基于云实验室的数字电子技术实验课程教学改革

2020-07-06黎想，雷霞，李宏

实验室研究与探索 2020年4期

黎想，雷霞，李宏

（1.宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211；2.宁波城市职业技术学院信息与智能工程学院，浙江宁波315100）

0 引言

数字电子技术是电子信息类各专业的一门必修基础课程，数字电子技术课程实验教学则是数字电子技术课程的重要组成部分。其实验教学可使得学生加深对数字电路基本概念、基本原理的理解，将学到的分析方法和设计理论应用于实践［1］。国务院在印发的《中国制造2025》中指出全球制造业格局面临重大调整，要加快推进新一代信息化与制造技术融合发展，大力推动新一代信息技术产业发展［2］。要实现中国制造2025，我国需要一大批电子信息类创新性人才，在电子信息类人才培养过程中，高校起着重要的推动作用。目前，数字电子技术作为高校里电子信息类人才培养中重要的一门专业基础课程，其实验教学的开展大多还停留在传统的实验教学模式，迫切需要进行实验教学改革。近年来国内外部分高校开展的基于虚拟仿真实验室的实验教学［3-4］在一定程度上打破了传统的实验教学模式，但该类实验教学的开展大多还是基于设定的参数模型，与真实的实验还是有较多的差异。目前，基于远程控制技术的网络实验是最贴近现场实验的方式，其最大的特点就是能够在虚拟的实验环境中获得真实的实验结果［5-6］，一些高校一直致力于实现在该类网络实验平台上开放实验资源和接入更多的实验设备［7］。随着云技术、云服务的广泛应用，远程控制、网络化这类的云实验平台快速发展［7-8］，通过云实验平台构建的实验教学服务也为高校的实验室建设和教学改革提供了新的思路。

1 传统数字电子技术实验教学存在的问题

数字电子技术实验教学一直以来备受高校的重视，国内外许多高校都在该实验课程上进行改革实践［9-10］。数字电子技术实验课程改革经历了由单一的以手工为主向以EDA技术为主的转变，早期的数字电子技术实验教学采用中小规模逻辑器件通过导线连接的方式设计数字电路，伴随着可编程逻辑器件的发展，许多高校开始在传统实验教学基础上引入EDA技术和可编程器件，借助EDA软件对电路进行设计与仿真，并在FPGA/CPLD芯片上进行实现，使得数字电路设计实现变得更加灵活便捷［10］。但是目前数字电子技术实验教学大多采用在实验室通过实验箱或评估板来集中完成的方式，这种教学方式单一、局限性大难以满足教学需要，存在诸多不足。

（1）学习进度难以统一。教师讲授实验内容、原理、方法，学生分组在实验装置上完成实验。学生实验由于环境、课时等的限制，使得实验内容大多以验证性实验和简单的设计实验为主，一般先由教师讲解实验设计思路，而后学生通过模仿实现自己数字电路设计。这种灌输式教学为了照顾大多数，往往导致接受能力较弱的学生无法跟上进度，而能力强的学生又会觉得吃不饱，使学生学习积极性和主动性受到制约。

（2）考核评价不全面。在传统的课堂实验过程中，学生需要花费大部分的时间用于调试电路，即便学生进行了课前预习和仿真，但由于电路仿真与实际电路是有一定差异的，电路实现也会出现一些问题。实验的调试、测试仍需要耗费不少的时间，这使得指导教师大部分时间比较空闲或忙于电路故障的排除，只有在实验课结束前不多的时间对实验完成情况进行检查和评判。要在少量的时间内对大量的学生实验进行评判，导致实验评价过度依赖实验结果，缺乏过程考核，使得评价准确度欠佳。此外，学生的最后实验成绩往往根据实验报告和课堂考勤给出，在一定程度上就会使得部分学生只是为了考勤而来应付实验，出现实验设计、报告抄袭严重的情况，进而导致实验效果大大降低。

（3）实验资源利用率低。学生只能在实验课上使用实验设备，使用设备的时间地点也比较固定。伴随着近年来高校招生人数的剧增，使得实验资源变得日益紧张，经常出现多人共用实验设备的情况，而很多时间实验资源又出现闲置的状态，使得实验资源不能合理利用。通过单一的增加实验室开放时间并不能从根本上解决问题。由于这些限制使学生常常不能在规定的时间完成实验内容，挫伤了这些学生实验的积极性，特别是在一些内容较多、较综合的实验项目上这种现象尤为突出。

2 数字电子技术云实验平台建设

云实验室作为一种共享、开放的网络化实验教学服务平台，能够提供数据存储、管理等云服务［11］。针对传统数字电子技术实验教学中存在的问题，借助云技术和云服务构建数字电子技术云实验平台，通过建立全开放、拟实的实验环境、提供真实实验数据的方式来提高实验教学的效率，实现实验教学资源的完全开放共享，促进学生之间的交流协作，不仅调动了学生实验的积极性，同时也克服了一般虚拟仿真实验纯粹依赖仿真模型的不足。

数字电子技术云实验平台建设以阿里云服务器［12］为云服务主机，采用基于TCP/IP协议的双C/S结构［13］，客户端与阿里云服务器为第1层CS结构，云端数字电路实验硬件平台与阿里云服务器组成了第2层CS结构。数字电子技术云实验平台总体结构如图1所示。

该云实验平台包括3个部分：云端数字电路实验硬件平台、基于Web的数字电路实验客户端和基于阿里云服务器的管理与服务系统。云端数字电路实验硬件平台由多台无线的实验设备组成［14］，实验设备上设有Intel公司的FPGA可编程芯片用以运行实验，每台实验设备通过WiFi连接到路由器与云服务器进行数据交换；基于Web的数字电路实验客户端是一个拟实的图形化操作窗口，学生登录进入该网页端进行实验操作，并实时显示硬件平台返回的实验结果；管理与服务系统运行在阿里云服务器上，负责桥接实验客户端与云端硬件设备、存储实验相关信息、对实验资源进行分配和管理、提供在线交流服务，是数字电子技术云实验平台重要的组成部分。

图1 数字电子技术云实验平台总体结构图

云实验平台通过管理与服务系统实现对数据信息和硬件资源进行管理，用户通过管理与服务系统实时查看硬件设备使用状态，合理安排时间进行实验操作，教师在系统中灵活地更改实验项目内容，满足教学需求。管理与服务系统的功能如图2所示，包括用户管理、实验项目管理、自动评判管理、云端硬件设备管理、实验数据管理、在线交流服务等。各个功能模块之间互不干预，有助于整个系统日后的维护和升级。

图2 管理与服务系统功能框图

3 基于云实验室的数字电子技术实验课程教学改革

借助数字电子技术云实验平台对教学内容与方式、实验教学流程、考核方式进行全面探索和改革，以实现传统实验教学模式向互联网+的教育模式［15］转变。

3.1 线上线下相结合的教学方式

针对以可编程器件为主的数字电子技术课程实验教学，借助数字电子技术云实验平台，实验教学可以采用线上和线下相结合的方式来进行，如图3所示。

图3 线上线下教学方法示意图

这种实验教学方法充分围绕以学生为中心、以项目为导向，采用“任务驱动式”实验教学方式。教师布置实验任务后，首先由学生自行查询资料、编写设计文件、对设计的电路进行仿真验证，然后将实验电路配置到线上的数字电子技术云实验平台进行电路测试，提交自动评判系统进行实验对错判断。线下，学生在实验室中将仿真、测试通过实验设计在实验设备上进行演示，教师现场对实验的设计、操作、结果等进行质询和提问，并给予有效指导。这样，教师可以集中精力在有限的时间里进行有效的指导，了解每个学生的实验情况，也有效地避免了实验抄袭情况。通过线上线下相结合的方式极大地激发了学生的实验兴趣、调动了实验的积极性、提高电路设计能力，实验资源也得到了有效利用。

3.2 多层次、多元化的教学内容

数字电子技术云实验平台的引入，使得传统的实验教学内容更加丰富，项目类别多元化，内容难度多层次。数字电子技术实验内容以基于FPGA的设计项目为主，兼顾采用标准逻辑器件的电路设计。实验项目类型以设计性、综合性为主，占总实验课时的86%，配合少量操作性实验来掌握EDA软件和实验设备的使用。为给学生自主研究与发挥留有足够空间，促进应用型人才的成长，将实验要求分为基本与提高2个部分：①既设置一部分基本的必做实验项目，以满足基本的教学要求，同时也设置一部分提高的选做实验项目，让学生根据专业、兴趣爱好进行选择。②在实验项目中，既设置基本的必做实验内容，又设置提高的选做实验内容，以满足学生特长和个性发展的需要。基于可编程器件和EDA工具的实验项目均采用线上线下相结合的教学方式，具体实验内容包括：EDA软件和实验设备使用、组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计、存储器与数模/模数转换器应用、有限状态机设计、简单数字系统设计等。

采用标准逻辑芯片接线的实验对理解门电路和掌握标准逻辑芯片的使用仍具有重要作用，这些实验在线下实验室集中完成，相应的实验内容包括：OC门/三态门应用、组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计等。

3.3 数字电子技术云平台实验流程

学生根据实验项目的任务要求，在EDA软件（Quartus II）中进行实验项目的设计、综合、仿真验证、管脚分配，生成.rbf的配置文件；通过基于Web的数字电路实验客户端将配置文件传送到云端实验硬件平台并配置到FPGA中；学生通过实验客户端实验窗口进行实验操作，客户端实时显示硬件平台返回的实验数据和结果，从而判断项目设计正确与否。

对于系统中预设的实验项目，学生还可以通过客户端上的“提交项目”来进行在线自动评判，这时云端服务器会将数据库中的评判指令发送到云端实验设备上进行项目评判，并将评判结果发送到客户端上，当设计出现错误时会根据情况给出错误提示。

线上实验流程如图4所示。整个实验过程中，云服务器端与云端实验设备之间指令、数据传输相当于一个黑盒子，给学生直观的感受其只是与实验设备进行交互，这样能够让学生得到良好的实验体验。云平台客户端操作窗口如图5所示，它的样式、操作、显示等与线下实际数字电路实验装置完全一致，以方便用户快速入门。

图4 线上实验流程图

图5 云平台客户端操作窗口

完成线上实验后，学生进入实验室集中进行实验项目的现场测试验收。指导教师针对学生的设计方案、操作规范性和熟练程度、测试结果等情况进行答疑、指导和质询，最后完成实验项目的验收并给出实验项目的操作成绩。对于采用标准逻辑器件的实验项目，学生需课前进行相应预习、完成项目的理论设计，集中在实验室完成实验设计修正、测试和验收，指导老师针对实验中的问题进行答疑、指导和验收。

3.4 实验评价与考核

基于云实验室的数字电子技术实验考核更加注重对学生实验过程的评价。考核内容包括线上、线下和测验等几个方面，线上成绩根据云设备使用时长、自动评判情况确定，占总成绩的15%；线下成绩根据实验设计、操作、质询情况给定，占总成绩40%；实验报告15%；实验考试占30%。线上评价主要针对学生的预习情况。线下评价由教师对学生的设计、验证、操作进行质询，根据学生的实验能力、完成情况、认真程度给出成绩。实验报告根据理论分析、设计方法、实验步骤、实验数据记录、内容完整性综合给定成绩。实验考试在课程实验完成后进行，考试一般给定一个简单设计内容在规定时间内完成相关设计、仿真、测试，如果考试成绩低于35分直接判定实验课程不及格。实验课程评价考核力求全面，但又有侧重地对学生实验做出综合评价。

4 教学实践与反馈

实验教学改革实践在通信工程专业大二学生中进行，全班69人随机分为两组，A组学生借助云实验平台进行实验教学，B组作为对照组仍旧按传统方式进行实验教学。实验教学结束后，对两组学生进行问卷调查，调查内容主要包括实验教学的满意度、预习用时、云平台体验度等方面，其中云平台的内容仅由使用该平台的学生填写。69份问卷统计结果显示，在满意度方面，A组中有88.2%的学生对实验教学较为满意，B组实验教学的满意度为71.4%；在预习用时方面，A组学生平均每个项目预习时间在2 h以上，而B组只有不到1 h；学生普遍对云实验平台的体验度表示满意，认为云实验平台易上手操作、简便、响应速度快、功能齐全等，也有学生反映平台的稳定性尚需要改进。总体来看，学生对使用云实验平台进行实验教学普遍认可，但云实验平台还须进一步改进和完善。按教学要求学期末对学生进行统一实验操作考核，考核内容包括项目设计、仿真验证和下载测试。表1给出了两组学生的平时实验操作成绩和实验考试成绩。

表1 实验教学成绩（平均成绩）对比表

表中可见，A组在平时操作和实验考试中明显优于B组，特别是实验考试平均成绩提高了19.5%。A组学生的实验水平明显高于B组，这跟平时实验的预习时间、练习时间的增加有很大关系。在之后的数字系统设计课程上，A组的学生实验完成情况上也明显优于B组的学生。在今年的浙江省大学生电子设计竞赛上，A组的学生也取得了优异的成绩，获得了省一等奖2项。由此可见，云实验室在数字电子技术实验教学中应用，提高了学生的数字电路设计能力、增强了学生的实验技能和动手能力，为学生今后的学习和工作打下了坚实的基础。