基于互聯網的實驗教學到實驗報告自動批改

姜建華, 汪 洋, 王 敏, 聶國雋, 郭意亮, 趙紅曉

(1.同濟大學 力學實驗中心,上海 200092; 2.同濟大學 軟件工程學院,上海 201804)

基于互聯網的實驗教學到實驗報告自動批改

姜建華1, 汪 洋1, 王 敏2, 聶國雋1, 郭意亮2, 趙紅曉1

(1.同濟大學 力學實驗中心,上海 200092; 2.同濟大學 軟件工程學院,上海 201804)

大部分傳統力學實驗的教學行為仍處于一個個信息孤島，實驗教學管理低效繁瑣，實驗數據短暫，實驗報告批改繁重，實驗教學和課堂教學彼此孤立，無法深層次共享。隨著互聯網+時代的到來，給實驗教學的深化改革帶來了新的發展機遇。本文就基于互聯網技術的力學實驗教學開展以及學生實驗報告的網上提交和自動批改做了重點介紹。

實驗教學； 互聯網； 物聯網； 實驗報告； 自動批改

0 引 言

互聯網+時代正孕育著新形態教育的發展，E時代成長起來的學生，倒逼著傳統實驗教學的轉型。慕課(MOOCs)課程遠程教學的啟動以及學校場地空間和設備的限制[1-3]，對傳統實驗教學和管理提出了新的挑戰[4-5]。

目前大多數理工科高校的實驗設備已經基本實現了以數據采集和計算機控制為特點的信息化改造。然而，大多數教學實驗過程仍處于一個個信息孤島，管理繁瑣，實驗數據短暫，實驗和課堂彼此孤立[6-8]。為了有效改善這種局面，作者所在團隊歷經長達5年的探索和技術攻堅，提出了基于互聯網與虛擬仿真實驗技術的力學實驗教學架構，在互聯網+實驗管理、物聯網+實驗教學、虛擬仿真+實驗教學方面取得了創造性成果。同時，為在校學生實物實驗報告的自動批改奠定了技術基礎[9-15]。

1 從課堂教學到實驗教學的一體化

基于互聯網技術的力學實驗教學開展，需要多方面角色參與，這些角色由實驗室管理員、理論課任課教師、選課學生以及實驗室指導教師組成。通過構建的力學實驗中心云平臺，實驗室管理員根據教學大綱，為教學班配置實驗資源(包括實物實驗和虛擬實驗訓練)、發布實驗任務。理論課教師為班級學生預約實驗，及時了解學生參與實驗的情況，從而打破了以往理論課教學與實驗教學彼此孤立的技術壁壘，實現了從課堂教學到實驗教學的一體化。

(1) 實驗資源配置和實驗預約。在新學期開學前，實驗室管理員首先將根據新學期所開設的課程，排出即將在實驗中心做實驗的“學期班級”。課程課號相同但不在同一校區上的“學期班級”可通過班級號命名區分。然后為“學期班級”配置實驗課(見圖1)。

圖1 實驗室管理員為理論課班級課程配置實驗

任課教師在開學前夕，將根據教學大綱安排授課計劃，包括新學期的實驗教學任務。一般任課教師可以從學校教務處選課網站導出選課學生的名單。然后登錄實驗中心網站，在“本學期班級”可以看到自己所上的課程班級的“實驗任務”、“實驗預約”、“學生列表”?！皩嶒烆A約”列出了該門課程所要做的全部實驗，讓任課教師為學生集體預約所有實驗，這些實驗已有實驗管理員根據實驗教學大綱事先分配好；“實驗預約”列出了班級實驗的預約狀態，如果某實驗未預約，教師可為學生“立即預約”(見圖2)。如果班級學生數超過了實驗室容量，可多次實驗預約；“學生列表”列出了選該門課的學生名單，學生名單來自教務處選課網，由任課教師統一上傳。

圖2 理論課任課教師為教學班預約本學期實驗

某些課程的實驗要求開放學生自行預約實驗。為此，實驗中心網站還特地開發了“開放的個人實驗預約”功能。例如，同一門《流體力學》課程有4個教學班，由4位教師任課，這4位教師只需將各自班級的學生名單上傳網站，然后由實驗室管理員為《流體力學》課程的實驗統一排出若干個實驗時段供相關學生選擇，完成該門課的自行預約實驗。

不論是任課教師為學生的集體實驗預約，還是學生通過“開放的個人實驗預約”自行預約，一旦獲得中心批準后，將有“實驗任務預約信息智能發布系統”通過中心的電視以及手機短信當日發布，并提前一天提醒有關師生將做實驗及其時間地點。也為實驗教學工作量的自動統計等衍生功能創造了條件。

(2) 基于物聯網技術的實驗開展。在完成實驗預約并獲得實驗中心審批后，選課學生便獲得了指定時段和指定實驗地點的實驗授權。此時選課學生可在獲準的預約時段通過實驗室門襟系統進入實驗室，開啟已預約的試驗機電腦。試驗機電腦專門配備了中心自主開發的網絡客戶端軟件LabShell，它給原來的試驗機控制程序增加了由中心門戶網站控制的“網殼”，試驗機控制程序的開啟，必須獲得中心門戶網站的授權，即只有獲得實驗中心授權的學生才能開啟試驗機。具體過程是，學生開始實驗前，必須啟動網絡客戶端軟件LabShell，輸入學號和密碼(見圖3)，完成系統認證。在通過實驗中心門戶網站的用戶認證后，方可啟動試驗機開始實物實驗。

圖3 試驗機網絡客戶端軟件LabShell的學生登錄界面

學生在參與實驗的整個過程中，其實驗行為將被試驗機上的監控攝像頭實時監控，并隨機拍攝行為截圖，連同實驗數據實時發送到實驗中心門戶網站，保存在該學生的文檔。以追溯學生參與實驗的行為過程，為在線評價每一位學生的實驗行為創造了條件。

學生完成實驗后，可隨時隨地再次登錄中心門戶網站(http://labcom.#edu.cn)，查看自己的實驗檔案，包括自己的實驗記錄、實驗結果等。課堂任課教師也可以隨時登錄中心門戶網站，及時了解每個學生參與實驗的情況，打破了傳統實驗教學到課堂理論教學的技術壁壘。

(3) 虛擬仿真實驗訓練。主要實物實驗的LabShell程序中以及中心門戶網站都嵌入了基礎力學虛擬仿真實驗訓練系統，學生可以隨時隨地進行實驗課前/課后的實驗訓練，延伸了實驗教學課堂，提高了實物實驗的教學效果(見圖4)。

圖4 基礎力學虛擬仿真實驗訓練平臺

學生參與力學虛擬仿真實驗訓練的記錄(訓練次數、每次訓練時間等)將計入該學生的檔案，以作為實驗室老師和任課教師在評價學生參與實驗訓練情況時的參考依據。

2 實驗報告自動批改探索

力學實驗中心每學年的基礎力學實驗教學任務多達26項，實驗項目分別在四平校區和嘉定校區。其中流體力學類(流體力學1-2、水力學、流體力學與流體機械課程)實驗有15項，材料力學類(材料力學、工程力學、建筑力學課程)實驗有8項；理論力學類實驗有3項(理論力學、工程力學Ⅱ課程)。力學實驗中心每學年承擔著全校近4 800名本科學生的基礎力學教學實驗任務，以及未來潛在的大量MOOCs學生的力學實驗教學任務。

而從事基礎力學實驗教學工作的實驗教師僅10余人。他們不僅面臨著實驗設備的維護保養，還要承擔近4 800名學生的實驗教學指導，任務十分繁重。學生實驗報告的批改成了一項極其繁重的工作。盡管實驗報告暫由任課教師負責批改，但由于部分任課教師未能參與實驗的全過程，所以效果欠佳。所以，開展對學生實驗報告自動批改的探索，可大大減輕基礎力學實驗教學的老師的工作量，具有現實意義。

在仔細分析基礎力學實驗報告時發現，基礎力學實驗報告模板化格式性很強，其數據結構大致可分為4種類型，①測量獲得的原始數據，②反映實驗結果的實驗數據，③反映實驗結果的物性圖形，④學生對實驗過程的結論性認識。由于學生實驗通常是以小組形式完成的標配性實驗，故學生實驗報告的類同性和規范性也都比較強。

由于力學實驗中心已經實現了實驗報告網上提交，實驗數據和實驗圖形都是數字化的，故實驗數字化的實現為實驗報告自動批改創造了條件。上述實驗報告數據的4種類型中的前兩類數據，實現自動批改難度最小，只要根據數據的誤差范圍就可以判斷對錯，如果偶爾有少數同學實驗數據超出了誤差范圍，也可以作為疑似問題改為人工批改。但此類情況屬于小概率事件。學生登錄力學實驗中心云平臺后打開實驗報告模板的界面，實驗報告模板已經涵蓋了從學生實驗檔案中自動提取的基本信息(包括學號、班級、課程名稱)、學生參與實驗的信息(含實驗時段，實驗室編號，試驗機編號等)，以及實驗條件數據和實驗原始結果數據。同時也記錄了學生對實驗原始數據的事后處理情況，比較全面地考察了學生對實驗結果的理解。

對于反映實驗結果的物性圖形的自動批改，其難度較大。這不僅涉及實驗圖形結果的隨機性，同時還涉及到學生作圖的隨機性。為此，對實驗報告作了規范化處理，即在學生網上完成實驗報告時，實驗報告模板將隨機生成若干幅實驗數據圖形，其中一幅來自試驗機發送的實驗數據圖形，供學生判斷哪一幅圖形是正確的？以此來評判學生實驗報告的完成情況。圖5是實驗報告模板隨機生成的若干幅實驗數據圖形以及一幅來自試驗機發送的實驗數據圖形的界面，以供學生在完成實驗報告時判斷選擇。

對于實驗報告中涉及學生對實驗過程結論性敘述，屬于主觀隨意性較強的部分，其批改難度最大。為此，對于涉及到要求學生對實驗過程作結論性敘述的部分，也對實驗報告模板作了規范化處理，即在學生網上完成實驗報告時，網頁會出現若干批次反映對實驗過程認識的多選題，讓學生網上逐一勾選，以此反映學生對實驗過程和結果認識的正確程度。

實踐證明，實驗報告的自動批改可以大大減輕教師的工作量，對于少數實驗報告自動批改存在疑問的情況，可以臨時改為人工批改。然后，再根據所遇到的實驗報告自動批改存有疑問的情況，對實驗報告模板加以完善，不斷改進和探索，直至實驗報告自動批改的誤判率降到最低。

3 結 語

通過基于互聯網技術的力學實驗教學升級建設暨實驗教學數據云平臺的開發，深刻感受到了互聯網+傳統實驗教學的巨大潛力和優越性。

針對傳統實驗的管理分散、實驗獨立、數據暫時、耗時耗材的老大難問題，借助互聯網技術開發的力學實驗教學數據云平臺，實現了實驗預約、門襟管理、試驗機網絡控制、學生實驗行為跟蹤。為進一步提高實驗室開放度創造了條件。

基于互聯網的O2O(Online to Offline)實踐，使得實驗教學和實驗管理更加安全、高效、便捷，實驗排課、實驗預約、實驗資源優化配置、多手段獲知或查詢實驗任務。實現了學生的實驗行為截圖、實驗數據和實驗報告由實驗中心云平臺的綁定管理。

在實驗教學數據云平臺以及試驗機網絡客戶端軟件中嵌入虛擬仿真實驗訓練模塊。學生可以隨時隨地進行實驗課前/課間/課后的實驗訓練，延伸了實驗教學課堂，有效解決了“僧多粥少”的硬件設備不足的問題，有效提高了實物實驗的教學效果。同時，也為慕課課程的實驗教學和實驗管理提出了一體化解決思路。

從涵蓋實驗原始數據的實驗報告模板的自動生成，到實驗報告的在線完成和網上提交，以及實驗報告的自動批改，實現了實驗報告的無紙化。也為實驗教學數據規范化管理，建立歷史實驗數據庫查詢等衍生功能創造了條件。

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The Reformed Activities of Mechanics Experiment and the Auto-Judging for Student’s Experimental Report Based on the Internet

JIANGJianhua1,WANGYang1,WANGMin2,NIEGuojun1,GUOYiliang2,ZHAOHongxiao1

(1. Key-Lab of Engineering Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Institute of Engineering Software, Tongji University, Shanghai 201804, China)

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.

experimental teaching; internet; internet of things; experimental reports; auto-judgment

2016-09-10

同濟大學本科教學與實驗教學改革項目(同1330104099,1330104092,1900104006)

姜建華(1961-)，男，江蘇溧陽人，博士，教授，力學實驗中心副主任。研究方向：力學實驗虛擬仿真以及基于互聯網技術的實驗教學。Tel.: 021-65981401； E-mail: tk985_j@#edu.cn

TP 391.0；G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0157-05