基于SPOC的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

董 凌,李 恒,薛曉軍,趙 磊,曹 文

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010)

數(shù)字電子技術(shù)作為電子信息類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程,是一門注重理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)作為理論教學(xué)的重要補(bǔ)充和延續(xù),旨在通過一系列的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目加深對(duì)數(shù)字電子技術(shù)的理解,提高實(shí)際動(dòng)手能力,培養(yǎng)系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力,提高發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力[1].隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的不斷發(fā)展,以及學(xué)生獲取知識(shí)方式的改變,基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的線上教學(xué)(如慕課、SPOC)形式已逐漸成為傳統(tǒng)教學(xué)的重要補(bǔ)充,不斷推動(dòng)著高校教育的發(fā)展,在此背景下,實(shí)驗(yàn)教學(xué)也面臨著升級(jí)改革、不斷創(chuàng)新[2].

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊

一方面,實(shí)驗(yàn)教學(xué)題目的設(shè)計(jì)缺乏吸引性和趣味性,不能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)[3]；另一方面,在EDA技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的背景下,軟件仿真、基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍未在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)仍以傳統(tǒng)方式進(jìn)行中小規(guī)模電路的設(shè)計(jì)和搭建,與現(xiàn)實(shí)脫節(jié),局限了學(xué)生的視野,一定程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)造性.

1.2 教學(xué)方式單一

課時(shí)少,教學(xué)內(nèi)容多是數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難題,學(xué)生在消化、理解理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開展電路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)需要投入大量的時(shí)間,而這部分的工作仍以教師講解實(shí)驗(yàn)原理、儀器操作、實(shí)驗(yàn)步驟后學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行,缺乏啟發(fā)引導(dǎo),學(xué)生自主規(guī)劃學(xué)習(xí)能力普遍較差[4],導(dǎo)致課前準(zhǔn)備不充分,實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)利用率低下,實(shí)驗(yàn)效果不理想.

1.3 教學(xué)設(shè)計(jì)缺失

首先,儀器設(shè)備使用、實(shí)驗(yàn)原理熟悉等內(nèi)容都一并安排在課內(nèi)教學(xué),缺乏針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行的教學(xué)形式分類設(shè)計(jì)；其次,教學(xué)要求缺乏層次遞進(jìn)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多年不變,學(xué)生相互“參考”電路設(shè)計(jì)；驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)占比過大,缺少對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生提高能力發(fā)展空間的實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)；再次,實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)組織形式缺乏新意,未結(jié)合學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能習(xí)得規(guī)律合理安排,教師的講解集中在學(xué)生動(dòng)手操作前,而實(shí)驗(yàn)完成后,學(xué)生對(duì)電路原理理解加深的情況下,卻鮮見有教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)、分析出現(xiàn)的問題、拓展電路應(yīng)用的思路.

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

針對(duì)以上的分析,本文認(rèn)為,提升數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果,應(yīng)從培養(yǎng)學(xué)生的興趣和結(jié)合當(dāng)前的工程實(shí)際出發(fā),讓學(xué)生“盡早綜合運(yùn)用知識(shí),盡早接觸工程實(shí)際,盡早開展探索研究”[5],并體會(huì)到學(xué)有所得、學(xué)有所用.為此,課題組通過改造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,引入Multisim仿真和FPGA實(shí)驗(yàn)、構(gòu)建線上教學(xué)資源以及重構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)多個(gè)維度開展了數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革.

2.1 建設(shè)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù)

依托線上教學(xué)平臺(tái),整合教學(xué)資源,建設(shè)和完善數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)資源庫(kù),包括：①實(shí)驗(yàn)原理講解視頻、儀器設(shè)備使用方法、EDA軟件(Multisim和Quartus-Ⅱ)使用等教學(xué)視頻；②Multisim仿真和FPGA實(shí)驗(yàn)示例電路；③實(shí)驗(yàn)測(cè)試題庫(kù)；④輔助資源：如元器件手冊(cè),相關(guān)文獻(xiàn)、資料.針對(duì)學(xué)生線上學(xué)習(xí)遇到的問題,任課教師通過微信群、QQ群、郵件等方式及時(shí)進(jìn)行解答.通過線上資源庫(kù)的構(gòu)建,使得教學(xué)內(nèi)容更加豐富,教學(xué)形態(tài)立體化,增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了學(xué)習(xí)效率.同時(shí),師生間線上的互動(dòng)交流有助于改變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài),促進(jìn)教師對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)情況的及時(shí)了解,以及對(duì)授課內(nèi)容的及時(shí)調(diào)整.另外,線上教學(xué)平臺(tái)對(duì)學(xué)生觀看視頻、提交習(xí)題的操作都有詳細(xì)記錄,教師可以更清晰地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過程,為過程評(píng)價(jià)提供依據(jù)[6].

2.2 改造實(shí)驗(yàn)案例,設(shè)置多層次的實(shí)驗(yàn)要求

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,在每次實(shí)驗(yàn)中增加了設(shè)計(jì)性、趣味性、層次性突出的拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.首先,設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)不給出詳細(xì)設(shè)計(jì),學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求并借助EDA仿真獨(dú)立完成功能電路,重在培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、解決問題的能力；其次,拓展實(shí)驗(yàn)盡量結(jié)合生活、工程實(shí)際,如BCD-二進(jìn)制轉(zhuǎn)換、循環(huán)跑馬燈、多人表決器、電子門鈴等,通過LED、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器等方式直觀展示結(jié)果,讓學(xué)生切身感受,逐漸產(chǎn)生興趣[7]；最后,各個(gè)實(shí)驗(yàn)子項(xiàng)目難度呈梯度增長(zhǎng),知識(shí)的綜合程度更高,能夠滿足不同能力學(xué)生的學(xué)習(xí)要求,在最終成績(jī)上也體現(xiàn)出區(qū)分度.課題組還會(huì)定期調(diào)整、設(shè)計(jì)新的拓展實(shí)驗(yàn),既適應(yīng)了技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),也避免了學(xué)生間相互抄襲.

2.3 重構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)

首先,針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)形式分類設(shè)計(jì).儀器設(shè)備使用、實(shí)驗(yàn)原理驗(yàn)證等內(nèi)容采用學(xué)生線上觀看視頻,充分利用EDA軟件仿真驗(yàn)證的教學(xué)形式,并配合線上學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)、預(yù)習(xí)測(cè)試題對(duì)學(xué)習(xí)情況進(jìn)行監(jiān)督,而對(duì)于引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、排查電路故障、提升分析解決問題能力的部分則采用課內(nèi)統(tǒng)一指導(dǎo)的教學(xué)形式.

其次,改革課堂教學(xué)組織形式,實(shí)行“先做后講”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式.教師在實(shí)驗(yàn)開始前用盡量少的時(shí)間強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)后,大部分的課堂時(shí)間將留給學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手實(shí)作,體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課堂中學(xué)生的主體性,教師的作用更多是引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、并自主分析、排查問題.下課前,在絕大多數(shù)學(xué)生均已完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并對(duì)實(shí)驗(yàn)電路獲取了感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)之上,引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)電路的特性、分析導(dǎo)致常見問題的原因,進(jìn)而拓展延伸出實(shí)驗(yàn)電路的工程應(yīng)用,激發(fā)學(xué)生線下繼續(xù)自主研學(xué)的興趣.

3 具體實(shí)施案例

根據(jù)上文提出的教改思路,以數(shù)字電子技術(shù)第一次實(shí)驗(yàn)“組合邏輯電路”為例,介紹實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的具體實(shí)施方式.

3.1 課程資源的準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)開始之前,課題組將提前制作好的教學(xué)視頻、課件、仿真電路示例、芯片手冊(cè)等教學(xué)資源分類發(fā)布到SPOC線上平臺(tái)供學(xué)生自主學(xué)習(xí),見表1和圖1.

表1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源示例

通過視頻、圖片或動(dòng)畫、文檔等方式,引導(dǎo)學(xué)生從儀器設(shè)備、軟件使用、實(shí)驗(yàn)原理等多個(gè)方面自主學(xué)習(xí).在不提供詳細(xì)電路設(shè)計(jì)圖的前提下,需要學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)題目,在課前使用EDA軟件(Multisim,Quartus-Ⅱ)獨(dú)立完成電路的設(shè)計(jì)和仿真.學(xué)生在學(xué)習(xí)清單的引導(dǎo)下,按照時(shí)間點(diǎn)完成視頻觀看、課前預(yù)習(xí)并參加討論[8].教師根據(jù)學(xué)生情況提供指導(dǎo),及時(shí)通過QQ、微信群等方式解答問題,引導(dǎo)學(xué)生逐步獨(dú)立完成設(shè)計(jì).

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、要求及教學(xué)形式設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)比重較大、實(shí)用性不足等問題,課題組對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求進(jìn)行了調(diào)整,將實(shí)驗(yàn)分為預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、拓展實(shí)驗(yàn)三部分,簡(jiǎn)單驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排學(xué)生在線下自主仿真完成,壓縮課內(nèi)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,增設(shè)2個(gè)拓展型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,突出設(shè)計(jì)性和層次性.其中8位二進(jìn)制全加器要求在一位全加器的基礎(chǔ)上用FPGA的方式來實(shí)現(xiàn),考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的擴(kuò)展和遷移能力；自然二進(jìn)制-BCD碼轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)則是對(duì)加法器電路進(jìn)行延伸,結(jié)合了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、七段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)等知識(shí),考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、要求及教學(xué)形式設(shè)計(jì)見表2.

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中引入EDA電路仿真和FPGA方式實(shí)現(xiàn),在一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)難度,對(duì)學(xué)生提出了更高要求,也使數(shù)字電路課程有了“浴火重生”的感覺, 學(xué)生積極性很高[9],有效促進(jìn)了學(xué)生課前預(yù)習(xí)質(zhì)量和課內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)效率的提高.學(xué)生在仿真電路的基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)箱上的電路搭接、調(diào)試,一定程度上避免了因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合預(yù)期和器材損耗[10],學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率顯著提升,實(shí)驗(yàn)完成度更好.

表2 組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、要求及教學(xué)形式設(shè)計(jì)

3.3 改革課堂教學(xué)組織形式

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課堂進(jìn)度安排上,通常以教師講解開始,然后學(xué)生實(shí)作.由于學(xué)生課前準(zhǔn)備不充分、對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器件不熟悉等原因耗費(fèi)了大量課堂時(shí)間,導(dǎo)致實(shí)際實(shí)作時(shí)間只有課堂學(xué)時(shí)的一半左右.并且學(xué)生忙于實(shí)驗(yàn),往往無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,導(dǎo)致教師很難再分配時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié).改進(jìn)課堂教學(xué)組織方式后,得益于學(xué)生課前有準(zhǔn)備、有目的的預(yù)習(xí),實(shí)驗(yàn)課堂開始后,教師僅需用1～2 min進(jìn)行必要事項(xiàng)的說明后,學(xué)生即可基于仿真電路開始實(shí)際電路的搭接和調(diào)試,因而實(shí)作時(shí)間得到大幅的增加.教學(xué)改革前后課堂時(shí)間分配對(duì)比情況見圖2.

對(duì)于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),在上課開始后分發(fā)題目,一人一題,學(xué)生需要在有限時(shí)間內(nèi)完成電路的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn),避免了學(xué)生相互抄襲電路設(shè)計(jì)的同時(shí)也考察了學(xué)生課前預(yù)習(xí)的質(zhì)量.

實(shí)驗(yàn)課堂上,教師的主要作用是答疑解惑,引導(dǎo)學(xué)生自主解決問題,強(qiáng)調(diào)電路調(diào)試和故障排查過程.當(dāng)發(fā)現(xiàn)共性問題時(shí),使用雨課堂投屏,進(jìn)行集中講解.

在課堂結(jié)束前10 min,教師對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行小結(jié),內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)原理總結(jié)、常見操作錯(cuò)誤、故障排除及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容引申等,促進(jìn)學(xué)生在課后積極總結(jié)、思考.課堂小結(jié)內(nèi)容見表3.

表3 課堂小結(jié)內(nèi)容

3.4 改進(jìn)成績(jī)?cè)u(píng)定機(jī)制

實(shí)驗(yàn)課程的成績(jī)由平時(shí)成績(jī)(50%)和期末考試成績(jī)(50%)綜合評(píng)定.平時(shí)成績(jī)由整個(gè)學(xué)期7次實(shí)驗(yàn)的實(shí)作成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)加權(quán)平均得出,其中,課堂實(shí)作占平時(shí)成績(jī)的80%,實(shí)驗(yàn)報(bào)告占20%.課堂實(shí)作成績(jī)根據(jù)學(xué)生每堂課上完成實(shí)驗(yàn)子項(xiàng)目的情況,現(xiàn)場(chǎng)打分得出.實(shí)驗(yàn)課程與理論課程不同,更注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)[11],因此課堂實(shí)作成績(jī)?cè)谄綍r(shí)成績(jī)中占比較大,著重考查學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力以及問題解決能力,同時(shí),課堂實(shí)作的完成度也從一定程度上反映出學(xué)生課前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備的情況.實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)則側(cè)重考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理解、分析和處理,以及實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題的解決辦法和體會(huì).實(shí)驗(yàn)考試側(cè)重考查學(xué)生整個(gè)學(xué)期以來對(duì)知識(shí)的掌握程度和熟練程度,以及學(xué)生是否在每次實(shí)驗(yàn)完成后進(jìn)行了總結(jié)與反思.

為了了解和考查學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度和對(duì)儀器、設(shè)備的熟悉程度,在期末安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考試.考試題目為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),一人一題,要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上獨(dú)立完成電路的設(shè)計(jì)和搭建.根據(jù)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)、運(yùn)行結(jié)果、完成考試的先后順序綜合評(píng)定期末考試成績(jī).

4 教學(xué)效果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)完成度分析

課題組于2019—2020學(xué)年第1學(xué)期對(duì)2個(gè)班級(jí)(2017級(jí)自動(dòng)化班43人,通信卓越班29人,共72名學(xué)生)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了教學(xué)改革嘗試.以自動(dòng)化班為例,隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程的推進(jìn),完成單次實(shí)驗(yàn)子項(xiàng)目的人數(shù)比例在逐步提高,在6次實(shí)驗(yàn)后,完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的人數(shù)比例達(dá)到95.3%,完成拓展實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)比例逐步接近60%,見圖3.在整個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生參與積極性也在逐步提高.

4.2 學(xué)生評(píng)價(jià)

期末的問卷調(diào)查結(jié)果顯示,學(xué)生對(duì)教學(xué)改革措施整體較為認(rèn)可：

教學(xué)形式認(rèn)可度方面,64%的學(xué)生認(rèn)為教學(xué)形式的改變對(duì)促進(jìn)學(xué)習(xí)積極性起到了非常好的作用.43%的學(xué)生非常認(rèn)可拓展實(shí)驗(yàn)的形式,認(rèn)為拓展實(shí)驗(yàn)有助于加深對(duì)理論知識(shí)的理解,提升技能.66%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容加入Multisim和FPGA非常好,有助于提高學(xué)習(xí)的興趣和積極性.超過90%的學(xué)生認(rèn)為整體學(xué)習(xí)氛圍比較濃厚.實(shí)驗(yàn)難度方面,77%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)題目有一定難度,需要仔細(xì)思考后方可解決.

5 結(jié)語

實(shí)踐結(jié)果表明,通過線上教學(xué)資源和EDA技術(shù)的利用,結(jié)合合理的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),輔以啟發(fā)式的引導(dǎo),學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、獨(dú)立設(shè)計(jì)能力、問題解決能力都得到了提升,教學(xué)改革效果明顯.為進(jìn)一步推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,仍有很多工作可做,如不斷完善線上教學(xué)資源庫(kù)的內(nèi)容和形式,針對(duì)不同專業(yè)、不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生設(shè)計(jì)更具趣味性、綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,答辯式實(shí)驗(yàn)課題考核、搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)備虛擬仿真環(huán)境,使用電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告等,課題組將繼續(xù)探索和實(shí)踐,不斷改進(jìn)教學(xué),為培養(yǎng)理論知識(shí)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的創(chuàng)新型人才打好基礎(chǔ).