张声岚　武斯萌　廖彦淇　江 豪　张烈平　石荣亮　吴 东　

浅谈电工电子智慧实验室的探索和应用

张声岚武斯萌廖彦淇江 豪张烈平石荣亮吴 东

（桂林理工大学机械与控制工程学院，广西 桂林 541000）

随着科学技术的发展，越来越多的智能化设备被广泛应用于教学实践中，而实验室作为高校改变传统教学方式教学的重要场所，在建立和增强大学生科技创作实践能力和思维创新能力的过程中，智慧实验室是完成这一目标的重要渠道。文章以《电工电子实验》课程为例，阐明智慧实验室在实验教学环节中的应用，以及较传统实验室教学的优势。

电工电子实验；智慧实验室；“混合式”教学

引言

当下，智慧化办公、智慧化教学等在高校中已经有了一定程度的普及，如何利用智慧化设备来提高学生学习水平，是亟待解决的一个问题。本文着手于智慧实验室，以提高学生动手能力，降低教师教学负担、简化实验室管理为目的，介绍智慧实验室的使用情况。

以桂林理工大学电工电子智慧实验室为例，实现线上资源共享，线下实操训练，形成一种线上线下相结合的教学方式。建立和完善以培养学生创新精神和创新能力为目标的创新实验室并使之正常运转，不仅仅为学生的实践锻炼提供了物质条件，更是给他们创造了一个广阔的思维空间，其结果是使学生的实践与创新能力得到锻炼，科学的工作态度和创新精神得以培养，参与科学研究的热情得到激发，从而达到创新教育的目的。在高校应用型本科生教育中，尤其是以实践为主的理工科专业，改变机械式的单一教学方法，培养学生改变传统思维方式的能力，增强动手实践的能力，在实际操作中开拓新思路、发现新技术，以达到应用型本科的教学目标[1]。

《电工电子实验》是应用型本科教学中一门最具实践价值和操作性很强的一门实验课，它需要将在课堂上掌握的理论知识与课堂外培养的动手能力结合起来。这些理论知识大都在教室中学过，但运用到实际项目中却略显困难。为解决这一问题，在教学安排上，可以考虑通过在实验类课程中的教学来增进对理论知识的理解并达到完全掌握，智慧实验室可有效培养学生数据分析与误差处理的能力，同时得到基本实践操作技术和分析能力的训练。

1　电工电子实验室现状

实验室是高等学校教学、科研、社会服务的主要基地，是学校各项工作的重点。实验室的建设须合理规划﹐根据学科的发展制定实验室长期和短期的发展规划与目标，在此基础之上进行统筹规划﹑合理布局，再进行安全措施的设计建设[2]。当前，就传统电工电子实验室来说，就实验室管理、实验室安全、实验课教学方法等方面存在以下不足[3]。

（1）实验室设备实用性单一，种类多，管理效率低下。传统实验室以人工管理为主，主要依靠教师以及实验室助理长时间的监管来完成实验教学和日常管理工作。例如：实验室的门锁只能由专员开启，若教师或实验室助理未能按时开锁，将限制需要使用实验室上课学生的自由进出。

（2）由于教师及实验室助理精力有限，以及实验课程安排的时间和地点是固定的，从而导致非教学期间实验资源长期置闲，课余时间学生想用无处用，资源可用却没法用。

（3）实验设备复杂，不易排查安全隐患。对于老旧的实验设备，由于电路老化以及实验磨损，一是做出的实验数据不具参考性，二是实验过程中相比新设备更易出现安全问题，威胁实验人员的人身安全。

（4）实验室的实验设备并不丰富，教师实验演示时间占据了大多学生的实验环节，导致学生动手实验的时间减少，对学有余力的学生无法进行扩展实验。这样会导致学生实验时间不足，实验能力无法得到提升。

（5）局限于课程安排，实验教学内容及方法单一，学生只是临时模仿，没有思考问题，只为了完成任务而完成实验，不主动预习和设计方案，达不到实验效果[4]。

2　电工电子智慧实验室中的教学理念与意义

应用型本科自动化专业非常看重学生的实践能力和操作能力。以《电工电子实验》为例，要将课堂的理论知识与实际实验操作的实践相结合，使学生更清楚地认识到，理论学习与实践操作之间存在的差距[5]。因此，实验室可作为该专业学生的第二课堂。教师在培养学生时，注重对实验原理、实验工具、电路原理图、操作方法的理解与掌握，通过多种途径提高创新思维，营造有利于创新型人才发展的氛围及坏境，将智慧实验室应用于实验课程教学中，对促进学生探索新事物，改变固有思维，提高创新意识起到潜移默化的作用。

智慧实验室是基于物联网技术发展起来的，将先进技术融入高校的教育管理与建设中，具有先进性、统一性、规范性、安全性的特点，符合人性化的设计。实验室环境及实验设备之间存在泛在感知，可将实验室内环境情况、实验数据上传至大数据平台，实现对实验室的智能化管理。实行线上线下相结合的“混合式”教学，提前在线上开放实验指导内容，实验过程中对学生实验数据进行实时监控与控制，通过网络技术实现对实验仪器的控制和学生身份认证，实验课程后，对实验数据进行处理计算，并对实验中的难点进行解答，可极大提高学生在实验课程中的参与性，增强与教师之间的互动，有助于巩固知识，增强动手能力，激发其对科学研究的积极性，从而达到建设新时代背景下创新型人才的目的。

3　电工电子智慧实验室在教学中的具体实施办法

每次上实验课时，可将本实验课的教学安排分为三个环节，分别为课前预习环节、课中实验环节、课后总结环节。课前预习环节利用已在线上分享的学习资料，以及实验课之前理论课老师所讲内容，对实验过程及现象有大致了解；课中实验环节，利用智慧实验室特有的教学设备，对所有上课学生进行覆盖式教学；课后总结环节，通过实验眼APP，将本实验课后复习内容，发送到学生手机上，线上回答，线上审批。下面，本文将以这三个环节分别进行详细说明：

3.1　课前预习环节

（1）在这个环节中，学生依照本节课的实验内容，提前找资料（该课程会安排在理论课之后），回顾该实验的原理并查找电路原理图。

（2）学生可登录智慧实验室联动软件——实验眼APP，并在该软件上查看电子版实验指导书，了解并熟悉所需实验仪器的使用，记录所需测量数据的类型。

（3）在实验课前，教师会发布与该实验有关的练习题，学生的作答情况会通过实验眼APP反馈给数据后台，方便教师对学生知识掌握程度做出一定判断，在课堂上侧重偏弱项进行弥补。如图1所示。

图1　课前预习示例

3.2　课中实验环节

（1）课前十分钟，学生可以先对实验台、示波器、正弦发生器等实验仪器进行熟悉，针对使用方法、使用场景等问题，可向教师提出疑惑并解决。学生们使用校园卡进行打卡签到，实验台会将打卡数据传给教师端后台，方便老师统计学生的出勤率。

（2）教师根据实验眼APP后台答题情况，针对不同学生进行分门别类进行指导。教师结合理论知识及相关器材的演示，帮助学生解决课前练习题。

（3）学生以2～3人为一组的小组形式进行组队，结合实验室所给指导书和其他相关材料，运用课前预习知识，可尝试在实验台上接线、测量等操作。教师可在教师端，实时监控每个实验台的状态，确保不会发生意外情况。

（4）教师演示环节中，教师通过智慧实验室特有的录屏和投影设备，根据实验指导书上的内容，对实验操作方法进行规范化、标准化，对正确实验现象、实验过程进行展示，以确保部分学生改正错误的实验操作方法，加强实验的安全性。

（5）教师通过思维引导倡导学生进行“自主性”“扩展式”实验，在小团队内通过实验所得自主设计扩展式实验内容，仿真并判断实验现象，记录每一组实验的数据，培养团队的合作精神。小组成员将实验内容上传至数据后台，教师择优进行实验讲解。如图2所示。

图2　课中实验示例

3.3　课后总结环节

（1）课后，学生优先提交电子版实验报告，内容包括：实验原理、实验用具、电路原理图、实验方法、实验现象、实验数据、实验结论。通过实验内容可以加深课本中所含概念、曲线图的理解，以便将实验过程具体化。

（2）教师根据学生上传的实验报告，可通过平台进行大数据汇总，针对报告中的较弱项，进行循环完善。根据实验台上传到教师端的打卡数据，以及实验报告的提交结果，对不符合教学指标的学生，进行提醒并帮助其解决相关问题。

（3）学生将《电工电子实验》课程中每次的实验报告上传至实验眼APP，教师根据每次的实验情况，对不同情况的学生进行针对性指导，从各个方面考察学生对知识的理解程度，判断该学生对新知识的理解能力，引导学生对所遗漏的知识进行弥补性学习，增强其自我思考问题的能力。

4　电工电子智慧实验室实践教学结果

4.1　实验课程实施效果

（1）预习环节：由于实验课程与理论课程之间存在一段时间的间隔，增加这一环节，可保证学生对知识理解的完整性，既能巩固学生对知识的掌握程度，又能减轻教师上实验课时的负担。

（2）实验课中环节：此环节解决了之前教学过程中存在的演示环节过多占用学生实验时间以及学生课上对实验设备不熟悉、不了解的问题，增强了实验课中教师与学生之间的相互交流。实现了学生和教师在实验过程中的多种互动，包括文字、语音和视频等多种互动方式，增加了师生之间的互动，同时也方便了教师实时地记录每个学生的实验表现，避免课后遗忘[6]。

（3）实验结果：为确保实验数据的真实性，数据后台会配合实验台的操作系统对学生提交的实验报告进行智能化处理，对学生提交的实验结果进行判断，实现系统自动查重的功能。可降低实验数据雷同的状况，减轻教师批改时遇到的困难，方便教师对学生水平做出判断。

（4）预约系统：为了充分利用实验室资源，方便学生自行安排实验时间，避免教师因出差等原因实验室不可用现象。同时保证原有的实验安排不被影响的情况下。学生可根据自己的时间网上预约实验室，教师在确定无误后，同意预约请求，以此提高实验室的利用率。如图3所示。

图3 实验室预约系统示例

（5）实验过程的监测与回放：利用智慧实验室里空气中的一个监测与回放系统，对整个实验过程和各个实验环境都做到了全方位的监测与预警。通过在办公室内的视频大荧光屏可以采取固定和轮播等多种形式，对实验室内所有学生的各种实验操作过程进行实时的监控，确保学生在实验过程中操作规范，以防实验事故等问题的发生。

4.2　教学方法建设成效

将教学方法由“照搬式”改变为“混合式”，在线上，结合各类教学资源，对学生的学习情况进行考察；线下，老师演示并且结合实操，巩固知识的完整性。

在师资队伍、教学方式方法、实践教材建设、管理制度和考核体系进行优化，培养学生具有从事相关专业的必备素质和职业“关键能力”，为以后的进一步学习或就业打下坚实的实践动手能力基础。对此，《电工电子实验》课程形成一套完整的流程：课前预习理论知识——完成线上预习题——反馈预习数据——熟悉实验器材——个性化指导——团队讨论设计方案——教师演示——提交电子实验报告——跟踪学习进度，为培养应用性、创新性人才奠定基础。

学生在课堂上的参与性增强，与团队的合作中，节约实验前的准备时间，并且组内成员相互观察，既加深实验过程的操作流程，又降低实验事故的发生率。实验是建立在理论知识基础之上的，这不仅需要对理论知识的掌握，更需要对实验设备及电路原理的理解足够深刻[7]。

4.3　智慧实验室在教学上的优势

对学生来说，使用智慧实验室上课，可以激发学生探索未知事物的兴趣；免去复杂的实验操作流程；全程参与教师演示环节，对存在疑惑的地方可及时解决；巩固课堂知识，将理论知识与实际操作联系起来；以小组形式参与实验课，培养团队协作能力；实验室资源得到合理利用，为非上课期间想用实验室的同学提供便利条件；同时可最大程度避免安全事故的发生。

对教师来说，时间分配上更加明细，针对普遍存在的难点疑点，侧重解决；对学生实验操作过程实时监测和控制，防止学生的人身安全出现意外，确保实验用具的安全性；USB摄像头用来监控实验室内的情况，还可以拍照保存学生的实验结果，方便老师远程或者其他时间做出评价；使用电子版实验报告，可免去纸质报告不易存放、批改等问题，并对学生的报告数据进行整合统计，方便教师进行统一处理；对学生提出的问题，客观试题可自动评判，主观试题人工评判，提高教学管理效率；对已批阅的实验报告，后台进行汇总整理，教师可自行导出期末成绩分数表格[8]。

在实验室管理层面上，使用智慧实验室，方便学生在课堂之外进行实验室预约，使实验室资源能够得到充分利用，避免出现“想用无处用，可用却没法用”的浪费现象；通过对实验过程的监管，可以排查出实验结果有误的学生，对这些学生专门化管理，调取实验过程回放视频，还原实验过程，对学生的差错进行弥补或展示；在安全排查上，实验室后台记录每个实验台的使用记录和使用状态，在使用者发现安全故障时，可及时停止实验台的运行，并通知维修人员进行维修；管理员远程断电，智能电源控制系统自动断电正常工作；实现资源共享，除自动化专业外，其他专业同样会使用智慧实验室，但每个专业教学方法不同，资源共享后，可查看其他专业实验时的数据，以此来调整教学方式，适应学生学习。只有从时间上、空间上、实验人员上、指导老师上、创新项目上共同实现协调开放，结合人性化的措施，才能更好地培养学生协同工作及创新的能力[9]。

5　结束语

本文阐述的智慧实验室，是基于当下科技发展水平以及教学需求，为减轻教师教学中的负担、提高学生学习效率以及实验设备的利用率而应运而生的。通过学校现有的智慧实验室的使用以及观察，得出以上教学方法的改进以及运行结果的描述。智慧实验室的建设是一项复杂且艰巨的工程，这项工程需要学校的正确策划和学生的积极实践配合。在建设过程中还需贴合实际，紧跟教学方向的主流不断优化实验室，以适应时代发展带来变化的要求。

[1]白广梅. 关于创新实验室建设的思考[J]. 实验技术与管理，2007(2): 136-138.

[2]刘莉，李德才. 高校实验教学环节存在的问题及解决策略研究[J]. 高教学刊，2016(18): 67-68.

[3]张琼，全练琴. 高校环境实验室安全管理探讨[J]. 实验技术与管理，2016(7): 227-230.

[4]朱湘萍. 依托创新实验室的光学实验教学的探讨[J]. 高教学刊，2016(17): 129-130.

[5]刘慧龙，吉冰冰，胡将军. “引导型、自主式”实验教学[J]. 高教学刊，2016(21): 143-144.

[6]杨莹，闵庆旺，王岩. 化学实验室智能化管理系统的建设与应用研究[J]. 信息记录材料，2019，20(8): 88-89.

[7]刘伯红，阎英，方义秋. 高校计算机实践教学质量保障体系改革探索与实践[J]. 实验室研究与探索，2012(12): 121-123.

[8]王慧渊. 基于物联网技术的智能实验室的研究与实现[D]. 杭州: 杭州电子科技大学，2014.

[9]陈飞，范扬波，魏碧霞. “机器人及智能制造”专业群的工程实践创新实验室建设探索[J]. 高教学刊，2017(23): 22-24.

Discussion on Exploration and Application of Electrical and Electronic Smart Laboratory

With the development of science and technology, more and more intelligent devices are widely used in teaching practice. As an important place to change traditional teaching methods in colleges and universities, the smart laboratory is an important channel to achieve this goal in the process of establishing and enhancing college students' scientific and technological creation practice ability and thinking innovation ability. Taking the course ofas an example, this paper expounds the application of smart laboratory in experimental teaching and its advantages over traditional laboratory teaching.

electrical and electronic experiment; intelligent laboratory; "mixed" teaching

G48

A

1008-1151(2022)01-0182-04

2021-11-17

2020年广西壮族自治区桂林理工大学校级教改项目“ ‘互联网+’教育背景下电工电子智慧实验室建设路径的探索与实践”（2020B18）；2021年广西高等教育本科教学改革工程一般项目“基于建构主义导向的‘翻转课堂’教学法在《电力电子技术》课程教学中的应用研究与实践”（2021JGB205）；2020年度广西高等教育本科教学改革工程立项项目“ ‘双万计划’背景下《数字电路》课程混合式教学模式探索与实践”（2020JGB208）。

张声岚（1984－），女，广西桂林人，桂林理工大学机械与控制工程学院高级实验师，硕士，研究方向为无线传感器技术。