基于SPOC的数字电子技术实验教学改革与实践

董 凌,李 恒,薛晓军,赵 磊,曹 文

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500；2.西南科技大学 信息工程学院,四川 绵阳 621010)

数字电子技术作为电子信息类专业的学科基础课程,是一门注重理论与实践相结合的课程.数字电子技术实验作为理论教学的重要补充和延续,旨在通过一系列的实验项目加深对数字电子技术的理解,提高实际动手能力,培养系统分析设计和创新能力,提高发现问题和解决问题的能力[1].随着“互联网+”技术的不断发展,以及学生获取知识方式的改变,基于“互联网+”的线上教学(如慕课、SPOC)形式已逐渐成为传统教学的重要补充,不断推动着高校教育的发展,在此背景下,实验教学也面临着升级改革、不断创新[2].

1 实验教学现状

1.1 实验内容陈旧

一方面,实验教学题目的设计缺乏吸引性和趣味性,不能引起学生的学习兴趣,学生被动学习[3]；另一方面,在EDA技术、数字系统设计已经得到广泛应用的背景下,软件仿真、基于FPGA的数字系统设计等实验内容仍未在实验教学中得到广泛应用,实验仍以传统方式进行中小规模电路的设计和搭建,与现实脱节,局限了学生的视野,一定程度上限制了学生的创造性.

1.2 教学方式单一

课时少,教学内容多是数字电子技术实验教学的难题,学生在消化、理解理论教学知识点的基础上进行开展电路设计、实验需要投入大量的时间,而这部分的工作仍以教师讲解实验原理、仪器操作、实验步骤后学生完成实验的方式进行,缺乏启发引导,学生自主规划学习能力普遍较差[4],导致课前准备不充分,实验学时利用率低下,实验效果不理想.

1.3 教学设计缺失

首先,仪器设备使用、实验原理熟悉等内容都一并安排在课内教学,缺乏针对实验教学内容进行的教学形式分类设计；其次,教学要求缺乏层次递进设计,实验内容多年不变,学生相互“参考”电路设计；验证型实验占比过大,缺少对学有余力的学生提高能力发展空间的实验选项；再次,实验课堂教学组织形式缺乏新意,未结合学生实验技能习得规律合理安排,教师的讲解集中在学生动手操作前,而实验完成后,学生对电路原理理解加深的情况下,却鲜见有教师引导学生进行实验归纳总结、分析出现的问题、拓展电路应用的思路.

2 实验教学改革措施

针对以上的分析,本文认为,提升数字电子技术实验的教学效果,应从培养学生的兴趣和结合当前的工程实际出发,让学生“尽早综合运用知识,尽早接触工程实际,尽早开展探索研究”[5],并体会到学有所得、学有所用.为此,课题组通过改造传统实验项目,引入Multisim仿真和FPGA实验、构建线上教学资源以及重构教学设计多个维度开展了数字电子技术实验教学改革.

2.1 建设线上实验教学资源库

依托线上教学平台,整合教学资源,建设和完善数字电子技术实验线上教学资源库,包括：①实验原理讲解视频、仪器设备使用方法、EDA软件(Multisim和Quartus-Ⅱ)使用等教学视频；②Multisim仿真和FPGA实验示例电路；③实验测试题库；④辅助资源：如元器件手册,相关文献、资料.针对学生线上学习遇到的问题,任课教师通过微信群、QQ群、邮件等方式及时进行解答.通过线上资源库的构建,使得教学内容更加丰富,教学形态立体化,增加了学生的学习兴趣,提高了学习效率.同时,师生间线上的互动交流有助于改变学生被动学习的状态,促进教师对学生预习情况的及时了解,以及对授课内容的及时调整.另外,线上教学平台对学生观看视频、提交习题的操作都有详细记录,教师可以更清晰地了解学生的学习过程,为过程评价提供依据[6].

2.2 改造实验案例,设置多层次的实验要求

在传统实验项目的基础上,在每次实验中增加了设计性、趣味性、层次性突出的拓展实验项目.首先,设计型实验不给出详细设计,学生根据实验要求并借助EDA仿真独立完成功能电路,重在培养学生自主学习、解决问题的能力；其次,拓展实验尽量结合生活、工程实际,如BCD-二进制转换、循环跑马灯、多人表决器、电子门铃等,通过LED、数码管显示、蜂鸣器等方式直观展示结果,让学生切身感受,逐渐产生兴趣[7]；最后,各个实验子项目难度呈梯度增长,知识的综合程度更高,能够满足不同能力学生的学习要求,在最终成绩上也体现出区分度.课题组还会定期调整、设计新的拓展实验,既适应了技术发展的趋势,也避免了学生间相互抄袭.

2.3 重构教学设计

首先,针对实验教学内容的特点进行教学形式分类设计.仪器设备使用、实验原理验证等内容采用学生线上观看视频,充分利用EDA软件仿真验证的教学形式,并配合线上学习时长统计、预习测试题对学习情况进行监督,而对于引导学生观察、分析实验数据、排查电路故障、提升分析解决问题能力的部分则采用课内统一指导的教学形式.

其次,改革课堂教学组织形式,实行“先做后讲”的实验教学模式.教师在实验开始前用尽量少的时间强调实验注意事项后,大部分的课堂时间将留给学生进行动手实作,体现实验课堂中学生的主体性,教师的作用更多是引导学生发现问题、并自主分析、排查问题.下课前,在绝大多数学生均已完成实验项目,并对实验电路获取了感性认识的基础之上,引导学生归纳总结电路的特性、分析导致常见问题的原因,进而拓展延伸出实验电路的工程应用,激发学生线下继续自主研学的兴趣.

3 具体实施案例

根据上文提出的教改思路,以数字电子技术第一次实验“组合逻辑电路”为例,介绍实验教学改革的具体实施方式.

3.1 课程资源的准备

在实验开始之前,课题组将提前制作好的教学视频、课件、仿真电路示例、芯片手册等教学资源分类发布到SPOC线上平台供学生自主学习,见表1和图1.

表1 实验教学资源示例

通过视频、图片或动画、文档等方式,引导学生从仪器设备、软件使用、实验原理等多个方面自主学习.在不提供详细电路设计图的前提下,需要学生根据实验题目,在课前使用EDA软件(Multisim,Quartus-Ⅱ)独立完成电路的设计和仿真.学生在学习清单的引导下,按照时间点完成视频观看、课前预习并参加讨论[8].教师根据学生情况提供指导,及时通过QQ、微信群等方式解答问题,引导学生逐步独立完成设计.

3.2 实验内容、要求及教学形式设计

针对传统实验教学中验证型实验比重较大、实用性不足等问题,课题组对实验内容和要求进行了调整,将实验分为预习实验、基础实验、拓展实验三部分,简单验证型实验项目安排学生在线下自主仿真完成,压缩课内验证型实验项目,增设2个拓展型实验项目,突出设计性和层次性.其中8位二进制全加器要求在一位全加器的基础上用FPGA的方式来实现,考查学生对知识的扩展和迁移能力；自然二进制-BCD码转换设计则是对加法器电路进行延伸,结合了计算机基础知识、七段数码管驱动等知识,考查学生对知识的综合运用能力.实验内容、要求及教学形式设计见表2.

实验内容中引入EDA电路仿真和FPGA方式实现,在一定程度上提高了实验难度,对学生提出了更高要求,也使数字电路课程有了“浴火重生”的感觉, 学生积极性很高[9],有效促进了学生课前预习质量和课内完成实验效率的提高.学生在仿真电路的基础上再进行实验箱上的电路搭接、调试,一定程度上避免了因设计错误导致的实验结果不符合预期和器材损耗[10],学生实验效率显著提升,实验完成度更好.

表2 组合逻辑电路实验内容、要求及教学形式设计

3.3 改革课堂教学组织形式

传统的实验教学在课堂进度安排上,通常以教师讲解开始,然后学生实作.由于学生课前准备不充分、对实验设备、器件不熟悉等原因耗费了大量课堂时间,导致实际实作时间只有课堂学时的一半左右.并且学生忙于实验,往往无法在规定时间内完成实验项目,导致教师很难再分配时间对实验进行系统总结.改进课堂教学组织方式后,得益于学生课前有准备、有目的的预习,实验课堂开始后,教师仅需用1～2 min进行必要事项的说明后,学生即可基于仿真电路开始实际电路的搭接和调试,因而实作时间得到大幅的增加.教学改革前后课堂时间分配对比情况见图2.

对于设计型实验,在上课开始后分发题目,一人一题,学生需要在有限时间内完成电路的设计、实现,避免了学生相互抄袭电路设计的同时也考察了学生课前预习的质量.

实验课堂上,教师的主要作用是答疑解惑,引导学生自主解决问题,强调电路调试和故障排查过程.当发现共性问题时,使用雨课堂投屏,进行集中讲解.

在课堂结束前10 min,教师对本次实验进行小结,内容包括实验原理总结、常见操作错误、故障排除及实验内容引申等,促进学生在课后积极总结、思考.课堂小结内容见表3.

表3 课堂小结内容

3.4 改进成绩评定机制

实验课程的成绩由平时成绩(50%)和期末考试成绩(50%)综合评定.平时成绩由整个学期7次实验的实作成绩和实验报告成绩加权平均得出,其中,课堂实作占平时成绩的80%,实验报告占20%.课堂实作成绩根据学生每堂课上完成实验子项目的情况,现场打分得出.实验课程与理论课程不同,更注重实践能力的培养[11],因此课堂实作成绩在平时成绩中占比较大,着重考查学生的设计能力、动手能力以及问题解决能力,同时,课堂实作的完成度也从一定程度上反映出学生课前预习准备的情况.实验报告成绩则侧重考查学生对实验数据的理解、分析和处理,以及实验过程中遇到问题的解决办法和体会.实验考试侧重考查学生整个学期以来对知识的掌握程度和熟练程度,以及学生是否在每次实验完成后进行了总结与反思.

为了了解和考查学生对理论知识的掌握程度和对仪器、设备的熟悉程度,在期末安排学生进行实验考试.考试题目为设计型实验,一人一题,要求学生在规定时间内在实验台上独立完成电路的设计和搭建.根据学生的电路设计、运行结果、完成考试的先后顺序综合评定期末考试成绩.

4 教学效果分析

4.1 实验完成度分析

课题组于2019—2020学年第1学期对2个班级(2017级自动化班43人,通信卓越班29人,共72名学生)的数字电子技术实验课程进行了教学改革尝试.以自动化班为例,随着实验教学进程的推进,完成单次实验子项目的人数比例在逐步提高,在6次实验后,完成基础实验的人数比例达到95.3%,完成拓展实验的学生人数比例逐步接近60%,见图3.在整个学期的实验教学中,学生参与积极性也在逐步提高.

4.2 学生评价

期末的问卷调查结果显示,学生对教学改革措施整体较为认可：

教学形式认可度方面,64%的学生认为教学形式的改变对促进学习积极性起到了非常好的作用.43%的学生非常认可拓展实验的形式,认为拓展实验有助于加深对理论知识的理解,提升技能.66%的学生认为实验内容加入Multisim和FPGA非常好,有助于提高学习的兴趣和积极性.超过90%的学生认为整体学习氛围比较浓厚.实验难度方面,77%的学生认为实验题目有一定难度,需要仔细思考后方可解决.

5 结语

实践结果表明,通过线上教学资源和EDA技术的利用,结合合理的教学设计和实验设计,辅以启发式的引导,学生的学习热情、独立设计能力、问题解决能力都得到了提升,教学改革效果明显.为进一步推进实验教学改革,仍有很多工作可做,如不断完善线上教学资源库的内容和形式,针对不同专业、不同学习能力的学生设计更具趣味性、综合性的实验项目,答辩式实验课题考核、搭建实验设备虚拟仿真环境,使用电子实验报告等,课题组将继续探索和实践,不断改进教学,为培养理论知识扎实、实践能力强的创新型人才打好基础.