0 引 言
工程教育实践教学是专业课教学和培养工程技术人才的重要环节，强化实验实践教育有利于提升人才的创新能力和综合素质。“十四五”期间，教育部大力推动高等学校现代信息技术和实践实验教学的深度融合。伴随着互联网、大数据等技术的迅速发展，高校的传统授课模式也逐渐向线上或线上线下混合式教学模式转变，并取得丰硕的研究成果，但目前的混合式教学大多应用于理论教学方面，而较少应用于实践实验教学中。如何构建一套适合于实践实验教学的混合式教学模式，实现线上、线下实践实验教学的深度融合，是每一位高校实验教师需重视的问题。
小规模限制性在线课程（Small Private Online Course，SPOC），作为传统面对面教学与在线学习相结合的教学模式，弥补了传统课程的不足，融合了大型开放在线课程（Massive Open Online Courses，MOOC）的优势，更适合个性化教学和新型教学模式的开展。以有效教学著称的BOPPPS（Bridge-in Objective/Outcome Pre-assessment Participatory-learning Post-assessment Summary）模型，强调学生全方位参与式学习，形成持续改进的教学循环。为便于线上和线下混合式实验教学的开展，在BOPPPS模型基础上进行个别教学环节的优化和改进，生成集导入、仿真、前测、实操、后测、总结与评价6个环节为一体的BSPOPS（Bridge-in Simulation Pre-assessment Operation Post-assessment Summary）模型。
1 高校实验教学模式现状
实验教学方法和教学手段的不断改革，是实践能力培养和创新人才培养的关键因素。纵观高校实验教学模式的变革历程，实验教学模式主要分为传统实验教学模式和在线虚拟实验教学模式[1]。
传统实验教学模式偏重于完成功能验证性实验，具有“四固”特点，既要求学生在固定的时间，使用固定的实验设备，按照固定的实验步骤，完成固定的实验内容。这种实验教学方式优点是学生可以感知和操作仪器，有利于理论知识的理解和实际动手能力的培养；缺点是学生思想被固化，不利于学生创新能力的培养。
在线虚拟实验教学模式是指“互联网+”背景下开展的实验教学模式，即通过网络远程操作虚拟实验室系统或远端真实设备，主要分为软件共享的虚拟实验[2-4]、仪器共享的虚拟实验[5]和远程控制虚拟实验[6]3类。在线虚拟实验教学有效克服了传统实验教学的限制，可对实验内容灵活调整，在提高创新能力的同时，激发学生的实验兴趣和积极性，但该实验教学模式要投入一定经费设计和建立相应的虚拟实验系统，且需要对开放共享设备进行精细管理和运行维护。如何根据高校实际情况，在短时间内，零成本、低配置开展线上线下混合式实验教学显得至关重要。
2 混合式实验教学目标设计
教学目标是教学模式的出发点和落脚点，要建立混合式实验教学模型，首先需要明确课程的教学目标[7]。在进行教学目标设计时，将《高等学校课程思政建设指导纲要》要求和BOPPPS模式要求进行多维目标整合， 从“价值塑造/情感”“知识传授/认知”“能力培养/技能”3个维度分别设定教学目标。
价值塑造/情感维度教学目标是指混合式实验教学中，利用引导、激励、情感共鸣等方式，使学生在掌握课程知识、技能的同时，培养学生在“情感、态度与价值”方面的目标，激发学习兴趣和创新精神，培养学生具备解决问题和分析问题的科学思维方式等。知识传授/认知维度教学目标，主要分为基础知识和拓展知识两类教学目标。基础知识目标指学生需要了解、掌握的实验知识、工作原理、独立操作知识；拓展知识目标是指基础知识目标上的融会贯通和灵活运用，包括应用、设计相关的高阶知识。能力培养/技能维度教学目标是实践教学的重要目标，指实际知识运用能力、未来开展相关研究工作的能力等。3个维度教学目标的培养贯穿于整个实验教学过程中，具体达成方式如图1所示。
3 混合式教学模式构建
传统实验教学和在线虚拟实验教学在人才培养中都具有十分重要的作用，本着虚实结合的原则构建基于SPOC和BSPOPS相结合的混合式实验教学模式，将这两种实验方式实现交融互补、扬长避短。
3.1 基于SPOC和BSPOPS相结合的混合式教学模式
基于SPOC和BSPOPS相结合的混合式实验教学模式将智慧引入、线上自学、线下翻转、过程考核等引入混合式教学中，如图2所示，混合式教学的课程交互平台及资源支持主要包括线上、线下两部分，线上SPOC平台选择雨课堂作为交互平台，线下课程采用实验室的实验箱进行教学。该模式将BSPOPS的6个环节融合到传统教学的课前、课中、课后3个阶段中。
课前环节主要用于完成导入、仿真和前测工作。构建“学情预判+即时反馈”教学体系，教师根据前测成绩，及时调整实验难度。教师根据学情分析，进行实验教学设计和教学资源实验介绍PPT、操作流程微视频、预习测试制作，并以班级为单位提前一周在雨课堂中发布。学生通过线上自主预习，根据操作流程微视频完成仿真实验和前测，达标后允许进入线下实验阶段。
课中环节主要用于完成实操和后测工作。教师组织学生开展讨论、制订实验方案、进行实验操作。学生在完成基础实验后，逐组进行实验检查和完成后测环节。对于能力较强的学生提供个性化辅导，进一步挖掘学生潜能。教师统计后测情况，将存在的问题补充到课程总结中，形成二次反馈。
课后环节主要用于进行总结和评价，对前期的实验进行巩固和提升。教师在这个环节主要进行综合评估和拓展延伸。学生完成实验报告并通过在线平台进行报告提交。
混合式实验教学模式基于前测反馈和后测反馈环节形成闭环实验教学，有利于培养学生独立自主的学习习惯，也有利于教师综合性地思考教学目标，精细化完善实验课程设计，从而提高实验教学质量。
3.2 线上教学资源的设计与开发
线上教学资源是开展混合式教学的基础，学生在线学习过程中反馈的共性问题，在学情分析、教学目标制订方面起到关键作用。按照功能将实验教学资源分为指导性资源、内容性资源、生成性资源3类[8]。指导性资源主要是课题组教师根据课程特点及学生水平制订的教学大纲、教学日历等信息。内容性资源是课程资源设计与开发的重点，按实验项目逐层细分，采用自顶向下的知识图谱，合理组织呈现实验内容与要求；内容性资源一般采用多媒体教学课件、实验操作微视频（10 min左右）、客观题测试题及拓展性资源等形式进行设计。生成性资源主要指混合式教学互动过程中动态产生的资源，包括学生的实验报告、课后作业、互动讨论及调整后的学情分析报告等。
3.3 混合式实验教学的课程思政融入
实验类课程与理论课程的教学方法、手段有较大不同，导致课程思政的融入方法也不相同，因此如何在实验课教学中有机融入课程思政，通过课程思政提高实验课程的教学效果和人才培养质量，具有很大挑战性。
在线上、线下混合式教学模式中，可以充分利用信息化教学手段，将“课程思政”用灵活多样的教学方法进行融合呈现和合理切入，有效开展实验课的课程思政教学。在线上教学资源制作过程中，深入挖掘实验中涉及的思政元素，将人生哲理、生活感悟等进行形象直观的引申，在实现知识传承的同时，提升课程思政的德育效果，有效延伸思政教学的时间和空间，增强实验课程思政教学的针对性、时效性。在前测、后测环节，选择一些贴近学生年龄、心理、生活，紧扣实际和社会热点的德育结合点，作为课程思政相关的主观题作业。在线下实验教学环节，通过言传身教、身边故事、人文渗透等方式，聚焦培养学生严谨的科学态度、职业道德和工程素养。
线上线下相结合促进课程思政的巧妙融入，但也要避免陷入课程思政的误区。例如，避免盲目效仿，简单地将政治理论内容穿插在实验教学中，过多讲解思政元素，思政元素和课程割裂，教学内容牵强附会等。总之，课程思政不能急于求成，还需要在进一步的实验教学中摸索和积累。
3.4 混合式实验教学评价体系构建
实验类课程的成绩评价体系直接影响学生参与实验的积极性和主动性，因此，针对混合式实验教学模式建立个性化、全方位、全程可量化的实验类课程多元化评价体系至关重要。
混合式实验教学采用课程目标达成的形成性评价体系，从多维度、多角度展开评价，通过学生自评、学生互评、教师评价，形成清晰、科学、数据支撑的细粒度形成性考核评价规则。考核评价规则以线下实际操作、实验结果、后测情况为主（共占50%），线上预习、前测情况（共占20%）、课后报告（占20%）以及网络视频的观看时长（占10%）等过程性评价为辅。全面评价学生的学习情况，促进学生对实验细节的深入思考及实验结果的反思，激发学生实验研究热情，培养学生实验课堂的自主探索和深度思维方式。
4 基于SPOC和BSPOPS相结合的混合式教学实践与应用
计算机组成原理课程是我校信息科学与技术学院计算机专业的核心课程之一，是学习其他计算机专业课的先导课程。课程理论性强、内容抽象，相关的理论需要在实际操作中进行理解和验证[9]，因此实验环节非常重要，能够帮助学生更加深入理解计算机工作原理，从而提高计算机系统的设计和分析能力。
在实验平台选择上，根据课程特点，选择采用雨课堂+QuartusII软件仿真+线下硬件实验箱相结合的方式，让学生在清楚系统结构之后能真正理解整个系统的运行机制，从而提高实验教学效果。
在实验内容组织上，按照以更好的理解理论知识为指导方针来编排实验教材。在前期的独立部件实验中注重实验过程的分解，为后面的自主实验设计和综合实验设计打好基础。
在线上资源制作方面，精心制作具有动态效果的多媒体教学课件，帮助学生直观理解各模块的工作原理以及整机运行机制等抽象的知识。将每个实验的实验步骤讲解、QuartusII软件仿真操作流程录制成10 min左右的短视频，并将相关教学资源在雨课堂上以班级为单位发布，提高线下课堂的实验效率。通过雨课堂，进行课后作业布置、批改、反馈，学生针对自己的作业情况可以得到及时反馈，促进实验内容消化。
在实验组织方面，合理安排学生进行线下分组实验，主要包括线下实验箱测试验证和自主实验设计。经过线上预习，对于模仿验证的实验而言，彻底解决部分基础差的学生无法复现复杂的操作步骤等问题，100%的学生可以完成实验，相比传统实验教学，相同的实验内容整个班级可以至少提前1个小时完成实验，大大提升实验课堂效率。对于学有余力的同学可以继续开展自主实验设计，进一步提高创新能力。
计算机组成原理实验课程ROM实验的具体混合式实验教学过程见表1。
5 实验教学效果分析与不足
5.1 传统教学与混合式实验教学效果对比分析
在2020级的计算机组成原理实验教学中，选取两个班采用混合式实验教学。收集该学期的教学实践数据，与2019级采用传统实验教学的班级进行对比分析。在学生水平和整体素质相当、采用相同的实验教学大纲和实验课件的情况下，期末成绩对比见表2。
2020 级成绩优秀率（33.9%），稍高于2019 级32.0%，平均成绩（88.1分）比 2019 级（83 分）高出 5.1分，最低分比2019级高11分。从成绩分布看，2020级处于 80—89分数段的人数占47.5%，大部分同学的成绩集中在这个分数段，且不存在低分数段的情况。2019级存在14%的同学在60—69的分数段。这些都反映了 SPOC+ BSPOPS的混合式教学效果相对传统实验教学效果提升显著。
5.2 实验教学总结与不足
随着高校混合式教学模式的普及，越来越多的课程开展线上线下混合式教学，导致学生的线上学习时间产生冲突，如何科学、合理安排学生课余时间进行线上学习需要认真思考；其次，不同课程使用不同的线上平台和教学过程，学生需要熟悉不同的平台及教学流程，也是不小的挑战，如何实现高质量线上教学平台的统一需要在今后的教学中深入研究；最后，教师通过人工的方式监控学生的线上学习情况，进行学情分析和教学组织设计，需要花费大量时间和精力，且容易造成部分信息遗漏，影响教学效果。下一步，课题组计划开发相应的智能软件，实时获取学生测试和答疑情况进行知识图谱动态调整，对同学们反馈的问题进行词云分析，以在减轻教师工作量的同时，完成精准的教学设计。
6 结 语
基于SPOC和改进的BOPPPS（BSPOPS）混合式教学充分利用SPOC平台和BSPOPS教学模式的优势，将传统实验教学与线上教学进行深入融合和应用，为在短时间内、零成本、低配置开展线上线下混合式实验教学提供了成功的参考案例。实践证明，传统实验、新媒体技术和在线教学的结合，有效提高了实验课的教学效果和教学质量，很好地发挥了实验课的育人、育德、育才功能，为高校其他实验课程的混合式教学提供了有益的参考价值。
参考文献：
[1] 马汉达, 张建明. 高校混合式实验教学的应用研究[J]. 实验技术与管理, 2015(9): 170-172, 175.
[2] 曾海燕, 郑鑫. 基于e-Labsim仿真平台的移动通信原理课程教学改革探究[J]. 智能计算机与应用, 2019(3): 306-308.
[3] 周秀英. 基于VR技术的会计实验教学实践探究[J]. 西昌学院学报(自然科学版), 2019(1): 113-116.
[4] 马莹, 张恒, 宋其圣, 等. 虚拟仿真实验项目助力实验课在线教学[J]. 大学化学, 2020(5): 223-228.
[5] 刘跃华, 何静. 虚拟现实在“计算机组成原理”课程教学中的应用探索[J]. 科技视界, 2020(4): 49-52.
[6] 汤海峰, 刘艳, 闫国栋, 等. 开展线上线下混合式教学助推大型仪器面向本科生开放[J]. 实验技术与管理, 2020(11): 174-177.
[7] 余泰, 李莉, 李同明. 浅析SPOC在高校实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理, 2018(9): 179-181, 185.
[8] 刘斌. 基于在线课程的混合式教学设计与实践探索[J]. 中国教育信息化, 2016(11): 81-84.
[9] 赵雅楠, 张俊霞, 卢建良, 等. 以竞赛为导向的计算机组成原理实验分级教学模式探索[J]. 计算机教育, 2022(5): 11-14.
基金项目：北京化工大学信息科学与技术学院改革项目“实践实验类课程线上线下混合式教学”（XXJG2021004）；国家自然科学基金项目“带核酸提取的一体化对流CPCR微流控核酸诊断方法研究”（81871505）。
第一作者简介：苗桂君，女，北京化工大学工程师，研究方向为计算机技术及应用、智能控制、信号分析与处理， miaogj@mail.buct.edu.cn。
引文格式：苗桂君，尤 枫，邱宪波. SPOC和BSPOPS相结合的混合式实验教学研究与应用 [J].计算机教育,2023(1):16-20，27.
转自：“计算机教育”微信公众号
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