SPOC环境下数字逻辑电路课程的教学设计与实施

朱慧博?李海霞?石鲁生

摘 要：目前，数字逻辑电路课程网络资源利用不够充分，教学方式单一，缺少过程性考核和综合能力考核。课题组通过搭建SPOC教学的软硬件环境，打造新的包含课前、课中、课后和课外的教学设计方案，在教学实施阶段融合软件仿真、在线抢答等多种教学方法，增加综合实践项目模块，设计并采用与之配套的综合考核方案。实际教学效果显示，新的教学设计有助于提高学生的学习积极性，锻炼学生的综合实践能力。

关键词：SPOC;数字逻辑电路;教学设计;网络教学

中图分类号：G4文献标志码：A文章编号：2096-0069（2020）02-0050-04

收稿日期：2019-08-18

作者简介：朱慧博（1979— ），女，江苏泗洪人，副教授，硕士，研究方向为教学与课程、虚拟仪器测量技术;李海霞（1983— ），女，山东潍坊人，讲师，博士研究生，研究方向为半导体器件;石鲁生（1978— ），男，江苏宿迁人，副教授，硕士，研究方向为教学与课程、安全数据库。

前言

教育部积极推进“互联网+教育”的发展，教技〔2018〕16号文件《关于加强网络学习空间建设与应用的指导意见》提出学校利用空间创新课堂教学、实践教学，培养学生解决问题和创新能力的要求[1]。“数字逻辑电路”作为计算机类和电子信息类专业重要的基础课，要求学生具备较强的数字逻辑电路分析和设计能力[2]。对于此类理论性和实践性较强的课程，如何有效利用网络资源，开展SPOC（Small Private Online Course，小规模限制性在线课程）教学，课题组在教学过程中进行了改革和尝试。

一、课程教学现状

（一）课程教学与SPOC教学环境时空分离

SPOC教学强调利用网络资源环境进行教学活动，而“數字逻辑电路”课程的传统教学，主要在教室使用板书或PPT讲授理论，在实验室通过实验箱进行实验教学。教学过程中教师不具备及时有效进行网络评测和统计反馈的条件，耗时耗力打造的资源丰富的SPOC教学环境仅成为一种提供在线作业和考试的工具，学生参与度低，本应成为推进教师课堂教学改革和提升教学质量的有效工具与手段，却变成食之无味、弃之可惜的鸡肋。

（二）教学方式单一，学生积极性差

传统理论教学偏重于芯片原理的讲解，加之受到学时和设备的限制，教师少有演示应用，学生难有动手实践，常常只是长时间被动听课，学生注意力容易分散;实验教学受到时间和空间的限制，开设的大部分都是验证型实验，学生动手不动脑[3]，缺少挑战性的实验过程与结果，学生积极性不高，综合实践能力鲜有提升。

（三）考核方式单调，缺少过程性考核和综合能力考核

传统的课程考核成绩由期末考试成绩和平时成绩构成，期末考试大多强调重要知识点的记忆，对学生创新能力的考查不足;平时成绩主要由考勤、作业以及实验报告等三部分来决定，过程性考核不足。为了应对考试，大部分学生只会死记硬背书本上的理论知识，没有创新意识，偏离了培养、锻炼学生综合实践能力的初衷[4]。

二、SPOC环境下课程的教学设计

（一）SPOC教学设计方案

SPOC环境下课程总体教学设计方案中，预先建立授课班级，建设网络资源。课前，教师利用SPOC教学环境，布置学生观看课程视频，预习教学内容;课中，突破理论课与实验课界限，教师在专业实验室利用多种教学法完成全部理论和教学工作;课后，教师根据SPOC教学平台对学生的学习情况统计结果，优化课前教学设计，改进课中教学过程，进行教学反刍;课外，学生利用SPOC中PBL（Project-Based Learning，项目式教学）模块自行选题分组，在教师指导下，利用开放实验室完成兴趣能力拓展综合实践项目。

（二）SPOC教学设计中的重难点

在SPOC教学过程中，如何创造适宜的教学条件是前提，也是重点。首先，网络资源创建时，必须考虑如何应对学生不同方面、不同层次的需求，将网络资源构建成教学双方的纽带，成为双方用起来都得心应手的工具。其次，建立网络资源后，如何使其在课堂中得以高效应用，提升教学效果，如何应用多种教学方式开展混合式教学，保持学生的课堂参与率，这都需要进行精心设计，是实施过程中的难点。最后，如何保持学生的学习兴趣，增强专业基础课程的生命力，为后续专业课程输送有创新能力的学生，是对教师教学能力的持久挑战。

三、 SPOC环境下课程教学的实施

（一） SPOC教学软硬环境创建

（1）模糊理论课与实验课空间上的界限，打造SPOC教学实施的硬条件。学校大部分的实验室都具备电脑等硬件设备和一定的网络资源环境。这些实验室同时配备了黑板、投影等传统教学设备，这使得将理论教学全部搬进实验室，打破理论和实验课界限成为可能。

（2）建设和遴选网络教学资源，打造SPOC教学实施的软条件。在学校超星泛雅网络教学平台上建设“数字逻辑电路”网络课程，上传教学大纲、电子教案、教学课件、教学周历、参考书目，创建章节过关练习和分阶段自测题等基本教学资源。平台中同时链接了其他高校的优质MOOC资源，学生可以根据不同教师的教学角度、不同层次高校的教学深度，结合自身的需求选择自学。平台中，同时挂载教师自制微视频，时长通常都在5—15分钟，小而精，内容上涉及的都是课程主要知识点的讲解和应用，也有往届学生的实际项目调试视频。这些资料可帮助学生自学或者课下温习未掌握的知识点，培养对实际项目设计的感官认识，增强学习兴趣，增加课程学习的自信心。

（3）创建课程特色资源。为增强学生课堂学习兴趣、扩大课堂有效知识容量，教师根据教学内容提前预备了大量的EDA（电子设计自动化）仿真实例和网络平台上的各类教学活动。EDA实例普遍针对性强，有成品实例也有半成品实例。成品实例主要用于演示理论课中比较抽象、晦涩难懂的知识点和一些需要重点掌握的基础芯片，如三态门应用电路（展示使能和高阻态效果）和计数器应用电路（展示其工作原理）等。半成品实例，指的是放置了基本器件的未完成电路，用以节省课堂讲授时间，方便学生快速搭建、调试。为保证教学过程的有效开展，方便后续教学反馈和考核，网络平台上提供了丰富多彩的课堂活动，如签到、分组、选人、抢答、测验、讨论等。

（4）建立综合实践PBL项目库，创建兴趣拓展模块。综合实践PBL项目库中的项目一部分由教师根据教学要求精心设计，如电子密码锁、汽车尾灯控制器和多功能数字钟等;另一部分由学生根据学习内容和自身兴趣创建，如加减计算器、模拟电子蜡烛和电子转盘等。实施同一项目的同学可以在网络平台上传共享资料，相互之间展开课题讨论，实现思维碰撞。教师还鼓励学生创建新项目，经教师审核后放入项目库，因此，项目库在教学过程中得以不断更新、扩充。在兴趣拓展模块中放置了一些对学生纵深发展有帮助的文献、资料或网络资源，如各种仿真软件安装包、各类芯片介绍、硬件描述语言学习资料、微电子和单片机等方向的资料等。

（二）SPOC教学实施过程

（1）课前，学生完成在SPOC教学平台上教师提前布置的作业和预习视频，通过预习过关练习，教师做好信息的整理工作，根据反馈信息，精心准备课程的理论教学PPT、仿真实例演示和课堂活动。

（2）课中，教师首先利用SPOC教学平台进行考勤，然后简单复习上次课的主要内容并讲解、展示作业和过关练习中的典型错误，最后引入新课。新知识教学是课堂教学中的主要环节，也是教师需要重点把握和考核的一个环节。一次优秀的授课需要具备激发兴趣、传授知识、引发思考这三个特性。譬如在讲解“三态门”工作原理时，学生对“使能端”和“高阻态”常表示很困惑，此时可以选用低电平有效的74LS125芯片和函数发生器以及PROBE小灯搭建一个简单EDA仿真电路来帮助学生理解。通过教师演示、讲解和学生动手操作、观察74LS125芯片的使能端输入函数发生器输入与PROBE小灯亮灭的关系，再延伸到其他芯片如74LS126，使得学生感受直观、印象深刻，激发学生的学习兴趣[5]。

（3）课后，除完成作业外，学生还需要根据教师要求进行必要的预习。教师通过对学生完成情况的反馈统计，了解学生的掌握情况和教学效果，从而进一步优化课前教学设计，改进课中教学过程，进行教学反刍，从而形成整个教学过程的闭环。课程中有些知识点如卡诺图化简、时序逻辑电路分析等，可能不方便在SPOC教学平台进行展示，可将纸质作业和网络作业混合使用。

（4）课外，学生可自行选择加入SPOC教学平台的PBL项目库中已有的项目或创建新项目。项目大多是与本专业需求相关，综合了课程的主要知识点，但更具复杂性和挑战性的综合实践项目。项目设计过程中通常会用到一些教学中并未提及的芯片，需要学生自行查找资料，研究芯片功能，设计电路并进行软件仿真，最后用实验箱搭建实际电路加以验证。学生独立完成项目虽然有较大难度，但有学校硬件条件做保障，只要投入足够的时间和精力，绝大部分同学都可以达成目标。通过设计、搭建一个小型数字逻辑电路系统，学生可以展示自主设计和创新能力，电路设计、调试以及错误排查过程，锻炼了学生运用所学理论知识独立解决实际问题的综合能力。

四、SPOC环境下课程的考核方案

课程考核方案应保持与教学设计的一致性，加大对课堂教学过程质量的监控和学生综合实践能力的考查。期末考试仍然采用传统的闭卷纸质试卷形式，占总评成绩的50%，考核内容主要是基本原理、方法和重要知识点的掌握与应用。平时成绩占总评成绩的30%，主要由SPOC教学平台任务点的完成情况、考勤签到情况、课堂互动以及作业完成质量等来综合评定，其中课堂互动与作业完成质量占比较高，以此来激励学生，提高课堂活跃度，提升课程教学效果。兴趣能力拓展综合实践项目成绩占总评成绩的20%，该部分主要根据学生完成的PBL项目工作量及设计方案优劣、搭建电路的功能演示和项目最终报告等部分情况进行综合评定。

五、教学效果

实践证明，通过在SPOC教学环境下，实施上述“数字逻辑电路”课程的教学改革，学生的学习积极性明显提高，一部分学生从最初抵触教师布置预习作业，到主动完成SPOC网络平台中的一些任务，以期可以在课堂抢答等环节中获得更加突出的表现。大部分学生愿意投入更多时间和精力去进行个性化的“综合实践项目”设计，不但获得了更高的创新分数，还加深了对相关知识点的理解。同时，学生对新事物、新知识的资料搜索能力、研判能力等个体能力都有所提升，其自信心得到提升，对后续专业课程的学习兴趣得以激发，对各种相关专业技能竞赛的关注度与参与度大大增强。实践还表明，改革后班级学生的团队意识、竞争意识明显增强，同学关系进一步融洽，学生愿意与同组其他同学以及老师交流设计方案，对团队的成绩十分看重。

教师层面，改革后的教学过程中学生新主意、新想法不断涌现，扩大了教师的视野，也对教师提出了更高的能力要求，有力地促进了教师的发展。此外，带反馈的教学闭环，促进了良好的师生交流，也拉近了教师和学生的关系。

六、结语

为响应教育部《关于加强网络学习空间建设与应用的指导意见》，课题组将数字逻辑电路课程的理论与实践教学全部搬入专业实验室，不断丰富SPOC教学平台中的各类资源并充分利用这些资源，采用新的课程教学设计方案，融合多种教学方式，形成包括课前、课中、课后、课外在内的带反馈的教学闭环。通过加大课堂教学过程的考核，增添“综合实践项目”考核，设计并采用了与课程教学过程相匹配的课程考核方案。改革后的课程教学方案实施效果良好，从实际教学反馈来看，学生的学习兴趣、积极性、文献资料独立检索能力、实践动手能力等有较大幅度提升，但如何进一步充分发挥配套网络资源和PBL项目库的作用，如何进一步细化过程性考核的评定细则等，还需在以后的实施过程中不断加以优化和改进。

参考文献

[1]教育部.关于加强网络学习空间建设与应用的指导意見[EB/OL].（2018-12-12）[2019-01-27].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-01/27/content_5361514.htm.

[2]朱慧博，史洪玮，秦玉龙.数字逻辑电路教学改革的新探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2016（11）：73-74.

[3]肖杰，李强，龙胜春，等.数字逻辑电路课程设计实验教学改革与实践[J].计算机教育，2018（5）：71-75.

[4]朱正东，田靖轩，张小雨.MOOC混合教学模式及其在数字逻辑电路课程中的应用[J].計算机教育，2018（7）：100-103.

[5]吕念芝.Multisim在“数字电子技术”课程设计中的应用[J].电气电子教学学报，2018（3）：143-146.

（责任编辑 孙志莉 孙兴丽）

Abstract： At present，the utilization of the online resources of digital logic circuit course is not enough，teaching mode is single，and it lacks process assessment and comprehensive competency assessment.Through the establishment of the environment of software and hardware of SPOC teaching，our research group has made a before class，in class，after class，and outside class teaching design plan.In the period of teaching practice，many kinds of teaching methods have been integrated like software simulation，online answer，etc.Comprehensive practice program module has been added，and the matching comprehensive assessment plan has been designed and adopted.The actual teaching effect shows that new teaching design helps to improve studentslearning activity and practice studentscomprehensive practice abilities.

Key words： SPOC;digital logic circuit;teaching design;online teaching