姜文鳳, 張永策, 宿 艷

(大連理工大學(xué) 化學(xué)學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

大連理工大學(xué)是國家首批“雙一流”建設(shè)大學(xué),化學(xué)學(xué)科同時入選世界一流學(xué)科建設(shè)名單?；A(chǔ)化學(xué)實驗中心(以下簡稱“中心”)作為首批國家級實驗教學(xué)示范中心(2005年)及虛擬實驗教學(xué)中心(2013年),一直走在國內(nèi)實驗教學(xué)和信息化建設(shè)的前列。中心早于2006年在國內(nèi)率先開發(fā)了具有“預(yù)約—開放”功能的實驗預(yù)約管理平臺,承擔(dān)全校7個國家級和5個省級實驗示范中心的開放預(yù)約管理,以及化學(xué)、土木2個國家級虛擬實驗教學(xué)中心的開放共享,注冊用戶共計69 145人次,累計預(yù)約記錄超過160萬條。

受制于技術(shù)手段、PC瀏覽器端的操作限制等多方面原因,早期開發(fā)的實踐教學(xué)管理平臺單純局限于PC端預(yù)約管理層面上的應(yīng)用。然而,隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,微信是當(dāng)前最為便捷的即時通信應(yīng)用,基于微信的移動實驗教學(xué)平臺集成了實驗預(yù)習(xí)、開放預(yù)約、虛擬實驗、在線測試、操作記錄、電子報告等功能的全過程實驗教學(xué)管理體系,可以實現(xiàn)應(yīng)用大數(shù)據(jù)挖掘,循環(huán)優(yōu)化系統(tǒng),有效改進(jìn)、提升教學(xué)效果,提高人才培養(yǎng)效率;對于深入教學(xué)研究、支撐教學(xué)改革具有重要作用。

當(dāng)前正值我國全面啟動“雙一流”戰(zhàn)略的開端之際,實驗室建設(shè)作為“雙一流”建設(shè)的重要平臺,對于高校的人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、社會服務(wù)功能的實現(xiàn)都是重要的技術(shù)支撐和有力保障[1-3]。尤其對于人才的科學(xué)作風(fēng)、實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)具有基礎(chǔ)性、全局性的作用。因此,在信息化背景下,構(gòu)建可循環(huán)優(yōu)化的、可全過程監(jiān)督實驗教學(xué)過程的、真正意義上的開放共享實驗教學(xué)平臺,推進(jìn)其在實驗教學(xué)中的有效應(yīng)用,是實驗室建設(shè)中至關(guān)重要的一環(huán)。

1 新型實驗教學(xué)平臺構(gòu)建及應(yīng)用的必要性

1.1 基礎(chǔ)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

目前,與理論課和雙創(chuàng)活動等教學(xué)活動相比,學(xué)生對于實驗教學(xué)普遍重視不夠。課前預(yù)習(xí)書本的教學(xué)形式單調(diào),學(xué)生的預(yù)習(xí)效果不佳;課堂上學(xué)生對教師和書本的依賴性強,缺乏主動性;課后缺乏深入探究興趣,學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主探索精神的缺失,與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)背道而馳[3-5]。

從教學(xué)層面來說,教師主要依據(jù)實驗結(jié)果和紙質(zhì)報告評定成績,對于實驗操作過程的評價缺乏細(xì)致的記錄和描述,受主觀感受影響較大;同時,學(xué)生也很難通過已批閱的實驗報告了解自己的錯誤操作。教學(xué)評價環(huán)節(jié)的科學(xué)性、過程性不足。

部分高校實驗教學(xué)平臺的實際應(yīng)用基本還停留在“預(yù)約—開放實驗”的單一功能應(yīng)用階段,而且許多教學(xué)平臺各自為政,甚至有些平臺被束之高閣的情況也存在。由于設(shè)計著眼點與實際教學(xué)細(xì)節(jié)需求未能有效銜接、缺乏易操作性等原因,實驗教學(xué)平臺的有效應(yīng)用率普遍較低[5]。

1.2 “雙一流”建設(shè)的需要

1.2.1 培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的需要

“雙一流”建設(shè)對于師資隊伍和拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)都有明確的要求。高度信息化平臺的介入將改變學(xué)生傳統(tǒng)、被動的學(xué)習(xí)方式,有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,對學(xué)生思維方式的培養(yǎng)有潛移默化的影響,進(jìn)而啟迪學(xué)生后續(xù)的創(chuàng)新與科研能力[6-7]。

1.2.2 提升實驗教師隊伍的需要

在實際教學(xué)中,在大幅度壓縮實驗學(xué)時的情況下,實驗教師面臨著更高強度的教學(xué)工作。高度信息化的實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用可以提高教學(xué)效率,減輕教師負(fù)擔(dān)。但是部分教師對信息化平臺存在“認(rèn)識誤區(qū)”和“技術(shù)洼地”,加之對軟件使用經(jīng)驗不足、不愿改變現(xiàn)狀等主觀原因,使得教師對于實驗內(nèi)容變革,特別是信息化的應(yīng)用普遍有畏難情緒。這也對現(xiàn)有平臺的易用性、細(xì)節(jié)處理和用戶體驗的提升提出了更高要求[8-10]。因此,實驗教學(xué)平臺的有效應(yīng)用也是提升實驗教師隊伍、改善傳統(tǒng)實驗教學(xué)效果的迫切需求。

2 新型實驗教學(xué)平臺的構(gòu)成

2.1 功能框架

中心建設(shè)的新型實驗教學(xué)平臺—Mools(massive online open labs)秉承“循環(huán)優(yōu)化、開放共享”的理念,全面覆蓋課前、課上、課后整個學(xué)習(xí)過程, 將平臺分為預(yù)習(xí)、操作、報告3大組成部分,并通過部分交叉將“教”與“學(xué)”融為有機整體。平臺的內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖1所示,其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 平臺內(nèi)容結(jié)構(gòu)

圖2 平臺功能結(jié)構(gòu)

2.2 預(yù)習(xí)模塊

提高實驗課堂效率最直接有效的方法是做好課前預(yù)習(xí),其重要性不言而喻。但預(yù)習(xí)的形式和方法,以及新技術(shù)的普及還有很大的提升空間。實驗預(yù)習(xí)資源大體分為傳統(tǒng)文字教材和立體資源(視頻、虛擬實驗、交互式網(wǎng)頁等)。相比傳統(tǒng)的文字教材,通過平臺引入立體化資源、虛擬實驗和交互式網(wǎng)頁,以實現(xiàn)交互式預(yù)習(xí)是行之有效的解決辦法。

立體化資源包括視頻、動畫、文字、虛擬實驗等可以全面替代平面紙質(zhì)教材的資源。微信推文的方式是比較簡單有效的，既可以通過騰訊、優(yōu)酷等免費服務(wù)上傳共享視頻,又能夠保證訪問速度。新型實驗教學(xué)平臺可以通過鏈接設(shè)置,關(guān)聯(lián)項目預(yù)習(xí)資源，更為簡便的是在平臺內(nèi)提供文章編輯,滿足圖片特別是視頻的上傳需求。

相比于被動式的資源學(xué)習(xí),虛擬實驗是更為有效的預(yù)習(xí)方式,只有主動的操作模擬才更接近實驗的本源。唯一缺點就是開發(fā)成本較高。

受目前流行的如易企秀等H5平臺系統(tǒng)啟發(fā),中心的實驗教學(xué)平臺設(shè)計開發(fā)了交互式網(wǎng)頁預(yù)習(xí)系統(tǒng)。所謂交互是指條件式觸發(fā),通過觸發(fā)按鈕、開關(guān)、菜單等對每個實驗步驟的細(xì)節(jié)畫面(靜態(tài)或動態(tài)的圖片描述)進(jìn)行設(shè)置,還可以通過輸入?yún)?shù)的方式予以驗證。教師可以通過簡單培訓(xùn)自行編輯實現(xiàn),該模式可實現(xiàn)行為記錄和數(shù)據(jù)分析服務(wù),具有直觀的畫面感、交互參與性,簡單易用。

2.3 操作記錄模塊

中心4大化學(xué)實驗課程從2010年起就制定了詳細(xì)的實驗評分標(biāo)準(zhǔn),印發(fā)到每個學(xué)生,然而實際應(yīng)用起來很難把握。使用平板點擊記錄是目前最為可行的方式。通過交互行為分析,3個點擊動作(選擇學(xué)生、選擇錯誤類型、確認(rèn)提交)在3～5 s內(nèi)即可完成。同時,在過程性評價中,新型平臺對所設(shè)置的數(shù)據(jù)采集點更為科學(xué)連貫,教師可設(shè)置操作總分,自定義扣分點和加分點,并通過選擇菜單已經(jīng)設(shè)置好的操作點予以打分,實驗日程和操作記錄截圖如圖3所示。學(xué)生在實驗課前就可以明晰考核點,并通過針對性反思問題，總結(jié)經(jīng)驗,提高實踐能力。嚴(yán)格細(xì)化的評分標(biāo)準(zhǔn)有效保障了實驗成績的合理、公正與透明,是課堂教學(xué)考核的系統(tǒng)保證。

圖3 日程及操作記錄截圖

2.4 電子報告模塊

在平臺應(yīng)用過程中,電子報告是所有環(huán)節(jié)中爭議最大的。爭議的焦點之一在于部分教師認(rèn)為電子報告復(fù)制成本低,會造成大面積抄襲,從而失去了獨立實驗的基本意義。實際上,在數(shù)據(jù)挖掘和查重技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天,只有電子報告才能夠徹底杜絕抄襲,在大數(shù)據(jù)分析面前抄襲者將無處遁形。

爭議焦點之二在于認(rèn)為手寫報告增強記憶功能更強。而實驗的本質(zhì)意義在于動手實踐獲得的經(jīng)驗積累,動態(tài)、多維度的電子報告更能總結(jié)和反映學(xué)生的實踐過程。

爭議焦點之三在于電子報告這一新形式與教務(wù)管理規(guī)定能否及時對接。部分教師擔(dān)心電子報告缺乏先例,無法得到教務(wù)督導(dǎo)的認(rèn)可。中心的電子報告模板系統(tǒng),已經(jīng)經(jīng)歷了離線pdf提交、在線office控件、在線網(wǎng)頁報告、在線網(wǎng)頁模板及最新的移動報告模板,4年多的探索經(jīng)驗表明,電子化實驗報告是大勢所趨，而成為一種主流,各種電子報告形式的對比見表1。

表1 各種電子報告形式對比

最新的電子報告將實驗報告抽象為文字、圖片、表格3種形式,并對每一部分的分值予以細(xì)化,通過預(yù)先設(shè)置的批注標(biāo)簽,可降低批改過程的工作強度,同時兼顧合理(需要反饋來循環(huán)優(yōu)化)和開放(學(xué)生可以清楚地看到自己的問題所在)需求,電子報告模板見圖4。圖片可記錄手寫演算過程、部分目的原理或裝置圖的繪制(從紙質(zhì)到全面數(shù)字化的過渡應(yīng)用)。由于支持動圖上傳,可以最大限度地留存一些實驗結(jié)果的現(xiàn)象,這是電子報告超越傳統(tǒng)紙質(zhì)報告的飛躍。表格用于保存原始數(shù)據(jù),設(shè)計為一旦保存無法修改,可保證原始數(shù)據(jù)無法篡改。過去批改需要教師手工計算核算,工作量很大。而原始數(shù)據(jù)與結(jié)果的關(guān)聯(lián)很多時候可通過標(biāo)準(zhǔn)公式計算,通過應(yīng)用程序可實現(xiàn)自動批改,這就將教師從重復(fù)勞動中解放出來。

圖4 電子報告截圖

2.5 新型平臺面向?qū)ο?/h3>

實驗平臺是很寬泛的概念,同時這些平臺在很多院校都是分散甚至是雜亂的。在實驗教學(xué)示范中心建設(shè)過程中，對于信息化平臺的要求,促使很多中心都相繼自購或開發(fā)了各種功能單一的平臺系統(tǒng),到底統(tǒng)一還是分散，存在著不同的聲音?；谖⑿诺膶嶒灲虒W(xué)平臺(moolsnet)實現(xiàn)了實驗教學(xué)中“教“與”學(xué)”的全過程。

2.6 集中與分散

層層的管理審批和對于教學(xué)細(xì)節(jié)的忽略使教務(wù)管理端和教學(xué)應(yīng)用端在平臺定位上有很大偏差。共享開課情況、一級選課名單、課程成績等信息是相對容易的,但具體的實驗教學(xué)情況,如實驗項目的預(yù)習(xí)、虛擬實驗、操作標(biāo)準(zhǔn)等教務(wù)管理部門難以把握。實際上,借助廣泛的數(shù)據(jù)交換和統(tǒng)一認(rèn)證,集中與分散是可以實現(xiàn)統(tǒng)一的。

絕對的集中式平臺并不存在。過去那種獨立用戶系統(tǒng)管理比較封閉,且與去中心化的互聯(lián)網(wǎng)流行趨勢相違背?；ヂ?lián)網(wǎng)思維是internet，不是intranet,封閉的統(tǒng)一既不靈活,也不絕對安全。

2.7 學(xué)校和中心的需求

實驗教學(xué)平臺(moolsnet)作為一個開放的系統(tǒng),既可實現(xiàn)中心/學(xué)校統(tǒng)一管理,又可由單獨實驗課程的教師獨立申請應(yīng)用。學(xué)生可以自行微信注冊,也可以通過統(tǒng)一認(rèn)證注冊,系統(tǒng)通過微信認(rèn)證授權(quán)與學(xué)校、學(xué)號、工號綁定,基于公有云服務(wù),申請注冊即可開通,這與過去的平臺引入機制有本質(zhì)的區(qū)別。打破了原有的體系模式,甚至可以采用校際聯(lián)盟或者專業(yè)聯(lián)盟的方式。在此基礎(chǔ)上,能夠真正實現(xiàn)資源的充分開放與共享,為創(chuàng)新打下堅實基礎(chǔ)?！半p一流”的開放與共享體現(xiàn)在更大的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)上。

2.8 平臺實現(xiàn)的技術(shù)路線和技術(shù)手段

平臺基于微信公眾號開發(fā),以php構(gòu)建后端,引入bootstrap、VUE等框架構(gòu)建前端,采用當(dāng)前最主流的MySQL數(shù)據(jù)庫、CentOS操作系統(tǒng)下的Ngix的Web服務(wù),基于阿里云服務(wù)器、阿里云視頻、阿里云敏感信息檢測、騰訊短信系統(tǒng)、曠世人臉及證件識別系統(tǒng)、python構(gòu)建查重系統(tǒng),實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析及機器學(xué)習(xí)功能,并實時追蹤最新技術(shù)的發(fā)展,及時引入到平臺之中。

平臺實現(xiàn)的技術(shù)路線主要體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)的采集、分析與挖掘。大數(shù)據(jù)分析的前提是大量的特征數(shù)據(jù),而過去的實驗教學(xué)中唯一有效的數(shù)據(jù)點只有期末成績,很難反映出全過程信息。有限的數(shù)據(jù)源,無法作為深層次、全方位分析及評價實驗教學(xué)的全過程的依據(jù)。

3 新型實驗教學(xué)平臺的優(yōu)勢

3.1 循環(huán)進(jìn)化性

從平臺結(jié)構(gòu)上可見,許多關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計分析,最終可以形成教學(xué)應(yīng)用→教學(xué)研究→教學(xué)改革的循環(huán)(見圖1),通過分析結(jié)果和教育反饋,改進(jìn)教學(xué)設(shè)計,發(fā)揮大數(shù)據(jù)“分析、鑒定、導(dǎo)向、診斷、激勵”的功能,最終優(yōu)化教學(xué)系統(tǒng)[10]。

3.2 開放共享性

首先,師生之間課程、項目、標(biāo)準(zhǔn)、成績等信息是完全對等開放的,所有學(xué)生按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實驗考核。其次,由于所有信息都存儲于“數(shù)據(jù)庫”中,可以根據(jù)面向的中心、學(xué)校、省部、專業(yè)群等機構(gòu)提供真實全面的多層次數(shù)據(jù),以促進(jìn)數(shù)據(jù)分析及教育反饋。

3.3 “新工科”背景下的通用性

在平臺設(shè)計構(gòu)建時就考慮到了多專業(yè)的應(yīng)用需求,在多學(xué)科交叉共性的基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計。目前機械、土木、化學(xué)、化工、物理等專業(yè)的應(yīng)用都做到了通用適配,在幾所高校的試用過程中,也證明能夠滿足學(xué)校的現(xiàn)狀和需求。隨著未來更多專業(yè)和學(xué)校的推廣應(yīng)用,平臺會做到更加通用和易用。

從人才培養(yǎng)的層面來看,“新工科”復(fù)合型工程人才培養(yǎng)的主要途徑在于“繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享”。應(yīng)用先進(jìn)的新型實驗教學(xué)平臺,恰好滿足了“多元化、創(chuàng)新型”工程人才培養(yǎng)的需求。

3.4 協(xié)同高效性

基礎(chǔ)實驗課程通常需要集全中心之力,通過平臺的應(yīng)用,同事之間可以擺脫過去嚴(yán)格的層級關(guān)系,實現(xiàn)課程、項目、日程靈活的協(xié)同設(shè)置,研討制定統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn),清晰統(tǒng)計工作量,協(xié)同完成實驗教學(xué)工作。

3.5 兼容性

平臺主推微信方式,移動辦公特別適合于實驗一線教學(xué)團隊。與專業(yè)教務(wù)人員不同,無論是教研室教師,還是專職實驗教學(xué)人員,通常不會固定在辦公桌旁。只需登錄微信,實驗教學(xué)平臺就能實時在線,可以隨時隨地處理教學(xué)相關(guān)事務(wù)。平臺同時提供PC網(wǎng)頁版,主要開展如聯(lián)機實驗報告處理、復(fù)雜課程開放、預(yù)習(xí)資源編輯等使用計算機處理更為方便的應(yīng)用場景。

4 研究展望

新型實驗教學(xué)平臺(moolsnet)自2018年6月底試運行,截至目前注冊用戶12 637人,預(yù)約21 006人次,日訪問高峰在8 921人次,運行穩(wěn)定,能夠完全替代原有的實驗教學(xué)管理平臺。隨著應(yīng)用的深入,仍然存在很多亟待分析、解決和總結(jié)的問題。

(1) 數(shù)據(jù)安全是平臺運行中頭等重要的大事。分布式數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)備份時刻運行以保障數(shù)據(jù)安全,但安全漏洞的發(fā)現(xiàn)和解決,需要更多的投入,甚至更為專業(yè)的技術(shù)人員介入。

(2) 程序和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。采用公有云的原因就是基于其強大的功能和性能監(jiān)控,以及豐富的性能解決方案,可以隨時調(diào)整配置,適應(yīng)不斷變化的需求。

(3) Python查重、大數(shù)據(jù)與機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)目前還在配置階段。雖有參考實例,但真正與應(yīng)用平臺完整對接、實現(xiàn)用戶的應(yīng)用尚需時日。

5 結(jié)語

新型實驗教學(xué)平臺是專門面向?qū)嶒灲虒W(xué)全過程的系統(tǒng)軟件,其內(nèi)容囊括了實驗教學(xué)的運行、管理、成績、考核、人才培養(yǎng)、教師團隊和教學(xué)改革等各方面的需求實現(xiàn)。當(dāng)前,實驗信息化介入的深度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越單純預(yù)約、課件的范疇,是計算機技術(shù)、信息學(xué)方法全方位、深層次介入教與學(xué)的環(huán)節(jié),試圖產(chǎn)生新的革命性學(xué)習(xí)的過程。新型實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用重點就是在不斷增加、改進(jìn)人機交互學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)點設(shè)置及模式,以便構(gòu)建優(yōu)化的循環(huán)系統(tǒng),這一系統(tǒng)因?qū)χR的學(xué)習(xí)者和傳授者的雙重促進(jìn)作用而在實驗教學(xué)中起到至關(guān)重要的作用。