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姜建华
, 汪洋
JIANG Jianhua, WANG Yang
中图分类号: TP391.0
文献标识码: A
文章编号: 1006-7167(2017)05-0157-05
收稿日期: 2016-09-10
网络出版日期: 2017-05-20
版权声明: 2017 《实验室研究与探索》编辑部 《实验室研究与探索》编辑部 所有
基金资助:
作者简介:
作者简介:姜建华(1961-),男,江苏溧阳人,博士,教授,力学实验中心副主任。研究方向:力学实验虚拟仿真以及基于互联网技术的实验教学。Tel.: 021-65981401; E-mail: tk985_j@tongji.edu.cn
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摘要
大部分传统力学实验的教学行为仍处于一个个信息孤岛,实验教学管理低效繁琐,实验数据短暂,实验报告批改繁重,实验教学和课堂教学彼此孤立,无法深层次共享。随着互联网+时代的到来,给实验教学的深化改革带来了新的发展机遇。本文就基于互联网技术的力学实验教学开展以及学生实验报告的网上提交和自动批改做了重点介绍。
关键词：
Abstract
The most activities of mechanics experiment are still limited to a series of information-islets which are isolated each other. There are lot of imperfect problems about the traditional experimental teaching, such as tedious organizing of experimental activities of student, short duration of experimental data, heavy and tedious judging work for student’s experimental report, as well as the dissocial positions of teaching class and experimental teaching, which are respectively limited to different islets. By the coming up of the Internet innovation, it is becoming possible for traditional experimental teaching to obtain a further reformation. An exploration about the activities of mechanics experiment and the research of auto-judging for student’s experimental report based on internet technology are presented in this paper.
Keywords：
互联网+时代正孕育着新形态教育的发展,E时代成长起来的学生,倒逼着传统实验教学的转型。慕课(MOOCs)课程远程教学的启动以及学校场地空间和设备的限制[1-3],对传统实验教学和管理提出了新的挑战[4-5]。
目前大多数理工科高校的实验设备已经基本实现了以数据采集和计算机控制为特点的信息化改造。然而,大多数教学实验过程仍处于一个个信息孤岛,管理繁琐,实验数据短暂,实验和课堂彼此孤立[6-8]。为了有效改善这种局面,作者所在团队历经长达5年的探索和技术攻坚,提出了基于互联网与虚拟仿真实验技术的力学实验教学架构,在互联网+实验管理、物联网+实验教学、虚拟仿真+实验教学方面取得了创造性成果。同时,为在校学生实物实验报告的自动批改奠定了技术基础[9-15]。
基于互联网技术的力学实验教学开展,需要多方面角色参与,这些角色由实验室管理员、理论课任课教师、选课学生以及实验室指导教师组成。通过构建的力学实验中心云平台,实验室管理员根据教学大纲,为教学班配置实验资源(包括实物实验和虚拟实验训练)、发布实验任务。理论课教师为班级学生预约实验,及时了解学生参与实验的情况,从而打破了以往理论课教学与实验教学彼此孤立的技术壁垒,实现了从课堂教学到实验教学的一体化。
(1) 实验资源配置和实验预约。在新学期开学前,实验室管理员首先将根据新学期所开设的课程,排出即将在实验中心做实验的“学期班级”。课程课号相同但不在同一校区上的“学期班级”可通过班级号命名区分。然后为“学期班级”配置实验课(见图1)。
任课教师在开学前夕,将根据教学大纲安排授课计划,包括新学期的实验教学任务。一般任课教师可以从学校教务处选课网站导出选课学生的名单。然后登录实验中心网站,在“本学期班级”可以看到自己所上的课程班级的“实验任务”、“实验预约”、“学生列表”。“实验预约”列出了该门课程所要做的全部实验,让任课教师为学生集体预约所有实验,这些实验已有实验管理员根据实验教学大纲事先分配好;“实验预约”列出了班级实验的预约状态,如果某实验未预约,教师可为学生“立即预约”(见图2)。如果班级学生数超过了实验室容量,可多次实验预约;“学生列表”列出了选该门课的学生名单,学生名单来自教务处选课网,由任课教师统一上传。
某些课程的实验要求开放学生自行预约实验。为此,实验中心网站还特地开发了“开放的个人实验预约”功能。例如,同一门《流体力学》课程有4个教学班,由4位教师任课,这4位教师只需将各自班级的学生名单上传网站,然后由实验室管理员为《流体力学》课程的实验统一排出若干个实验时段供相关学生选择,完成该门课的自行预约实验。
不论是任课教师为学生的集体实验预约,还是学生通过“开放的个人实验预约”自行预约,一旦获得中心批准后,将有“实验任务预约信息智能发布系统”通过中心的电视以及手机短信当日发布,并提前一天提醒有关师生将做实验及其时间地点。也为实验教学工作量的自动统计等衍生功能创造了条件。
(2) 基于物联网技术的实验开展。在完成实验预约并获得实验中心审批后,选课学生便获得了指定时段和指定实验地点的实验授权。此时选课学生可在获准的预约时段通过实验室门襟系统进入实验室,开启已预约的试验机电脑。试验机电脑专门配备了中心自主开发的网络客户端软件LabShell,它给原来的试验机控制程序增加了由中心门户网站控制的“网壳”,试验机控制程序的开启,必须获得中心门户网站的授权,即只有获得实验中心授权的学生才能开启试验机。具体过程是,学生开始实验前,必须启动网络客户端软件LabShell,输入学号和密码(见图3),完成系统认证。在通过实验中心门户网站的用户认证后,方可启动试验机开始实物实验。
学生在参与实验的整个过程中,其实验行为将被试验机上的监控摄像头实时监控,并随机拍摄行为截图,连同实验数据实时发送到实验中心门户网站,保存在该学生的文档。以追溯学生参与实验的行为过程,为在线评价每一位学生的实验行为创造了条件。
学生完成实验后,可随时随地再次登录中心门户网站(http://labcom.tongji.edu.cn),查看自己的实验档案,包括自己的实验记录、实验结果等。课堂任课教师也可以随时登录中心门户网站,及时了解每个学生参与实验的情况,打破了传统实验教学到课堂理论教学的技术壁垒。
(3) 虚拟仿真实验训练。主要实物实验的LabShell程序中以及中心门户网站都嵌入了基础力学虚拟仿真实验训练系统,学生可以随时随地进行实验课前/课后的实验训练,延伸了实验教学课堂,提高了实物实验的教学效果(见图4)。
学生参与力学虚拟仿真实验训练的记录(训练次数、每次训练时间等)将计入该学生的档案,以作为实验室老师和任课教师在评价学生参与实验训练情况时的参考依据。
力学实验中心每学年的基础力学实验教学任务多达26项,实验项目分别在四平校区和嘉定校区。其中流体力学类(流体力学1-2、水力学、流体力学与流体机械课程)实验有15项,材料力学类(材料力学、工程力学、建筑力学课程)实验有8项;理论力学类实验有3项(理论力学、工程力学Ⅱ课程)。力学实验中心每学年承担着全校近4 800名本科学生的基础力学教学实验任务,以及未来潜在的大量MOOCs学生的力学实验教学任务。
而从事基础力学实验教学工作的实验教师仅10余人。他们不仅面临着实验设备的维护保养,还要承担近4 800名学生的实验教学指导,任务十分繁重。学生实验报告的批改成了一项极其繁重的工作。尽管实验报告暂由任课教师负责批改,但由于部分任课教师未能参与实验的全过程,所以效果欠佳。所以,开展对学生实验报告自动批改的探索,可大大减轻基础力学实验教学的老师的工作量,具有现实意义。
在仔细分析基础力学实验报告时发现,基础力学实验报告模板化格式性很强,其数据结构大致可分为4种类型,①测量获得的原始数据,②反映实验结果的实验数据,③反映实验结果的物性图形,④学生对实验过程的结论性认识。由于学生实验通常是以小组形式完成的标配性实验,故学生实验报告的类同性和规范性也都比较强。
由于力学实验中心已经实现了实验报告网上提交,实验数据和实验图形都是数字化的,故实验数字化的实现为实验报告自动批改创造了条件。上述实验报告数据的4种类型中的前两类数据,实现自动批改难度最小,只要根据数据的误差范围就可以判断对错,如果偶尔有少数同学实验数据超出了误差范围,也可以作为疑似问题改为人工批改。但此类情况属于小概率事件。学生登录力学实验中心云平台后打开实验报告模板的界面,实验报告模板已经涵盖了从学生实验档案中自动提取的基本信息(包括学号、班级、课程名称)、学生参与实验的信息(含实验时段,实验室编号,试验机编号等),以及实验条件数据和实验原始结果数据。同时也记录了学生对实验原始数据的事后处理情况,比较全面地考察了学生对实验结果的理解。
对于反映实验结果的物性图形的自动批改,其难度较大。这不仅涉及实验图形结果的随机性,同时还涉及到学生作图的随机性。为此,对实验报告作了规范化处理,即在学生网上完成实验报告时,实验报告模板将随机生成若干幅实验数据图形,其中一幅来自试验机发送的实验数据图形,供学生判断哪一幅图形是正确的?以此来评判学生实验报告的完成情况。图5是实验报告模板随机生成的若干幅实验数据图形以及一幅来自试验机发送的实验数据图形的界面,以供学生在完成实验报告时判断选择。
对于实验报告中涉及学生对实验过程结论性叙述,属于主观随意性较强的部分,其批改难度最大。为此,对于涉及到要求学生对实验过程作结论性叙述的部分,也对实验报告模板作了规范化处理,即在学生网上完成实验报告时,网页会出现若干批次反映对实验过程认识的多选题,让学生网上逐一勾选,以此反映学生对实验过程和结果认识的正确程度。
实践证明,实验报告的自动批改可以大大减轻教师的工作量,对于少数实验报告自动批改存在疑问的情况,可以临时改为人工批改。然后,再根据所遇到的实验报告自动批改存有疑问的情况,对实验报告模板加以完善,不断改进和探索,直至实验报告自动批改的误判率降到最低。
通过基于互联网技术的力学实验教学升级建设暨实验教学数据云平台的开发,深刻感受到了互联网+传统实验教学的巨大潜力和优越性。
针对传统实验的管理分散、实验独立、数据暂时、耗时耗材的老大难问题,借助互联网技术开发的力学实验教学数据云平台,实现了实验预约、门襟管理、试验机网络控制、学生实验行为跟踪。为进一步提高实验室开放度创造了条件。
基于互联网的O2O(Online to Offline)实践,使得实验教学和实验管理更加安全、高效、便捷,实验排课、实验预约、实验资源优化配置、多手段获知或查询实验任务。实现了学生的实验行为截图、实验数据和实验报告由实验中心云平台的绑定管理。
在实验教学数据云平台以及试验机网络客户端软件中嵌入虚拟仿真实验训练模块。学生可以随时随地进行实验课前/课间/课后的实验训练,延伸了实验教学课堂,有效解决了“僧多粥少”的硬件设备不足的问题,有效提高了实物实验的教学效果。同时,也为慕课课程的实验教学和实验管理提出了一体化解决思路。
从涵盖实验原始数据的实验报告模板的自动生成,到实验报告的在线完成和网上提交,以及实验报告的自动批改,实现了实验报告的无纸化。也为实验教学数据规范化管理,建立历史实验数据库查询等衍生功能创造了条件。
The authors have declared that no competing interests exist.
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力学实验教学改革研究与实践 [J]. |
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慕课来了 [J].
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“慕课”带给高校的机遇与挑战 [J]. |
| [4] |
慕课正在成熟 [J]. 王保华,何欣蕾(译). |
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慕课本土化需要创新 [J]. |
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互动式网络实验教学综合平台建设 [J]. |
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