教、学双方过度关注结果的现状。

1.3 实现过程自整定,保持教学系统的稳定

过程管理,是教学大系统中的重要一环。传统的实验教学过程是一个单向、开环的过程,从系统稳定的角度来看,开环系统信息易流失、稳定性较差。因此,通过收集过程管理信息、挖掘过程要素之间的内涵关联、建设过程管理闭环系统、实现教学过程的自整定,是保持教学稳定,质量持续提高的必要条件。

2 实验教学过程中的质量要素

实验教学过程管理中,与教学质量相关度高的因素是过程管理关注的要点。

(1) 身份识别。高等教育承担学生知识传授与能力培养的同时,也承担认证职能。实验学习过程中的抄袭、代做、代考等行为,都有悖于认证的真实性原则,因此,过程管理要解决的首要问题就是实验者身份的真实性问题,后续的教学与评价才有意义。

(2) 预习效果。实验是手脑并用的过程,学生在实验预习阶段的投入,直接影响到实验课的质量。检查学生的实验预习报告,仅说明学生完成了预习的形式,无法考量其预习的实际效果。实验课上常会看到预习报告抄了好几页,仍然不会处理实验问题的学生。由于实验准备的好与不好都能做实验,学生实验学习的积极性与主动性普遍不高。如果将预习质量的要求转变成实验课堂上可以检测的指标,可以引导并推动学生的有效预习。

(3) 教学辅导。掌握规范的操作技能,是一个反复模仿、练习、出错与纠正的过程,所以教学的重点也在学生实验的过程之中。传统的实验课堂,通常是1～2名主讲教师和教辅人员,承担整个课堂的答疑、纠错、辅导、安全管理和实验数据审核、验收等工作,无法更到位地照顾到学生个体；学生出现操作错误、数据误差等无法及时得到纠正。凭借教师的人力管理的实验课堂,教学辅导力量严重不足,需要考虑借助智能手段,协助现场教师，拓展教学辅导的广度与深度。

(4) 学情信息。教学质量的提高不可一蹴而就,是一个持续提升的过程；实验现场反映的问题,是做出教学质量评价的最可靠依据。传统实验课堂,教师对学生学习状态的了解是通过答疑、辅导和纠正错误的互动中获得的,由于取样面窄,所以信息不全面；更有一些反映学生认知变化的动态信息,由多个状态信息组成,不是单凭一次观察,就能得出结论的。因此依靠技术手段,获取反映教学效果的学情大数据,是过程管理的一项重要任务。

(5) 操作评价。实验过程是培养学生实验能力和实验素养的主要途径,学生在实验现场的操作情况,反映其真实的实验水平。因此,对学生实验成绩的评定应以现场操作评价为主。而以实验结果为单一评价标准的学生实验成绩评价方法,令学生过分关注结果,而忽视在实验学习过程的投入和积累。唯有将指挥棒指向过程评价,才能更好地落实“实验教学重在过程”的理念。

3 实验教学过程管理的系统思考

综上所述,实验教学过程管理,是一个多方面、多层次的,有其独特内涵的系统整体。从系统观点出发,通过分析过程管理的整体效果与具体流程的关系,研究管理系统内部与外界实施条件相互关联,从整体性、最优性、动态性及层次性原则出发,对实验教学过程管理进行最优设计。

3.1 建设实验过程管理的闭环系统

从学生参与的角度看,实验过程包含实验预习、实验操作及提交报告环节。所以,一般的实验过程管理是以辅助、辅导学生完成上述学习环节为主要目的、单向、开环的管理过程。

但从教育教学的角度看,优质的实验课实施,在形式上是循环往复的,而在质量上是螺旋上升的动态过程,其得以上升的驱动力,来源于对每个教学循环效果的研究判断与调整提高。因此,完善的实验过程管理,必须是一个教学设计、过程管理、效果分析与反馈调整等环节紧密关联、相互作用、可自矫正的闭环系统,如图1所示。在此闭环系统中,学生在实验过程中呈现的各种状态,出现的各种共性问题,即学情信息大数据,才可能被收集、分析,并利用,在提升过程管理有效性的目标下体现价值。

图1 实验过程管理信息闭环系统图

3.2 选择代表性的过程检测点

实验过程管理要关注的关键检测点是学情大数据获取的重点,也是难点。实验教学的目标就是通过成熟的实验项目,训练学生从事实验研究的能力。学生实验过程中对学习任务的理解、操作中遇到的困难,最终是否完成任务等,是过程管理要掌握的重要信息。因此,过程管理要获取切实反映学生实验过程动态的行为数据和用于判断效果的结果数据。选择检测点要满足2个原则。

(1) 与学生实验状态或实验效果紧密相关,且具代表性。以预习效果检测环节为例,预习报告反映的是学生完成了预习的过程；而进行在线的预习检测,则考查了学生解决实验基本问题的能力,是检测预习效果。因此,将在线预习检测设置为过程检测点,比翻阅预习报告更能够了解学生实验准备的情况。

(2) 选择便于机器采集的监控对象。全过程的数据采集,需要借助计算机工具,所以要选择便于机器自动识别与检测的过程对象。

如表1所示,基于上述原则,选择的检测点及其对于教学管理的意义。

表1 过程检测点及其意义

表1(续)

3.3 实施过程评价

基于上述过程检测点的设置,每个学生的每个检测点信息都被打上多个“标签”,每个检测点数据被赋予了多重的意义(见表1)。通过数据挖掘,可以获取支撑过程评价的依据。简单地说,这个过程就是把原来由教师跟随的全过程,才能做出的对于操作的参与度、熟练度、规范度和准确度的评价,转换成计算机可以识别的面部信息。实验进行的速度、关键实验数据和刷新次数,以及数据正确率等描述方式,计算机可以把学生实验全过程动态地记录下来；教师参考上述原始数据记录，根据评价侧重点,赋予检测目标相应的权重,计算机可以辅助教师给每一个学生的现场操作进行监测与评价。

3.4 助力管理制度柔性落地

强化过程管理,是为了将制度与评价紧密关联,督促学生给予实验学习足够的重视,学生个体要提升积极性和主动性,付出努力,才能达到目标,其过程无疑是辛苦的。有些学生会产生抗拒情绪,所以管理过程要把握方式方法。特别是事关分数、资格、能力或水平的评价容易影响学生情绪波动的管理操作,要充分考虑学生的感受与自尊,减少师生面对面可能产生的不愉快,让过程管理的约束与要求以学生愿意接受的方式、潜移默化地影响学生。

4 实验教学过程管理系统的实现与应用

为了使借助技术手段、强化实验过程管理的理念在教学实验室落地,并切实惠及师生,开展了大量的基于人脸识别技术、数据采集技术、标准化接口技术及网络技术在实验教学过程管理领域的创新研究,并对在线管理模式融入教学应用进行探索。

4.1 构建互联互通的测试环境

启动传统实验室整体改造,购置了配备网络端口的示波器、万用表、程控电源和函数信号发生器,在配套软件驱动下,可实现设备的远程调控,测试数据以仪器截屏方式上传。每张实验台还配备实验用计算机和交换机,实验台接入校园网。为实施实验过程在线管理,打好基础。

4.2 开发实验在线共享平台管理软件

与企业联合开发拥有独立知识产权的管理软件系统。

4.2.1 开发工具、框架

系统采用层次化设计结构,将B/S架构与C/S架构相结合,提供弹性可扩展的系统架构,包括前端Web层、中间数据协议层和计算资源层和物理资源层,以及消息管理、分布式数据存储、存储系统、文件读写和安全等4个子系统,如图2所示。其中Web层提供网页模式的服务,让学生能通过网页登录系统,开展包括预习检测、实验数据处理等操作；中间数据协议层完成提供多种服务的接口和操作管理流程,包括身份登录与识别管理、数据加密管理以及服务的分发,同时利用Restful结构提供对外的API服务、提供移动端的登录操作；计算资源层提供必要的计算资源,支撑包括人脸识别和大数据分析所需的计算能力。

图2 管理系统框架图

4.2.2 智能电源系统的研制

配合管理过程中实验台供电的需要,开发了电类实验台电源智能控制系统，包括控制开关硬件,以及实现实验预习自动组卷、自动评分、满足条件时命令控制开关自动接通的软件系统，实现实验室32个实验台的部署。

采用B/S+C/S结合使用的模式解决浏览器的限制问题。系统数据都存储在远程服务器,考虑到实际的应用场景系统采用B/S架构进行开发,为了实现智能电源的控制效果和解决浏览器的限制问题,引入基于C#开发的客户端程序。系统在服务端设定了多重逻辑条件,当满足特定条件的要求时,客户端作为服务端和电源通信的中间桥梁,传达着彼此的指令信息(见图3)。

图3 电源智能控制实现图

4.2.3 人脸识别登录

系统人脸识别采用了深度学习技术[10-11],利用谷歌的tensorflow结构提供包括人脸定位和识别功能,基于度量学习技术实现人脸识别登录功能,算法架构如图4所示。

图4 人脸识别系统算法架构图

算法基于卷积神经网络[12],使用已有的人脸数据训练该网络模型,并输出512维度的特征作为每张人脸的特征表达。我们将该系统用于识别程序,分别应用于系统的登录操作和实验过程监测。当新的学生注册后,系统会保存不同光照、角度下的人脸特征,在实验过程中系统定时采集学生的脸部信息,并将采集到的数据与数据库中的特征值比对,基于欧氏距离的度量后,系统可以在一定误差内确定学生的身份信息。

4.3 功能实现

在线实验共享平台支撑下,实验过程由简单的单向流程,变为过程精细化管理的闭环系统,具体流程如图5所示。

该系统是学生的实验助学系统。学生在实验现场刷脸登录,进行预习检测；满足分数条件,实验设备才上电；实验过程按照要求上传指定的关键测试点数据,系统具备出错自动提醒功能；实验结束,学生可获取回传的原始实验数据,完成实验报告。当实验结束,学生可以看到自己在预习环节、实验现场操作及实验报告3方面的评价；对于实验过程中出错率高的(如：一次上传数据出错率高于40%的)学生,系统自动给出其下次实验项目的个性化建议。即从第二次实验开始,学生就拥有了个性化的实验学习方案；实验课程结束,获得实验课总评成绩。

该系统是教师的学情信息存储、分析与反馈平台。实验要求以预习题目、关键操作检测点及各环节成绩评价标准等可量化的方式落实到过程管理各环节。实验过程中,教师对实验难点和重点的讲授,以及现场巡回辅导等传统实验教学方式依然保留；不同的是,计算机在现场实施监控并自动获取、存储每个学生的关键实验数据和反映其现场实验状态的行为数据。实验结束后,教师既可以看到上述全部的原始数据,也可以看到计算机按照预先设定的数据关联形成的阶段评价,帮助教师发现班级实验共性问题、确定是否调整实验要求或优化实验设计。

图5 实验在线管理闭环系统图

4.4 系统应用

计算机辅助的正、误判断,就像“0”“1”代码,非此即彼,无中间条件可言。但是系统的服务对象是真实的学生群体,如何应用管理工具达成“所有的管理措施不是为难学生,而是为了帮助学生学得更好、更轻松”的初心,考量的是教师把握评价公平与管理艺术的大智慧。

4.4.1 刚柔并举的准入制度

对实验预习提出明确要求,并利用电源智能控制系统落实“实验准入制”,即实验现场,计算机自动随机组成一份包含10道选择题的预习检测卷,每题10分；学生答题、提交,系统自动判卷、计分；考不到60分,该实验台电源无法接通,该学生原则上不可以进行当次实验。上述检测在15 min内完成,以3次为限。其实,学生在宿舍登录实验在线共享平台,是可以无次数地进行预习检测的模拟练习,练习的过程就是预习的一部分。可见,严格准入制度的根本目的不是不让学生做实验,而是督促学生做好预习。

4.4.2 一视同仁的客观评价

成绩评价关乎学生切身利益,务必奖勤惩懒、体现公平。给予每个学生的评价,都是依据计算机过程检测获取的数据(如表1所示),在统一的评价标准模式下获得的。有2个关键环节评价的设计给予了足够的重视。

(1) 预习评价关注熟练。设置了与测试次数对应的权重,鼓励做得正确且熟练的学生。具体评分方式为：

第一次提交预习自测,预习分数=检测实际得分*1(次数权重)

第二次提交预习自测,预习分数=检测实际得分*0.9(次数权重)

第三次提交预习自测,预习分数=检测实际得分*0.8(次数权重)。

(2) 现场操作评价关注过程。把反映过程的顺序与时间要素纳入评价指标,改变仅凭实验数据对错进行评价的方式。学生上传数据的顺序,反映对调试步骤的理解；第一次上传出错率高,反映对实验原理、实验测试的掌握比较差；实验测试项目完成的速度,反映实验熟练程度；综合上述因素,把完成速度、顺序无误和数据正确并列为反映过程质量的最高级别,并设置现场操作评价标准。

在关键检测点数据全部上传、顺序无误和数值全部正确的学生中,提交时间排序前10名的,现场操作分=100。

在余下的学生中,数据全部上传、顺序无误和数值全部正确的学生,现场操作分=90。

剩下的学生存在上传数据不全、顺序错误,以及数据错误等问题。上传顺序错误的,现场操作成绩乘以系数0.8；数据缺失-15分/个,数据错误-10分/个。则现场操作分=90*80%-15*数据缺失个数-10*数据错误个数。

4.5 教与学的紧密互动

本过程管理的理念是以学情数据为基础,以实验教学过程在线管理平台为支撑,以学情大数据分析为核心,形成教学任务设置与学习效果反馈的闭环系统。基于对教学全过程的信息收集与分析,了解学生实验学习状态,及时对教学内容和方式进行调整,实现教学过程自整定,确保教学大系统的稳定。

5 结语

通过软、硬件的研发及应用，实现实验教学过程管理的自鉴系统。该系统的应用,可以提高过程管理的有效性,并帮助教师收集和利用学情大数据,优化提升实验教学设计。但再强大的系统,都无法替代教师有温度的口授、身传,建设人、机优势互补的实验课堂,需要更多的实践与发现。