数字电子技术实验的线上教学探究

哈尔滨工业大学（深圳）实验与创新实践教育中心 王亚男 吴 屏 朱雪秦 姜倩倩

2020年初，全国各类学校的正常教学秩序被打破。为积极贯彻教育部下发的“停课不停教，停课不停学”的教育方针，网上远程教学如火如荼地展开了。数字电子技术实验作为一门实验教学课程，如何能够在相应的时间节点，保证实验教学质量的前提下完成实验教学，成为严待商榷的问题。数字电子技术实验是高等学校电气类、电子信息类等专业课程教学体系中的专业基础必修课，具有极强的工程性和实践性特点，是培养学生专业技术技能和逻辑思维、创新思维的重要环节之一。课程组教师通过梳理以往的数字电子技术实验教学内容，根据以往的教学经验，经过数次线上会议的详细探讨，最终确定数字电子技术实验教学的开展方式。其中，理论知识内容和实验项目要求部分的授课采取录播形式，实验操作内容部分主要以FPGA实验板为载体，辅以软件仿真来展开实验操作，实验远程上课内容主要对学生的实验成果进行视频验收，课前课中课后都有教师答疑引导。

一、实验教学的现状

（一）“填鸭式”教学

大部分教师只是单方面一味地向学生传授和灌输各种知识，对实验内容及步骤、实验注意事项等进行讲解，学生只能是教学实施过程的被动接受者，根据教师的讲解，对照实验指导书上的操作步骤，按部就班地完成电路搭建和实验结果的验证，不是自主学习、自主管理的主体。

（二）实验内容陈旧

大部分院校的实验内容多为单一学科的验证性实验，这些实验内容几乎都缺乏学生自主发挥的环节，实验内容僵化，实验方法单一。目前，数字电子技术实验大部分课程设计的内容和方法以及实践环节都跟不上新时代的步伐。可编程技术快速发展，已经将数千万个晶体管组成的、成百上千个各种类型的逻辑单元电路继承于一片PLD中。用这些基本单元电路足以组成一个十分复杂的数字系统，构成所谓的“片上系统”。针对数字电子技术实验，虽然部分高校引入了FPGA的教学实验环节，但有些院校只不过是在实验课程里添加了为数不多的几个学时的实验内容，不能让学生更全面更深入地学习掌握FPGA技术。

（三）设备老旧

大部分院校的数字电子技术实验的设备采用实验箱，一般体积大，质量也比较大，不易便携，直接限制了学生做实验的空间。

二、线上实验教学的确定

（一）实验教学目标的确定

数字电子技术实验是高等工科院校中电气信息类及相关专业的一门主要实验课程，是一门培养学生电子技术基本技能的实验教学课程，是学生学习后续专业课程的基础，在培养学生数字电子电路系统的综合分析能力、综合设计能力等方面占有重要的地位。在人才培养上，数字电子技术实验课程目标的设置，要满足具有可持续竞争力的创新型专业人才发展和培养需求。

借着这个不能线下教学的契机，凭借先进的信息化教学辅助手段，决定大胆尝试进行一次学习模式与教学模式的创新探索。给学生提供一个开放的、便捷的学习互动平台，在课前课中课后与学生保持随时的互动引导，设计与学习内容具有差异性的教学内容，将线上学习内容在同学们线下的实验操作过程中进一步延伸和强化，以学生为中心、以教师为引导，充分提高数字电子技术实验的趣味性，提高学生的学习积极性与主动性；紧跟时代发展的步伐，满足“新工科”人才培养需求，使学生熟练使用EDA工具、FPGA和Xilinx Vivado软件，掌握数字电子电路的实验设计研究方法，培养学生数字电子技术的工程实践技能以及独立自主学习的能力、分析问题和解决问题的逻辑思维。

（二）教学策略和教学方法的确定

目前，我国高等教育正处于内涵发展、质量提升、改革攻坚的关键时期和全面提高人才培养能力、建设高等教育强国的关键阶段。贯彻“以学生为本”的教育理念，需要教学理念的更新以调动学生的学习积极性，尤其是激励其学习的主动性和创造性。在定制教学方案的过程中，充分围绕“以学生为中心、以教师为引导”的教学原则，以充分调动学生的学习积极性和主动性，高质量地完成实验教学。线上实验教学方案经过课程组教师的深思熟虑，保证对教学细节实时进行调整，最终确定如下。

第一，理论知识内容和实验项目的要求提前一周录播，上传到相应的数字电子技术实验QQ群文件中。学生可随时根据自己学习课程内容或线下实验过程中遇到的问题、疑惑、心得等在QQ群进行交流探讨，有助于学生充分利用自己的时间、空间去学习，线下设计完成实验项目。

第二，远程网上授课环节通过腾讯会议App进行。首先在线上课堂上针对课前学生反映的包括理论知识的学习和线下实验环节中的问题进行重点讲解。讲解过后要求以视频的形式，学生给教师展示实验成果，要求学生边展示边讲解自己的实验成果以及设计思路，最后根据学生各自不同的情况，教师提出针对性的实验问题，有助于学生带着问题通过自我分析自我解决后，更深刻更全面地掌握如何设计数字技术电路，使学生能够更主动专注于基于实验项目的学习。

第三，课前课中课后，教师会轮流守候在实验QQ群，以保证在实验教学的全过程中对学生随时提出的问题进行及时答疑、指导，同时无形中拉近与学生的距离，有助于消除学生对自主线下完成实验产生的焦虑感；并针对每一节实验课学生实验表现出的种种情况进行总结思考，适时调整学习录播内容，适时调整监督策略，达到对学生远程学习的有效监督。

第四，所有的实验项目通过Xilinx Vivado设计套件及其Artix-7FPGAEGO1实验板或仿真软件Multisim进行。由于目前PLD的应用已经相当普遍，数字系统的设计正在朝着速度快、容量大、体积小、质量轻的方向发展，传统的基于原理图和中小规模集成电路的设计方法，随着科技的快速发展，已经被EDA工具和FPGA所取代。故本次线上教学实验内容的实验操作平台的75%采用Xilinx Vivado设计套件及其Artix-7FPGAEGO1实验板，剩余的采用软件Multisim仿真实验平台。通过FPGAEGO1或Multisim仿真软件进行线下实验，切实摆脱了时间与空间的限制，更有助于提升实验教学质量和培养学生的动手实践操作能力。

（三）实验教学内容以项目为导向

将数字电子技术实验课程的学习和实际工程项目相结合，实现理论与实践的深度融合，以实验项目作为牵引和主线，让学生有目的、有深度、有方向地进行学习和实验。

录播教学环节当中，本着以学生为中心、以教师为引导的教学原则，教师以实验项目为牵引，为学生搭建理论知识框架，在教学上适当留白做到点到即止，培养学生自主学习、独立解决问题的能力，最大限度地培养学生的创新思维能力。

在实验项目的基本功能要求下，对实验内容设置了拓展功能环节，同学们可以根据自己的兴趣自主选择一个或几个拓展功能去完成，作为加分项体现到学生的实验成绩当中；在实验课程的后一部分中设计的实验项目以综合性和开放性为主，丰富教学内容，进一步有效地提升学生参与度和综合实验设计能力。

基于Multisim仿真软件设计，用逻辑门电路来实现数字逻辑电路的实验课项目，不仅能让学生很好地掌握EDA工具，又能够扎实地掌握电子技术基础知识，为将来设计性能优异、可靠性强、功能强大的复杂数字集成电路打下扎实的专业基础。

基于Xilinx Vivado设计套件以及FPGAEGO1实验板的实验项目，由浅入深、从简到难、由组合到时序到系统层层深入，能让学生稳稳地掌握FPGA的设计方法。由于Vivado的设计输入主要有原理图和硬件描述语言两种，学生可以根据自己的需求，选择基于IP核的设计方式或基于硬件描述语言的设计方式来实现一定功能的数字系统，极大地发挥学生的自主学习能力和创新能力。

学生独立设计实验、完成实验任务，充分发挥了学生的独立解决问题和创新能力，自主完成知识迁移，提升应用层面和创造层面教学目标的达成效果，并在此过程中培养学生的工程设计能力。

三、线上实验教学的特点

（一）提升实验的自由灵活度，拓宽实验的时间、空间，实现线上教学线下实验

面对停课不停学的实验教学考验，数字电子技术实验可以实现线上教学、学生线下实验的新型教学模式。由于FPGAEGO1实验板质量轻、体积小，便于携带，完全可以成为所谓的口袋实验，只需要在实验开课前将实验板邮寄到每一位学生的手中（做好管理记录），帮助学生安装好Vivado和Multisim软件。实验所采用的FPGAEGO1实验板便捷易管理，不占用实验室资源，大大减少了实验室的管理负担，同时解决了传统实验教学中集成电路芯片价格较高且采购困难的问题，使数字电子技术实验课程的学习紧跟科学的进步和数字电子技术的高速发展。

线下学生自主学习，进行数字电路系统的设计；线上，教师给予实验指导以及实验验收，这样在整个数字电子技术实验课程的学习过程当中，线下学生可以完全按照自己的时间选择合适的地点来自主灵活地进行学习。这样将传统的数字电子技术实验教学从教室的定点、定时转变为随时、随地可进行的移动式学习，具有可碎片化、不受时间空间限制、学习场景移动化的特点，能够充分发挥学生的学习自主性。数字电子技术实验课程教学实现开放的、自主学习的教学模式，对于提升实验教学效果，培养学生的自主学习能力和创新思维具有很大的可行性。

（二）以学生为本，以教师为引导

上课形式从教师教、学生学的教学模式转变为学生带着问题来做实验，发现问题后再询问教师，极大地提高了学生的自主学习能力和思考能力。

在整个实验教学过程当中，教师主要起到引导作用，仅提出对实验项目需要完成的功能，强调实验的注意事项，对学生提问的问题进行引导而不是正面给出答案，并对学生的实验提问一些关键性的问题，引发学生深入全面思考。

在整个实验环节，对实验项目的构思、策划、设计、调试、完成、总结完全由学生自主完成。实验课程设计了拓展环节，学生可以在原有数字系统功能的基础上增加实现自己想要的功能。整个实验教学变为以学生为主体的自主实验教学，有益于激发学生的学习兴趣，培养学生的综合实践能力，创造学生主动参与、探索创新的新型教学模式。

数字电子技术实验采用的“录播理论讲解+FPGA线下实战，辅以软件仿真”的线上教学线下实验有利于开放、自主学习的教学模式，对教师有更高的学术要求，需要教师不断地去提高自己的专业技术水平和教育教学水平。通过不断地更新、改进实验课程内容，涵盖基础性、综合性、探究性和创新性实验环节；做好对实验教学深度的横纵向拓展，将思政贯穿其中，从数字电子技术的专业知识上纵向加深，从而实现对科学、技术、工程知识在横、纵方向的交叉融合，更加符合新工科培养人才的要求；做好对学生实验的监管、实验验收工作，起到对学生的有效监督，使教师充分了解掌握学生的学习动态，对学生普遍掌握不充分的部分进行及时补充，并可对不同学生学习效果存在的差异进行针对性的指导，这样才能有效地提高数字电子技术实验的线上教学效果，激发学生的学习兴趣，培养学生动手操作的实践创新能力和逻辑思维能力，进而为学生专业综合能力提升、后续工程的应用以及取得更高层次的发展打下可靠坚实的基础。