“互联网+实践教学”范式改革尝试——以FPGA为例

胡爱华，李建科，张鹏云，康红俊

（河北经贸大学 信息技术学院，河北 石家庄 050061）

随着中国新型工业的发展，对知识型、技能型、创新型人才的需求越来越强。新知识和新技术的快速更新和融合，需要大批跨学科的新型工程技术人才。2017年教育部发布了《新工科研究与实践项目指南》[1]，提出“改革与实践新工科多方协同育人模式”，国务院提出的“产教融合”给高等工程教育指出了新的方向[2]。新型工业技术在向着互联网产业化、工业智能化、工业一体化的发展过程中，针对经济社会发展和企业技术创新的要求，培养兼具行业背景知识和工程实践能力的应用型技术人才成为高等教育的重要任务[3]。

为顺应行业发展，高校需要在加大实践教学力度的基础之上，结合现代技术开创性地把实践教学搬到资源更丰富的互联网平台上。本文以电子信息工程专业中FPGA的实践教学为例，探索基于互联网云平台的实践教学新模式，降低工科实践教学环节设备成本，提高学生实践教学的自主性，脱离实验室的限制，实现工科实践教学与新型工业发展前沿的结合。

1 电子类实践课程存在的问题

实践课程是电子类专业的重要组成部分，高校实践教学的发展与工业技术发展相比较，存在以下几个方面的问题[4]。

1）校内实验教学资源短缺。

实践要求高的工程类课程需要专门的实验室。电子类工程实践课程实验对硬件要求较高，各种耗材、实验箱和开发板成本高，且受到时间、场地等客观条件的限制，现有资源很难让每位学生充分得到实践训练。

2）实践教学内容系统性不强。

电子类课程的实践教学兼顾理论验证、程序设计和系统实现三个层次。在高等教育压缩教学课时量的现实情况下，只能选择一些主要的知识点进行实践，不能面面俱到，知识体系不够全面。

3）实践教学形式不够灵活。

目前，电子类专业实践教学主要包括实验室教学、电子设计大赛和校外实践基地三个部分。实验室教学注重基础实验，受到实验课时、实验设备等客观因素的影响；校外实践内容和时间安排不够灵活；电子设计大赛能提高学生的综合能力，但是只是针对极少数学生。

2 兼顾整体性和生成性的“互联网+实践教学”内容

进入新型工业时代，教学模式从传统的科学主义教学范式向新范式进行转变。在旧的教学范式下，对知识的认知具有客观性、确定性、普遍性等基本属性，教学内容也由客观的知识内容组成，学校的教学目标就是学习并掌握这些客观的知识[5]。信息技术飞速发展，知识和技术的更新要求学生在学习客观知识的基础上，通过参与、行动和实践提高自己的综合能力[6]。新的教学范式结合知识的主观性、文化性、不确定性、分布性、境遇性、价值性、动态变化等特点，对学生进行全面的培养[7]。

对于电子信息工程专业的实践教学课程，实践教学内容除了基本电路设计外，还要结合技术发展进行相应的扩展。基于云平台的实践囊括了课程的所有基本知识，并把多种开发应用包含进来，学生可以根据自己的兴趣在完成基本课程要求的基础上进行扩展，参加企业开发项目和训练营，实现FPGA工程师培养计划。FPGA云平台教学内容主要包括如下几个方面[8]：

（1）开发软件的应用教程，基于FPGA开发软件Vivado的学习；

（2）Open HEC使用教程，通过经典的实例引导学生熟悉平台的使用；

（3）开发工程师教学内容及其丰富，包括 HLS开发和Verilog开发，从基本语法到接口综合再到算法优化；

（4）高级开发内容包括 Open MIPS和加速核SOC开发；

（5）辅助教学内容包括答疑平台和训练营，实现对学生的线上指导和知识拓展。

丰富的知识内容和灵活的平台资源，有利于根据培养目标进行自由整合。任课教师对于实践教学的主导作用可以通过创建自己的学习路径得到体现，构建自己的教学体系。基于云平台的“互联网+实践教学”范式，将学生与知识的关系发展为一种互动、对话和创造的关系，教学内容也转变为情境化的、整体的、预设与生成兼有的知识。

3 基于云平台的实践教学体系

基于“互联网+”的 FPGA实践教学范式类似于传统的慕课，但是与之又有区别，由于云平台上有真实硬件可以利用，可以定义为硬件实践类的慕课。它并不是简单地将FPGA实验搬到云平台上，而是在教学内容和教学手段上都有很大的改进[8]，综合了已有的实验室教学、课程设计、企业实训、学科竞赛等多种实践教学环节[9]。这种综合实践教学手段能提高学生的综合素质，从而培养出新工科优秀人才，其实践教学体系如图1所示。

图1 云平台实验教学体系

实践教学可分为不同的阶段：①基础级。重点针对FPGA的基础理论和基本技能的培养，完全可以取代课堂和实验室教学。②引导级。通过参加训练营和企业研发项目，重点培养学生的创新思维和工程思维。③竞技级。通过参加平台组织的企业竞赛和学科竞赛，培养学生的开拓精神。

划分不同阶段以满足个性化、多样性实践教学能力培养需求[10]，学生可以根据自己的情况安排学习进程。强调知识以及能力的融合与集成，落脚于创新实践，彰显了新工科建设的范式转换的内在逻辑，培养新型信息产业创新型人才。

3.1 线上线下相结合的教学流程

教学目标的实现需要学生的主观能动性，线下采用小组模式进行管理，学习过程中小组成员之间互相交流、互相帮助，共同完成学习内容。阶段性的学习效果反馈，有助于教师关注学生的学习情况，激发学生的学习热情，因材施教。线上充分利用云平台提供的资料，答疑平台由知识经验丰富的技术员提供答疑，不同学校学生的讨论也会带来意想不到的收获。教学基本流程如图2所示。

图2 线上线下产学融合的实践教学流程

基于云平台线上线下产学结合的实践教学中，基础实验部分培养理论能力，训练营培养学生与前沿科学结合的能力，企业项目研发培养学生的工程实践能力。这体现了新工科倡导的从“技术范式”到“科学范式”再到“工程范式”的逻辑转换过程[11]。

3.2 “互联网+实践教学”实施

为验证利用云平台进行硬件实践教学的效果，目前已对两届学生实施了EDA技术的云平台实践教学。包括基础实验部分和提高部分，教学对象包括配备FPGA实验系统的学生和没有配备FPGA实验教学系统的学生。

（1）EDA技术实践软硬件资源的扩展。线下实践教学的硬件采用的Altera公司的芯片，线上实践教学平台采用Xilinx公司的芯片，软件开发平台分别采用对应公司的软件Quartus和Vivado，全面的学习有助于学生将来更好地适应工作岗位的需求。

（2）从 20名学生所选的实验项目来看，侧重于基础知识学习的学生 14人，占所有学生的 70%，其中与线下实验内容相似的实验项目5项，占项目总数的25%，与线下实验项目不同的9项，占总数的45%；侧重知识点综合应用的项目6项，占项目总数的30%。

（3）EDA技术实践教学内容的扩展。云平台上的实验项目囊括了所有基础实验项目，并且扩展了很多综合项目，总数近50个。针对2016级学生在云平台上建立了“河北经贸大学”学习路径，学生通过加入学习路径进行线上实验，学习路径中包含教师精选的基础实验项目。和线下实验相比，大多数学生都能完成这些实验项目，认为线上实践教学方式更加灵活。

（4）EDA技术实践学习时间的扩展。从学生提供的云平台使用记录来看，大多数学生进行线上实践教学的时间是在晚上没有课的时间段，充分体现了线上实践教学灵活方便的优点，不再受线下实验室开放时间的限制。

对参与线上实验教学的学生进行了问卷调查，75.56%的学生都认为线上线下两种实验方式相结合是最好的实践教学方式；17.78%的学生认为“互联网+实践教学”方式最好；只有 6.67%的学生认为只采用线下实践教学是最好的方式。

从基于云平台的实践教学实施过程以及学生的反馈结果来看，线上实践教学是很具有吸引力的，尤其针对线下实践教学开放时间不足、实验系统局限性等缺点。学生通过线上实践教学进行了更全面的基础实验训练，接触到FPGA在最新领域的应用，获得了与线上其他学校学生进行讨论和学习的机会，开阔了视野、夯实了基础、扩大了交流、提高了学生时间的利用率。

3.3 适应“互联网+实践教学”的评价

基于“互联网+”的 FPGA实践教学评价方法不同于实验室课堂教学，由于学生的学习方式以自学为主、教师辅导为辅，因此教学质量评价应该重点放在教师的教学态度、教学准备、教学内容把握、教学流程控制和教学效果等细节上，指标的制定应重点体现“互联网+实践教学”与传统教学方式的区别。

针对实践教学目标给出教学效果评价的各个项目[12-13]。相应地需要设计学生实验内容记录表、实验情况调查表、参加训练营报告表等，以期掌握学生的学习情况，反馈学生参与线上实践教学效果。

4 结语

“互联网+实践教学”范式充分发挥个人的自主性，是一种基于能力本位的教育方式，利用云平台资源和线上组织的训练营、企业研发项目和竞赛等形式，培养学生的学习能力、实践能力、创新能力及竞争与合作能力。该教学方式有利于提高学生各项能力，值得在高校中推广。