混合式教學(xué)在ASIC實驗課程中的研究與應(yīng)用

劉 雯 蔣世文 苗享天 徐樺澤

(1. 北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 北京 100876)(2. 北京郵電大學(xué) 計算機程學(xué)院， 北京 100876)

近年來，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，依托在線教育平臺進行授課的方式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高校教學(xué)?；谀秸n(Massive Open Online Course, MOOC)、翻轉(zhuǎn)課堂和移動端在線應(yīng)用等平臺的在線教學(xué)模式在教學(xué)研究中已經(jīng)取得了顯著的成效，得到了廣大教師和學(xué)生的認可[1-6]。MOOC的產(chǎn)生打破了教育的時空限制，顛覆了傳統(tǒng)大學(xué)課堂教學(xué)的方式，但在實踐中也存在諸如受眾面廣、內(nèi)容淺顯以及師生缺乏交流溝通等問題。因此，美國哈佛大學(xué)以及我國清華大學(xué)、北京大學(xué)等高校采用了小規(guī)模限制性在線課程(Small Private Online Course, SPOC)形式，將優(yōu)質(zhì)的MOOC資源與課堂教學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合，應(yīng)用于小規(guī)模的實體班級以提升教學(xué)質(zhì)量[7-8]。

相比于理論教學(xué)，實驗課程更加注重學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，而傳統(tǒng)的實驗教學(xué)受到實驗設(shè)備在管理、數(shù)量和場地等因素的制約，學(xué)生難以在實驗室之外的其他空間完成實驗操作。針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題，2013年國家教育部提出開展虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的方案，利用虛擬現(xiàn)實等先進的網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，學(xué)生可在線上虛擬環(huán)境中完成實驗操作，達到教學(xué)目的[9]。2015年美國斯坦福大學(xué)的一個教學(xué)團隊提出了“口袋”實驗室理念，對電子電工類專業(yè)實驗課程的實驗設(shè)備進行升級，將功能濃縮到一塊體積較小的開發(fā)板上，便于隨身攜帶，學(xué)生可以隨時隨地完成課程實驗內(nèi)容或自主進行項目研發(fā)，打破了實驗室的時空限制，打造出一個課內(nèi)外一體化的自主學(xué)習(xí)平臺[10-11]。

隨著在線教育平臺的發(fā)展和傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的不斷改革，線上與線下相結(jié)合的混合式實驗教學(xué)模式成為了教學(xué)改革的新目標[12]。然而，通過大量的文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，線上線下相結(jié)合的實驗課程目前存在以下問題：線上理論知識教學(xué)環(huán)節(jié)與線下實踐操作環(huán)節(jié)之間銜接不完善；課程考核方式單一，忽視了線上與線下相結(jié)合的學(xué)習(xí)過程評價等[13-14]。針對上述問題，以北京郵電大學(xué)“ASIC專業(yè)實驗”課程為例，研究如何對課程進行合理設(shè)計，將線上與線下教學(xué)的優(yōu)勢互補，探索更為合理的教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)出更多滿足集成電路行業(yè)需求的專業(yè)型人才，彌補國家集成電路行業(yè)的人才缺口奠定基礎(chǔ)。課程依托愛課堂、騰訊會議等平臺，建立課程學(xué)習(xí)資源庫，并構(gòu)建“課堂教學(xué)-課外實驗、自由討論-課堂小組討論”的混合式教學(xué)模式。結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，混合式教學(xué)模式能有效提高教學(xué)質(zhì)量。

1 實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

ASIC是專用集成電路，是指為滿足特定客戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計、制造的集成電路。ASIC實驗課程是學(xué)習(xí)集成電路理論知識后開設(shè)的一門實踐性課程，其內(nèi)容涵蓋了從電路建模、仿真、綜合到半定制版圖設(shè)計的ASIC設(shè)計全流程。該課程使學(xué)生在實踐中深化理論知識的理解，起到了連接理論知識和實踐操作的橋梁作用，是集成電路學(xué)科教學(xué)中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了有針對性地對現(xiàn)有教學(xué)模式進行改革，將從ASIC課程實驗教學(xué)內(nèi)容和考核方式兩個方面對課程教學(xué)現(xiàn)狀進行客觀分析，并指出其存在的不足和未來改進的方向。

1.1 實驗教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)狀

ASIC實驗課程是電子、通信類專業(yè)的主要專業(yè)實驗課，隨著微電子領(lǐng)域集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)計技術(shù)也處于日新月異的變化過程中，設(shè)計手段不斷更新，為使學(xué)生了解和掌握先進的電子設(shè)計工具，結(jié)合通信系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生ASIC設(shè)計的基本能力。通過對該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)成，掌握電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation, EDA)工具的使用方法，掌握完整的ASIC設(shè)計流程，掌握Verilog硬件描述語言的組合和時序電路的編程方法、狀態(tài)機控制器電路的設(shè)計原理和編程技巧、存儲器電路的設(shè)計，提高學(xué)生ASIC設(shè)計能力。該課程圍繞設(shè)計一個8位RSIC-CPU展開教學(xué)，以CPU各功能模塊進行電路建模和門級仿真為教學(xué)重點，對其中的狀態(tài)控制模塊進行邏輯綜合，分析其時序、功耗和生成面積等信息，在保證門級電路后仿真功能正確之后，進行控制器的版圖設(shè)計驗證,其中理解電路綜合級版圖的物理意義是課程教學(xué)難點[15]。在目前的教學(xué)內(nèi)容中，驗證性實驗所占比例較大，開放性設(shè)計實驗內(nèi)容較少，易使學(xué)生拘泥于課程框架內(nèi)，難以激發(fā)學(xué)生的求知欲。此外，電路綜合和版圖設(shè)計階段涉及TCL腳本語言，有一定的學(xué)習(xí)難度，缺少過渡環(huán)節(jié)，不利于學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。

1.2 實驗考核方式現(xiàn)狀

目前的課程成績評定由課堂出勤率、階段性一對一實驗考核情況和實驗報告三部分構(gòu)成。該實驗中的所有實驗完成后，學(xué)生需要在設(shè)計實現(xiàn)的CPU上進行功能驗證，遍歷CPU全部指令，功能驗證通過視為完成全部實驗。此外，學(xué)生需要提交實驗報告，闡述實驗原理、實驗中遇到的問題及解決辦法等。目前的成績評定方式傾向于結(jié)果考核，缺乏有效的過程考核，難以考察學(xué)生對ASIC設(shè)計流程中重難點知識的掌握程度，導(dǎo)致考核評價不及時、不夠客觀，實驗成績難以體現(xiàn)學(xué)生的水平和能力。

2 混合式教學(xué)模式研究與設(shè)計

基于上述問題，提出并構(gòu)建了“課堂教學(xué)-課外實驗、自由討論-課堂小組討論”的混合式教學(xué)模式，將線下與線上的教學(xué)優(yōu)勢相結(jié)合，并引入討論式教學(xué)，做到真正使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，有效提高了教學(xué)質(zhì)量。

2.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

新型教學(xué)方法的引入對傳統(tǒng)教學(xué)方法和手段是一種改革和挑戰(zhàn)，如何進行權(quán)衡和調(diào)整是教學(xué)改革面臨的一大問題。教學(xué)方法和內(nèi)容的設(shè)計應(yīng)符合以實驗為基礎(chǔ)的特點，做到理論與實際緊密結(jié)合，充分考慮傳統(tǒng)教學(xué)與新型教學(xué)方法的相互配合和靈活運用，更好地發(fā)展學(xué)生分析、綜合、概括和判斷的能力?；谝陨匣疽?，“ASIC專業(yè)實驗”課程摒棄了以往的灌輸式教學(xué)方式，引入了討論式教學(xué)環(huán)節(jié)，并采用目標驅(qū)動式教學(xué)方法，合理地權(quán)衡了傳統(tǒng)教學(xué)與新型教學(xué)方式之間的關(guān)系，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體。教師布置課程任務(wù)，同時提出關(guān)鍵知識點，引導(dǎo)學(xué)生對任務(wù)進行分解；針對每一個子任務(wù)，學(xué)生需查閱文獻進行調(diào)研和小組討論，構(gòu)建對重、難點知識的初步認知，確定任務(wù)技術(shù)路線，完成實驗方案的設(shè)計，合作完成CPU的開發(fā)；最后由教師統(tǒng)一驗收?；诰€上線下混合教學(xué)模式的ASIC實驗課程包含三個階段，即構(gòu)建課程資源庫階段、討論式教學(xué)階段和總結(jié)拓展階段。其中討論式教學(xué)階段的教學(xué)活動又分為三個環(huán)節(jié)，即“課堂教學(xué)-課外實驗、自由討論-課堂小組討論”。具體教學(xué)安排流程如圖1所示。

圖1 混合式教學(xué)設(shè)計

1)構(gòu)建課程資源庫階段

在這一階段，教師將整理好的課程資源，如教學(xué)課件、教學(xué)視頻和相關(guān)的學(xué)習(xí)要求等上傳至虛擬教學(xué)平臺，并設(shè)立反饋板塊，學(xué)生自主完成預(yù)習(xí)。學(xué)生登錄虛擬教學(xué)平臺后自行獲取課程資源，按照要求完成預(yù)習(xí)工作，并將問題提交到反饋板塊。教師對學(xué)生遇到的問題歸納總結(jié)，對學(xué)生課程的預(yù)習(xí)情況有一個初步的判斷，有助于設(shè)計和調(diào)整下一階段的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)安排。

2)討論式教學(xué)階段

本課程加入了不同形式的討論環(huán)節(jié)，將課程的探究過程延伸至課堂外，學(xué)生可以在課后借助網(wǎng)絡(luò)平臺以小組的形式進行問題的探討學(xué)習(xí)，使學(xué)生參與實驗教學(xué)的時間不再僅局限于課堂，調(diào)動了學(xué)習(xí)的積極性，同時提高了學(xué)生對知識的吸收率。討論環(huán)節(jié)由課外自由討論和課堂小組討論匯報兩部分構(gòu)成。在課外自由討論環(huán)節(jié)，各小組針對實驗中遇到的問題進行交流探討，通過與團隊中其他同學(xué)合作的方式分析問題、解決問題，有利于激發(fā)不同思維的碰撞。在課堂小組討論匯報環(huán)節(jié)，各小組推選一名成員對實驗進行總結(jié)，內(nèi)容包括但不限于實驗結(jié)果及遇到的問題。課堂小組討論匯報的特點在于集中和深入，而自由討論的特點在于廣泛，二者結(jié)合使課程的討論環(huán)節(jié)更為立體化，內(nèi)容更為豐富。然而，靈活的教學(xué)方法只是引導(dǎo)學(xué)生開闊思路和自主學(xué)習(xí)的手段，教師應(yīng)采用講授法和協(xié)作法來滿足學(xué)生的需要并促成他們的個性化學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)完整的知識體系。為了避免發(fā)生知識傳授中的舍本逐末現(xiàn)象，教師根據(jù)學(xué)生的討論情況動態(tài)調(diào)整授課計劃，安排好理論授課、實踐教學(xué)與討論環(huán)節(jié)的教學(xué)時間。傳統(tǒng)教學(xué)與新型教學(xué)方法的相互配合才能起到事半功倍的效果，真正調(diào)動起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。以其中一項實驗內(nèi)容為例詳細闡述討論環(huán)節(jié)的設(shè)計，討論式教學(xué)階段包含三個環(huán)節(jié)，即“課堂教學(xué)-課外實驗、自由討論-課堂小組討論”。課堂實驗安排，教師針對教學(xué)內(nèi)容進行實驗分組和任務(wù)安排，學(xué)生明確實驗任務(wù)；課外實驗、自由討論以學(xué)生自主實驗和小組討論問題為主，師生之間通過虛擬教學(xué)平臺進行交流答疑；課堂小組討論，小組間討論并匯報學(xué)習(xí)成果和心得，教師給予指導(dǎo)和點評。

在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師根據(jù)學(xué)生在虛擬教學(xué)平臺的反饋情況，對實驗重難點進行針對性地講解，并明確實驗任務(wù)。學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，以10個人為單位完成分組工作，并確定小組組長，投入到自主實驗和自由討論環(huán)節(jié)。

在課外自主實驗和自由討論環(huán)節(jié)中，學(xué)生自己熟悉EDA電子設(shè)計軟件的使用方法，并查閱相關(guān)資料完成實驗任務(wù)，并根據(jù)實驗結(jié)果整理數(shù)據(jù)，對實驗結(jié)果進行分析。該環(huán)節(jié)采用以小組為單位的互動探討學(xué)習(xí)方式，進行實驗問題的討論與解決。教師在此環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生正視實驗過程中出現(xiàn)的問題，并及時指出問題的痛點，引導(dǎo)學(xué)生自己分析問題、針對問題提出可行的解決辦法、解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生向深層思維發(fā)展。最后，學(xué)生對實驗結(jié)果及實驗過程中遇到的問題進行收集整理，將問題撰寫成報告或設(shè)計文稿，在課堂小組討論環(huán)節(jié)與其他同學(xué)進行溝通和交流。

在課堂小組討論環(huán)節(jié)中，各小組針對實驗結(jié)果及實驗過程中遇到的問題進行總結(jié)匯報，小組之間可借此開展交流，對實驗內(nèi)容進行深層次地討論。教師將引導(dǎo)學(xué)生積極思考、發(fā)散思維，進一步了解學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握情況，并在最后對討論情況進行分析和總結(jié)。

3)總結(jié)拓展階段

實驗后，學(xué)生需對實驗內(nèi)容進行整理歸納，將復(fù)雜的工程問題撰寫成報告，并以作業(yè)的形式上傳至虛擬教學(xué)平臺。此外，學(xué)生可根據(jù)討論環(huán)節(jié)的內(nèi)容和教師的反饋，對尚未完全掌握的內(nèi)容以及重難點進行鞏固復(fù)習(xí)。如果發(fā)現(xiàn)新的問題，學(xué)生可自主研究探索，使學(xué)習(xí)過程在不斷探索和內(nèi)化的過程中得到延續(xù)。教師在實驗后將查閱實驗報告，綜合多方面表現(xiàn)給予成績評定。

2.2 考核方式設(shè)計

相比于傳統(tǒng)的課程考核評價方式，基于線上線下混合教學(xué)模式的考核評價不再僅局限于實驗完成情況和實驗報告，還包括學(xué)生在課堂外的討論環(huán)節(jié)中的參與度、貢獻度和在課堂討論環(huán)節(jié)中的個人表現(xiàn)等多個方面，成績考核貫穿整個教學(xué)過程。這樣的評價方式貫穿于整個教學(xué)過程，因此可以更真實地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有利于激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，避免了學(xué)生輕過程重結(jié)果的思維導(dǎo)向，提高了教學(xué)評價的有效性，也有利于教師為后續(xù)的教學(xué)設(shè)計提供參考依據(jù)。具體成績評定標準見表1。

表1 成績評定標準

3 混合式教學(xué)模式實施效果分析

經(jīng)過一個學(xué)期的課程開展測試，混合式教學(xué)模式得到了教師和學(xué)生的積極評價，引導(dǎo)了學(xué)生發(fā)揮主觀能動性主動學(xué)習(xí)，為實驗教學(xué)的改革提供了一個新的思路。

3.1 打破了時間和地域的限制

學(xué)生可以在任何時間、任何地點完成實驗，有利于學(xué)生在個人最高效的時間段內(nèi)學(xué)習(xí)、汲取知識，充分利用碎片化時間完成實驗任務(wù)，小組成員之間也可借助互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地展開交流和探討。

3.2 激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，很多學(xué)生對實驗課程的重視程度不夠，甚至?xí)袀€別學(xué)生在課程結(jié)束后還不了解實驗原理的情況發(fā)生。加入了討論環(huán)節(jié)的線上線下混合教學(xué)模式，調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，引導(dǎo)學(xué)生遇到問題后從多角度分析問題，尋找正確的解決方案，形成正向激勵，不斷推動學(xué)生自主學(xué)習(xí)，從而加深學(xué)生對知識的理解。

3.3 提高了實驗的參與度

在授課過程中加入討論環(huán)節(jié)后，學(xué)生可以在線下自由討論環(huán)節(jié)中通過相互協(xié)作和交流的方式分析問題、解決問題。學(xué)生的狀態(tài)從被動吸收知識向主動探索知識轉(zhuǎn)變，對知識的吸收率和掌握程度也相應(yīng)提升。圖2為討論環(huán)節(jié)展示。

3.4 提高了教師的信息化教學(xué)水平

信息技術(shù)的迅速發(fā)展推動了線上授課平臺的普及，對教師的信息素養(yǎng)提出了更高的要求，混合式教學(xué)也是提升教師信息化教學(xué)水平的機會。教師信息化教學(xué)水平的提高將成為推動信息技術(shù)與教學(xué)深度融合的助力，為提升人才培養(yǎng)質(zhì)量奠定堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

依托在線授課平臺，線上線下混合教學(xué)模式的授課方式打破了時間、空間對課堂的限制，將討論環(huán)節(jié)與實踐環(huán)節(jié)完美融合，合理地權(quán)衡了傳統(tǒng)教學(xué)與新型教學(xué)方式之間的關(guān)系，充分激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性，調(diào)動了學(xué)生參與實驗的積極性，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體。實際教學(xué)實施效果表明“課堂教學(xué)-課外實驗、自由討論-課堂小組討論”的混合式教學(xué)模式能有效提高實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，得到了授課教師和學(xué)生的積極評價，為提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，培養(yǎng)更多滿足集成電路行業(yè)需求的專業(yè)型人才，彌補國家集成電路行業(yè)的人才缺口打下了堅實的基礎(chǔ)。同時，該教學(xué)模式也存在著一些局限性，如學(xué)生反映相比其他課程負擔稍重，部分實驗由于學(xué)習(xí)資源受限無法脫離實驗室完成等問題。在今后的教學(xué)中，將優(yōu)化教學(xué)模式，探索出更加成熟的教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量。

(a)課堂討論參與人員

(b)課堂討論演示文稿圖2 討論環(huán)節(jié)展示