新工科背景下实验教学智能管理系统研究与设计

周锦荣 吴朝荣 周慰君 喻文雨 魏搏涛

摘  要  信息化实验教学和实践育人的人才培养模式构建是国家高等教育新工科建设的重要组成部分。以提升学生实践创新能力培养为出发点，对电子信息专业实验教学环境、教学方式和教学智能化管理的信息化实验教学模式改革进行探索与实践，利用无线物联技术和虚实结合实验模式对实验环境、实验仪器设备互联共享以及实验管理方式进行优化利用，进一步推动实验教学方式和管理信息化。

关键词  新工科；实验教学智能管理系统；实验室

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：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

实践育人是高校落实新工科建设“三全育人”的重要组成部分，是培养应用型、创新型人才的重要手段[1-4]。实验实践是工科人才培养过程中实现理论知识理解与实际应用相结合的主要教学途径之一。随着新工科建设信息化教学的进一步推進，越来越多高校的电子信息类专业实验室已由原来的传统型硬件实验室转换为集硬件与仿真为一体的虚实结合的实验教学体系[5-8]。然而，部分高校原有实验室始建较早，大部分实验仪器设备与相关实验技术更新不及时，设备因老化等原因损坏率逐年增加，对保证实验教学正常实施和实现良好的实验教学效果产生一定的影响。近年来，为了增强学生的综合设计实践能力，更好进入实践环境的维度，虚实结合的实验平台构建成为实验室升级改造和教学模式改革的方向。因此，实验室软硬件建设提升，以及实验教学方法、实验教学模式改革优化成为实现新工科实验教学信息化转型发展的重要途径[9-11]。

《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》《教育信息化2.0行动计划》《中国教育现代化2035》等一系列战略规划的发布，旨在加快推动我国教育信息化升级，助力教育强国建设[9，12-13]。在此背景推动下，智能实验室建设与管理在电子信息工程、电子科学与技术、电子通信工程等工科专业开设的专业课程实验教学中得到广泛应用，实验教学信息化模式改革持续深化。本文以闽南师范大学物理与信息工程学院与福建利利普光电科技有限公司共同承担的漳州市重大科技专项以及教育部产学合作协同育人的产教融合研究项目成果为背景，分析基于无线物联的实验教学智能管理系统的设计思路和作用，为新工科实验教学改革实现高效、信息化、智能化提供参考。

1  实验教学智能管理系统模式总体构建

在电子信息工程、电气工程及其自动化等电类学科专业中，电路原理实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验以及相关课程设计是专业实践教学中极其重要的组成部分。为了更好提升实验实践教学信息化管理水平，设计以传统基础和专业实验课、实训实践课程常用的示波器、信号发生器、电源、万用表为核心的四件套组合实验教学智能管理系统。该系统以实验教学统一集成管理与师生互动为宗旨，以充分发挥实验室资源利用效率，服务于师生为目标，进一步满足实验室使用者和管理者的需求，同时结合实训室管控软件平台支撑，可拓展到实验室智能门禁、视频监控、远程电控等，整合至一个平台进行全面动态管理与控制，实现实训室的有效监控和智能化管理。系统总体设计思路如图1所示。

实验教学信息化、智能化和远程实验教学实施是当前实验教学改革研究热点，特别是近年来国内外疫情影响对传统实验实践教学提出新的挑战，远程实验教学得到快速应用[14-17]。由于工科专业的实验实践教学具有较强的CDIO工程教育模式特点[18-20]，要求学生在学习中具备知行合一能力，因此，对学生实验实践教学的要求具有较好可操作性和实际场景拟合应用特点。实验教学智能管理模式设计的总体思路是把不同实验台上的测量仪器通过Wi-Fi/LAN及ZigBee都连入互联网，并可在网络中的任何一端进行远程通信。其中扩展部分可实现Wi-Fi/LAN、ZigBee双连接，局域网可通过教师电脑连接实验室设备与仪器，也可通过手机APP云服务器对实验室环境进行监测控制。如图1所示，系统通过实时发送教学信息到使用设备上，查看并保存数据及测试结果，并可在线编辑提交实验报告；自动跟踪记录仪器使用情况，包括仪器型号、序列号、状态，统计使用时间和位置信息，了解学生实验动态和学习情况。

2  实验教学智能管理系统构建是教学质量

监测的重要手段

随着高校新工科建设的不断深入，学生的实践能力和创新能力培养越来越受到重视。工科类学生进入实践学习环节的专业实验室，智能管理实验室对培养学生的实践能力、科学实验精神以及严谨的实践态度都具有重要作用。智能管理系统分为基础数据及教学管理两部分，包括实验室、教师、学生、课程、项目、设备等基础信息；可以对学校、学院、专业、班级进行四级机构设置和权限设置；支持人员信息批量导入导出，可以快速部署系统信息。实验教学管理主要功能如图2所示。

2.1  实验教学管理、教学角色管理人性化

实验教学管理主要有课程信息管理、预习管理、角色及功能设置等功能，可分别进行教学计划内实验排课管理，实验课表、实验成绩管理、查询、统计等；也可以根据不同实验设置预习题，学生实验前需提前完成习题，分数合格后方可进行实验。预习题可实现自动批改，无须增加教师负担，同时让学生提前熟悉实验课程，课堂上能专心动手做实验，减少实验原理和步骤讲解。

教学角色管理主要由管理员端、教师端、学生端三部分组成。其中，管理员端主要功能是配置本校课时，进行课程管理、排课管理，安排做实验的地点和时间。利用教师端，教师可以自定义实验模板，为每门课程添加需要做的实验，查看自己的排班，查看学生的预习情况、实验过程中提交的数据，并给学生的实验报告进行评分。教师可以自定义扩展一些内容，以便学生更好地了解和完成实验，实现实验教学目的。教师设定预习合格分数，系统会判断该学生的预习成绩是否高于合格分数，以设定他能否直接去做实验，还是需要重新预习。实验过程中学生可在线提交实验数据，每次提交的数据都会和监测点进行范围比较来判断对错，教师在评定该学生的最终实验成绩时也可参考其实验过程的监测点有没有达标。实验课程的信息化管理如图3所示。利用学生端，学生可查看要上的课程和要做的实验，查看实验详情；查看实验过程中提交的数据和监测点的比对情况，编辑完成实验报告填写；在实验列表中可以参加预习并查看实验数据、教师的评分和评语等。实验报告编辑时可以手工填写报告正文，上传数据记录表、图片等其他附件，如图4所示。

2.2  实验过程动态管理多样化

在实验过程中，学生通过校园卡刷卡开机并与账号绑定，使用自己账户完成实验，实验结束后当场提交自己测量的数据，完成实验报告撰写。教师可在线进行批阅，并针对学生的实验预习、实验操作、实验报告情况分别进行打分。由教师申请，以管理员审核通过的自主实验、自拟实验、指定可选实验等多种开放模式进行实验室开放预约管理。通过后台操作和数据统计，实现灵活管理开放实验，使得实验场所、实验室设备得到有效应用。系统也可以实时进行实验室运行监控，实时查看各实验室仪器使用情况，并可以实时观察仪器状态，保证仪器设备的正常使用，如图5所示。

3  结论

通过构建多功能、智能化实验教学管理系统，可以进一步提高实验室设备及场地利用率，借助网络化、信息化手段进行实验教学，更好适应新工科实验室建设需求。在实践育人中，学生按规定流程执行实验流程并有过程监控，可以真正有效地进行实验，既能使实验实践较好减少时间和实验场所的限制，又能在课前课后较好地进行师生互动，解决更多实验中存在的问题，实现更好的实验效果。同时，实验教学智能管理系统能较好满足开放性、研究性实验教学需要，为提升学生实践能力和实现创新人才培养提供虚实结合的实验教学模式参考。

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