基于MOOC平臺(tái)的數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

朱正東+郭如意+田靖軒+劉向東

摘 要：分析當(dāng)前數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的主要問題，在現(xiàn)有教學(xué)體系改革研究的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化教學(xué)資源、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程控制與監(jiān)督等方面出發(fā)，給出創(chuàng)新數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究思路，提出基于MOOC的多方位數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：MOOC；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；數(shù)字邏輯；學(xué)習(xí)興趣；創(chuàng)新能力

文章編號(hào)：1672-5913（2017）07-0131-04

中圖分類號(hào)：G642

0 引 言

數(shù)字邏輯課程是電子信息類學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。對(duì)數(shù)字技術(shù)專業(yè)學(xué)生來說，它是必修的硬件基礎(chǔ)課，學(xué)懂該課程的內(nèi)容才能打開數(shù)字技術(shù)的大門，為后續(xù)課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)打好基礎(chǔ)，并將受用終身。

1 數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的主要問題

當(dāng)前，數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在以下問題。

1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒有創(chuàng)新。

國內(nèi)大多數(shù)高校設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本相同，長期沒有更新，如電子鐘、出租車計(jì)價(jià)器和交通燈等，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不主動(dòng)學(xué)習(xí)，經(jīng)?？截惼渌瑢W(xué)的答案，或在網(wǎng)上找答案。

2）實(shí)驗(yàn)環(huán)境重復(fù)建設(shè)，實(shí)驗(yàn)資源得不到充分利用。

大多數(shù)高校各專業(yè)針對(duì)數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程單獨(dú)設(shè)置環(huán)境，相互間缺少有效溝通，各實(shí)驗(yàn)室常常在一個(gè)學(xué)期里僅使用二、三十個(gè)小時(shí)，重復(fù)建設(shè)相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境造成了教學(xué)資源的極大浪費(fèi)。

3）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沒有創(chuàng)新，沒有考慮前導(dǎo)課程和后續(xù)課程的銜接，課程系統(tǒng)性不足。

計(jì)算機(jī)學(xué)科的課程內(nèi)容具有很強(qiáng)的交叉性和相關(guān)性。在教學(xué)過程中，教師很難使學(xué)生對(duì)其前導(dǎo)課程完成的基礎(chǔ)能力做要求，也很難兼顧其后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。由于課程銜接不夠充分，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后很難扎實(shí)掌握學(xué)過的知識(shí)。

4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及管理方式多種多樣，沒有博采眾長。

教學(xué)模式的研究層出不窮，雖然眾多研究在理論和實(shí)踐上都付出了諸多努力，但近年來學(xué)生的創(chuàng)新能力并沒有明顯改善。當(dāng)前國內(nèi)主要的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接校簜鹘y(tǒng)的封閉實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式、開放實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式、虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式等，但這些模式都有不足之處。

使用封閉實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室花費(fèi)很多時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際動(dòng)手時(shí)間很少，占用實(shí)驗(yàn)資源時(shí)間較長，學(xué)生不能充分、靈活利用時(shí)間。使用開放實(shí)驗(yàn)室，存在儀器損壞率高、指導(dǎo)教師力量不足、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足等問題，也存在學(xué)生主動(dòng)性不夠的問題；利用虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)缺少監(jiān)管，學(xué)生主動(dòng)性不夠，遇到問題也不能得到教師的及時(shí)指點(diǎn)。這3類硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式均存在較嚴(yán)重的問題。

2 創(chuàng)新數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究思路

（1）研究有趣味性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須不斷更新。比如，教師與學(xué)生交流、探討有意思的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，共同確定實(shí)驗(yàn)題目。

（2）研究、使用新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)際上，通過EDA工具軟件設(shè)計(jì)各種規(guī)模的數(shù)字電子系統(tǒng)是目前工程師的設(shè)計(jì)潮流。通過EDA和CPLD/FPGA仿真器就能完成數(shù)字技術(shù)硬件課程的各類實(shí)驗(yàn)，硬件課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完全能夠在考慮系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上做到統(tǒng)一[1]。

（3）研究新的管理模式、運(yùn)行模式及相關(guān)制度。適當(dāng)增加室外課程，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的思維方式，激發(fā)其求知欲；創(chuàng)新能力來自堅(jiān)持不懈的精神，其核心是創(chuàng)新思維。因此，如何通過建立科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式和運(yùn)行模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，是主要的研究方向。

（4）研究實(shí)驗(yàn)室教師隊(duì)伍建設(shè)，研究如何配備高水平的數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)高技術(shù)人才。建立一支高水平的師資隊(duì)伍是開放實(shí)驗(yàn)室的前提，嚴(yán)格規(guī)范的管理是開放的必要條件，良好的實(shí)驗(yàn)室硬件是開放的基礎(chǔ)。教師隊(duì)伍直接影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效，因此，教師不僅要掌握先進(jìn)數(shù)字技術(shù)，而且要具有計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的系統(tǒng)性知識(shí)，掌握數(shù)字技術(shù)的發(fā)展方向。

（5）研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核機(jī)制。在MOOC教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過在線回答問題的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需要單獨(dú)進(jìn)行面對(duì)面考核，或以答辯方式考核。

3 MOOC數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，相關(guān)研究已為計(jì)算機(jī)專業(yè)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式指明了方向，但要真正實(shí)施這些方式，還需要深入研究具體內(nèi)容，探討行之有效的方法。比如，由于多種因素的影響，開放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與實(shí)踐尚無固定模式可循，各高校都在探索。因此，基于當(dāng)今相關(guān)研究及現(xiàn)代教學(xué)MOOC平臺(tái)，建立一種數(shù)字邏輯創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式成為當(dāng)務(wù)之急。

大型開放式在線課程MOOC（massive open online courses）是2012年美國頂尖大學(xué)創(chuàng)立的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)。MOOC平臺(tái)的課程針對(duì)高等教育提供免費(fèi)課程，有一套自己的學(xué)習(xí)和管理系統(tǒng)。我國積極響應(yīng)世界潮流發(fā)展趨勢(shì)，也創(chuàng)立了自己的MOOC平臺(tái)。MOOC在國內(nèi)各高校掀起了創(chuàng)新教學(xué)模式的熱潮，讓教育者重新構(gòu)想高等教育[2-3]。如何進(jìn)行大規(guī)模在線數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)是教育者面對(duì)的難題。為了避免重復(fù)建設(shè)和不必要的浪費(fèi)，基于硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降难芯浚ㄟ^分析和比較，筆者給出一個(gè)思路：基于MOOC教學(xué)平臺(tái)，借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，探討和建立自己的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和管理模式。

近年來，西安交通大學(xué)數(shù)字邏輯電路教學(xué)團(tuán)隊(duì)，基于學(xué)校2014年與2015年度的教改項(xiàng)目，首先在學(xué)校的課程中心建立了數(shù)字邏輯電路MOOC課程，得到了本校學(xué)生的積極響應(yīng)，數(shù)字邏輯電路課程的點(diǎn)擊率多年來一直保持在學(xué)校所有課程的前十名?；谠撈脚_(tái)，在2015年的教學(xué)過程中，我們嘗試對(duì)在校學(xué)生采用線上線下混合教學(xué)方式，發(fā)現(xiàn)教學(xué)效果明顯提高，該課程學(xué)生對(duì)教師的評(píng)價(jià)從2013年的87.74分、2014年的88.15分提升到93.49分。為了真正了解MOOC教學(xué)的成效，在2016年的教學(xué)過程中沒有使用線上線下混合教學(xué)方式，學(xué)生對(duì)教師的評(píng)價(jià)又降到了87.33分。在2015年底，該課程被中國高校計(jì)算機(jī)MOOC聯(lián)盟列為首批建設(shè)課程，2016年度，本課程組在智慧樹工作人員的積極配合和支持下，在智慧樹MOOC平臺(tái)重新建立了數(shù)字邏輯電路MOOC教學(xué)課程，并把數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容融入其中，開啟了創(chuàng)新數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式。

這種數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是基于MOOC的虛擬實(shí)驗(yàn)室、口袋實(shí)驗(yàn)室、開放實(shí)驗(yàn)室等的多方位實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，見圖1。

虛擬實(shí)驗(yàn)室通過MOOC平臺(tái)連接虛擬機(jī)，在虛擬機(jī)中運(yùn)行實(shí)驗(yàn)配套軟件，并按照實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)、模擬、仿真實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目移植至MOOC平臺(tái)后，可能會(huì)存在兼容性問題，需要適當(dāng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以適應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和MOOC平臺(tái)。在該平臺(tái)，學(xué)生主要完成以下實(shí)驗(yàn)任務(wù)：

（1）通過在線方式完成基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度。

（2）預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程，熟悉實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范和常見故障檢查方法。

（3）掌握數(shù)字集成電路的特點(diǎn)和使用須知。

（4）學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中使用的硬件描述語言VHDL等。

（5）熟悉實(shí)驗(yàn)工具，如VIVADO、QUANTUS軟件。

（6）模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

學(xué)生通過在線方式完成理論內(nèi)容的學(xué)習(xí)，也可以進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，在本地根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是模擬出來的，可以使用軟件直接檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確，從而達(dá)到在線自動(dòng)評(píng)測(cè)的目的，這也為大規(guī)模在線課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了便利。

口袋實(shí)驗(yàn)室為數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)提供了多樣化的實(shí)驗(yàn)實(shí)體環(huán)境。為了幫助學(xué)生在硬件課程實(shí)驗(yàn)中找到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院為本院每位學(xué)生購買了Xilinx公司提供的支持在線實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)備——口袋大小的Zynq系列實(shí)驗(yàn)板。在校學(xué)生可以到實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，也可以與非在校學(xué)生一樣利用口袋實(shí)驗(yàn)室在本地根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生自己搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，配置相關(guān)實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備參數(shù)，實(shí)驗(yàn)完成后根據(jù)在線實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自行檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。該軟件既可以安裝在MOOC平臺(tái)的虛擬機(jī)中，也可以安裝在本地機(jī)器上，還可在互聯(lián)網(wǎng)上免費(fèi)下載和使用。

開放實(shí)驗(yàn)室是在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上靈活安排實(shí)驗(yàn)教師、實(shí)驗(yàn)時(shí)間的一種實(shí)驗(yàn)方式。該方式將實(shí)驗(yàn)室定時(shí)開放，學(xué)生通過MOOC平臺(tái)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，教師根據(jù)學(xué)生的要求安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間及時(shí)間長度。通過MOOC平臺(tái)上的互動(dòng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的合理安排和使用，使教師和學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間更靈活，達(dá)到節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源的目的。開放實(shí)驗(yàn)室是虛擬實(shí)驗(yàn)室、口袋實(shí)驗(yàn)室的補(bǔ)充，還可用于教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)考核。

總之，基于MOOC平臺(tái)的多方位實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基于一種遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)方式，為學(xué)生提供了多點(diǎn)接入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的環(huán)境，極大地便利了學(xué)生。實(shí)驗(yàn)雖然允許相互討論，但必須嚴(yán)格完成合格、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備并不多，且由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果由軟件采集，實(shí)驗(yàn)檢查也可以在線完成，并在線上傳實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等方式，教師可以掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，檢驗(yàn)學(xué)生是否真正完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，很好地保證實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。

MOOC平臺(tái)適合大規(guī)模在線實(shí)驗(yàn)，并能很好地適應(yīng)各種課程的各種實(shí)驗(yàn)方案[4]。教師必須進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的管理，考核必須更加嚴(yán)格。實(shí)驗(yàn)的平時(shí)考核在線進(jìn)行，作為平時(shí)成績(jī)；在MOOC教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和要求做的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，教師通過在線回答問題的方式進(jìn)行考核；綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需要單獨(dú)面對(duì)面考核，或以答辯的方式進(jìn)行。期末考核學(xué)生可以隨機(jī)選擇考核題目，靈活安排自己的時(shí)間，可在實(shí)驗(yàn)室或以在線監(jiān)控方式進(jìn)行。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)制定了一套嚴(yán)格完善的管理制度，考試過程中不允許討論；學(xué)生要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室完成要求的內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)報(bào)告；實(shí)行答辯機(jī)制；還可以通過學(xué)生講解、演示，教師提問、學(xué)生回答的方式進(jìn)行線下考核。

通過使用這種新的教學(xué)模式，教師在MOOC平臺(tái)中開放相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，學(xué)生自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)，并隨時(shí)在MOOC平臺(tái)上查詢知識(shí)；學(xué)生通過口袋實(shí)驗(yàn)室隨時(shí)實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間地點(diǎn)限制，靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間；學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬仿真，并將最終結(jié)果提交給教師。教師在MOOC平臺(tái)為學(xué)生提供問答渠道，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇見問題可隨時(shí)與教師交互。最后由教師自行組織在線測(cè)驗(yàn)或線下答辯，并通過MOOC平臺(tái)統(tǒng)一通知安排，方便快捷。

基于MOOC平臺(tái)的“虛擬實(shí)驗(yàn)室+口袋實(shí)驗(yàn)室+開放實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式解決了在線課程無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的困難，達(dá)到與真實(shí)硬件實(shí)驗(yàn)一樣的效果，能在一定程度上解決“三類硬件實(shí)驗(yàn)”存在的主要問題[5]。

4 結(jié) 語

計(jì)算機(jī)課程硬件實(shí)驗(yàn)作為課程教學(xué)的一個(gè)重要組成部分，需要不斷創(chuàng)新和改革。國內(nèi)各高校已經(jīng)在在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行了很多有益的嘗試，西安交通大學(xué)也取得了一定的成果，但還有很多需要完善的地方。

筆者在詳細(xì)分析傳統(tǒng)3種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降牟蛔愫?，從?chuàng)新性、管理模式、師資建設(shè)、考核制度等方面考慮，結(jié)合MOOC平臺(tái)提出了一種基于MOOC平臺(tái)的“虛擬實(shí)驗(yàn)室+口袋實(shí)驗(yàn)室+開放實(shí)驗(yàn)室”的多方位實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。這種大規(guī)模在線實(shí)驗(yàn)解決方案，使在線知識(shí)學(xué)習(xí)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)的同步進(jìn)行，很好地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌南嚓P(guān)缺點(diǎn)。顯然，隨著MOOC的不斷改進(jìn)與發(fā)展，大規(guī)模在線實(shí)驗(yàn)也將作為 MOOC 的一個(gè)重要組成部分服務(wù)于高校實(shí)踐教育，隨時(shí)隨地提升學(xué)生的創(chuàng)新思維及動(dòng)手能力，更好地服務(wù)于社會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳妍， 王換招， 伍衛(wèi)國， 等. 高等學(xué)校計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革研究與探討[J]. Computer Education， 2008（8）： 125-127.

[2] 伍民友， 過敏意. 論MOOC及未來教育趨勢(shì)[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2013（20）： 5-8.

[3] 劉繼斌， 趙曉宇， 黃紀(jì)軍， 等. MOOC對(duì)我國大學(xué)課程教學(xué)改革的啟示[J]. 高等教育研究學(xué)報(bào)， 2012（12）： 7-9.

[4] 馬漢達(dá). 基于MOOC的計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2015（13）： 9-11.

[5] 李山山， 陳永強(qiáng)， 劉敬晗， 等. MOOC時(shí)代下的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2014（13）： 103-106.

（編輯：孫怡銘）