朱正東+郭如意+田靖軒+劉向東

摘 要：分析當(dāng)前數(shù)字邏輯實驗教學(xué)中存在的主要問題，在現(xiàn)有教學(xué)體系改革研究的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化教學(xué)資源、優(yōu)化實驗教學(xué)環(huán)節(jié)、加強實驗過程控制與監(jiān)督等方面出發(fā)，給出創(chuàng)新數(shù)字邏輯實驗教學(xué)的研究思路，提出基于MOOC的多方位數(shù)字邏輯實驗教學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：MOOC；實驗教學(xué)；數(shù)字邏輯；學(xué)習(xí)興趣；創(chuàng)新能力

文章編號：1672-5913（2017）07-0131-04

中圖分類號：G642

0 引 言

數(shù)字邏輯課程是電子信息類學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門實踐性很強的課程。對數(shù)字技術(shù)專業(yè)學(xué)生來說，它是必修的硬件基礎(chǔ)課，學(xué)懂該課程的內(nèi)容才能打開數(shù)字技術(shù)的大門，為后續(xù)課程的理論教學(xué)和實踐教學(xué)打好基礎(chǔ)，并將受用終身。

1 數(shù)字邏輯實驗教學(xué)中存在的主要問題

當(dāng)前，數(shù)字邏輯實驗教學(xué)主要存在以下問題。

1）實驗內(nèi)容沒有創(chuàng)新。

國內(nèi)大多數(shù)高校設(shè)計的實驗內(nèi)容基本相同，長期沒有更新，如電子鐘、出租車計價器和交通燈等，學(xué)生在實驗過程中不主動學(xué)習(xí)，經(jīng)?？截惼渌瑢W(xué)的答案，或在網(wǎng)上找答案。

2）實驗環(huán)境重復(fù)建設(shè)，實驗資源得不到充分利用。

大多數(shù)高校各專業(yè)針對數(shù)字邏輯實驗課程單獨設(shè)置環(huán)境，相互間缺少有效溝通，各實驗室常常在一個學(xué)期里僅使用二、三十個小時，重復(fù)建設(shè)相同的實驗環(huán)境造成了教學(xué)資源的極大浪費。

3）實驗平臺沒有創(chuàng)新，沒有考慮前導(dǎo)課程和后續(xù)課程的銜接，課程系統(tǒng)性不足。

計算機學(xué)科的課程內(nèi)容具有很強的交叉性和相關(guān)性。在教學(xué)過程中，教師很難使學(xué)生對其前導(dǎo)課程完成的基礎(chǔ)能力做要求，也很難兼顧其后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。由于課程銜接不夠充分，學(xué)生在實驗后很難扎實掌握學(xué)過的知識。

4）實驗教學(xué)模式及管理方式多種多樣，沒有博采眾長。

教學(xué)模式的研究層出不窮，雖然眾多研究在理論和實踐上都付出了諸多努力，但近年來學(xué)生的創(chuàng)新能力并沒有明顯改善。當(dāng)前國內(nèi)主要的實驗?zāi)Ｊ接校簜鹘y(tǒng)的封閉實驗室教學(xué)模式、開放實驗室教學(xué)模式、虛擬實驗室教學(xué)模式等，但這些模式都有不足之處。

使用封閉實驗室，學(xué)生在實驗室花費很多時間進行設(shè)計，實際動手時間很少，占用實驗資源時間較長，學(xué)生不能充分、靈活利用時間。使用開放實驗室，存在儀器損壞率高、指導(dǎo)教師力量不足、實驗經(jīng)費不足等問題，也存在學(xué)生主動性不夠的問題；利用虛擬實驗室，學(xué)習(xí)缺少監(jiān)管，學(xué)生主動性不夠，遇到問題也不能得到教師的及時指點。這3類硬件實驗教學(xué)模式均存在較嚴(yán)重的問題。

2 創(chuàng)新數(shù)字邏輯實驗教學(xué)的研究思路

（1）研究有趣味性的實驗教學(xué)內(nèi)容，實驗內(nèi)容必須不斷更新。比如，教師與學(xué)生交流、探討有意思的實驗內(nèi)容，共同確定實驗題目。

（2）研究、使用新的實驗平臺。實際上，通過EDA工具軟件設(shè)計各種規(guī)模的數(shù)字電子系統(tǒng)是目前工程師的設(shè)計潮流。通過EDA和CPLD/FPGA仿真器就能完成數(shù)字技術(shù)硬件課程的各類實驗，硬件課程實驗平臺完全能夠在考慮系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上做到統(tǒng)一[1]。

（3）研究新的管理模式、運行模式及相關(guān)制度。適當(dāng)增加室外課程，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的思維方式，激發(fā)其求知欲；創(chuàng)新能力來自堅持不懈的精神，其核心是創(chuàng)新思維。因此，如何通過建立科學(xué)的實驗教學(xué)管理模式和運行模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，是主要的研究方向。

（4）研究實驗室教師隊伍建設(shè)，研究如何配備高水平的數(shù)字邏輯實驗高技術(shù)人才。建立一支高水平的師資隊伍是開放實驗室的前提，嚴(yán)格規(guī)范的管理是開放的必要條件，良好的實驗室硬件是開放的基礎(chǔ)。教師隊伍直接影響實驗教學(xué)的成效，因此，教師不僅要掌握先進數(shù)字技術(shù)，而且要具有計算機專業(yè)課程的系統(tǒng)性知識，掌握數(shù)字技術(shù)的發(fā)展方向。

（5）研究創(chuàng)新實驗教學(xué)的考核機制。在MOOC教學(xué)實驗平臺上，通過在線回答問題的方式對學(xué)生進行考核。綜合設(shè)計實驗需要單獨進行面對面考核，或以答辯方式考核。

3 MOOC數(shù)字邏輯實驗教學(xué)模式

針對實驗教學(xué)中存在的問題，相關(guān)研究已為計算機專業(yè)的創(chuàng)新實驗教學(xué)模式指明了方向，但要真正實施這些方式，還需要深入研究具體內(nèi)容，探討行之有效的方法。比如，由于多種因素的影響，開放實驗室的建設(shè)與實踐尚無固定模式可循，各高校都在探索。因此，基于當(dāng)今相關(guān)研究及現(xiàn)代教學(xué)MOOC平臺，建立一種數(shù)字邏輯創(chuàng)新實驗教學(xué)模式成為當(dāng)務(wù)之急。

大型開放式在線課程MOOC（massive open online courses）是2012年美國頂尖大學(xué)創(chuàng)立的在線學(xué)習(xí)平臺。MOOC平臺的課程針對高等教育提供免費課程，有一套自己的學(xué)習(xí)和管理系統(tǒng)。我國積極響應(yīng)世界潮流發(fā)展趨勢，也創(chuàng)立了自己的MOOC平臺。MOOC在國內(nèi)各高校掀起了創(chuàng)新教學(xué)模式的熱潮，讓教育者重新構(gòu)想高等教育[2-3]。如何進行大規(guī)模在線數(shù)字邏輯實驗是教育者面對的難題。為了避免重復(fù)建設(shè)和不必要的浪費，基于硬件實驗?zāi)Ｊ降难芯?，通過分析和比較，筆者給出一個思路：基于MOOC教學(xué)平臺，借鑒國內(nèi)外的先進技術(shù)與經(jīng)驗，探討和建立自己的創(chuàng)新實驗平臺和管理模式。

近年來，西安交通大學(xué)數(shù)字邏輯電路教學(xué)團隊，基于學(xué)校2014年與2015年度的教改項目，首先在學(xué)校的課程中心建立了數(shù)字邏輯電路MOOC課程，得到了本校學(xué)生的積極響應(yīng)，數(shù)字邏輯電路課程的點擊率多年來一直保持在學(xué)校所有課程的前十名?；谠撈脚_，在2015年的教學(xué)過程中，我們嘗試對在校學(xué)生采用線上線下混合教學(xué)方式，發(fā)現(xiàn)教學(xué)效果明顯提高，該課程學(xué)生對教師的評價從2013年的87.74分、2014年的88.15分提升到93.49分。為了真正了解MOOC教學(xué)的成效，在2016年的教學(xué)過程中沒有使用線上線下混合教學(xué)方式，學(xué)生對教師的評價又降到了87.33分。在2015年底，該課程被中國高校計算機MOOC聯(lián)盟列為首批建設(shè)課程，2016年度，本課程組在智慧樹工作人員的積極配合和支持下，在智慧樹MOOC平臺重新建立了數(shù)字邏輯電路MOOC教學(xué)課程，并把數(shù)字邏輯實驗的相關(guān)內(nèi)容融入其中，開啟了創(chuàng)新數(shù)字邏輯實驗教學(xué)的新模式。

這種數(shù)字邏輯實驗教學(xué)模式是基于MOOC的虛擬實驗室、口袋實驗室、開放實驗室等的多方位實驗教學(xué)模式，見圖1。

虛擬實驗室通過MOOC平臺連接虛擬機，在虛擬機中運行實驗配套軟件，并按照實驗要求設(shè)計、模擬、仿真實現(xiàn)實驗內(nèi)容。傳統(tǒng)實驗項目移植至MOOC平臺后，可能會存在兼容性問題，需要適當(dāng)調(diào)整實驗內(nèi)容以適應(yīng)虛擬實驗環(huán)境和MOOC平臺。在該平臺，學(xué)生主要完成以下實驗任務(wù)：

（1）通過在線方式完成基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，了解實驗室的規(guī)章制度。

（2）預(yù)習(xí)實驗過程，熟悉實驗操作規(guī)范和常見故障檢查方法。

（3）掌握數(shù)字集成電路的特點和使用須知。

（4）學(xué)習(xí)實驗中使用的硬件描述語言VHDL等。

（5）熟悉實驗工具，如VIVADO、QUANTUS軟件。

（6）模擬實驗結(jié)果。

學(xué)生通過在線方式完成理論內(nèi)容的學(xué)習(xí)，也可以進行模擬實驗，在本地根據(jù)實驗要求完成實驗內(nèi)容。模擬實驗的結(jié)果是模擬出來的，可以使用軟件直接檢驗實驗結(jié)果是否正確，從而達到在線自動評測的目的，這也為大規(guī)模在線課程實驗教學(xué)提供了便利。

口袋實驗室為數(shù)字邏輯電路實驗提供了多樣化的實驗實體環(huán)境。為了幫助學(xué)生在硬件課程實驗中找到相應(yīng)的實驗設(shè)備，西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院為本院每位學(xué)生購買了Xilinx公司提供的支持在線實驗的硬件設(shè)備——口袋大小的Zynq系列實驗板。在校學(xué)生可以到實驗室實驗，也可以與非在校學(xué)生一樣利用口袋實驗室在本地根據(jù)實驗要求完成實驗內(nèi)容。學(xué)生自己搭建實驗環(huán)境，配置相關(guān)實驗硬件設(shè)備參數(shù)，實驗完成后根據(jù)在線實驗指導(dǎo)自行檢驗實驗結(jié)果，并對實驗進行改進。該軟件既可以安裝在MOOC平臺的虛擬機中，也可以安裝在本地機器上，還可在互聯(lián)網(wǎng)上免費下載和使用。

開放實驗室是在實體實驗室的基礎(chǔ)上靈活安排實驗教師、實驗時間的一種實驗方式。該方式將實驗室定時開放，學(xué)生通過MOOC平臺申請實驗時間，教師根據(jù)學(xué)生的要求安排實驗時間及時間長度。通過MOOC平臺上的互動實現(xiàn)教學(xué)資源的合理安排和使用，使教師和學(xué)生實驗時間更靈活，達到節(jié)約實驗資源的目的。開放實驗室是虛擬實驗室、口袋實驗室的補充，還可用于教師對學(xué)生進行的現(xiàn)場考核。

總之，基于MOOC平臺的多方位實驗教學(xué)是基于一種遠程虛擬實驗平臺的教學(xué)方式，為學(xué)生提供了多點接入實驗平臺的環(huán)境，極大地便利了學(xué)生。實驗雖然允許相互討論，但必須嚴(yán)格完成合格、規(guī)范的實驗報告。學(xué)生所需的實驗設(shè)備并不多，且由于實驗結(jié)果由軟件采集，實驗檢查也可以在線完成，并在線上傳實驗結(jié)果。通過遠程視頻監(jiān)控等方式，教師可以掌握學(xué)生的實驗進度，檢驗學(xué)生是否真正完成實驗內(nèi)容，很好地保證實驗課程的教學(xué)效果。

MOOC平臺適合大規(guī)模在線實驗，并能很好地適應(yīng)各種課程的各種實驗方案[4]。教師必須進一步加強學(xué)生的管理，考核必須更加嚴(yán)格。實驗的平時考核在線進行，作為平時成績；在MOOC教學(xué)實驗平臺上學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識和要求做的驗證性實驗，教師通過在線回答問題的方式進行考核；綜合設(shè)計實驗需要單獨面對面考核，或以答辯的方式進行。期末考核學(xué)生可以隨機選擇考核題目，靈活安排自己的時間，可在實驗室或以在線監(jiān)控方式進行。課程教學(xué)團隊制定了一套嚴(yán)格完善的管理制度，考試過程中不允許討論；學(xué)生要在規(guī)定時間內(nèi)在實驗室完成要求的內(nèi)容和實驗報告；實行答辯機制；還可以通過學(xué)生講解、演示，教師提問、學(xué)生回答的方式進行線下考核。

通過使用這種新的教學(xué)模式，教師在MOOC平臺中開放相關(guān)實驗課程內(nèi)容，學(xué)生自主學(xué)習(xí)實驗的相關(guān)知識，并隨時在MOOC平臺上查詢知識；學(xué)生通過口袋實驗室隨時實驗，不受時間地點限制，靈活安排實驗時間；學(xué)生在虛擬實驗室進行虛擬仿真，并將最終結(jié)果提交給教師。教師在MOOC平臺為學(xué)生提供問答渠道，學(xué)生在實驗過程中遇見問題可隨時與教師交互。最后由教師自行組織在線測驗或線下答辯，并通過MOOC平臺統(tǒng)一通知安排，方便快捷。

基于MOOC平臺的“虛擬實驗室+口袋實驗室+開放實驗室”的實驗教學(xué)模式解決了在線課程無法進行實驗的困難，達到與真實硬件實驗一樣的效果，能在一定程度上解決“三類硬件實驗”存在的主要問題[5]。

4 結(jié) 語

計算機課程硬件實驗作為課程教學(xué)的一個重要組成部分，需要不斷創(chuàng)新和改革。國內(nèi)各高校已經(jīng)在在線實驗教學(xué)方面進行了很多有益的嘗試，西安交通大學(xué)也取得了一定的成果，但還有很多需要完善的地方。

筆者在詳細分析傳統(tǒng)3種實驗?zāi)Ｊ降牟蛔愫螅瑥膭?chuàng)新性、管理模式、師資建設(shè)、考核制度等方面考慮，結(jié)合MOOC平臺提出了一種基于MOOC平臺的“虛擬實驗室+口袋實驗室+開放實驗室”的多方位實驗教學(xué)模式。這種大規(guī)模在線實驗解決方案，使在線知識學(xué)習(xí)與相關(guān)實驗的同步進行，很好地解決了傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ较碌南嚓P(guān)缺點。顯然，隨著MOOC的不斷改進與發(fā)展，大規(guī)模在線實驗也將作為 MOOC 的一個重要組成部分服務(wù)于高校實踐教育，隨時隨地提升學(xué)生的創(chuàng)新思維及動手能力，更好地服務(wù)于社會。

參考文獻：

[1] 陳妍， 王換招， 伍衛(wèi)國， 等. 高等學(xué)校計算機硬件實驗教學(xué)體系改革研究與探討[J]. Computer Education， 2008（8）： 125-127.

[2] 伍民友， 過敏意. 論MOOC及未來教育趨勢[J]. 計算機教育， 2013（20）： 5-8.

[3] 劉繼斌， 趙曉宇， 黃紀(jì)軍， 等. MOOC對我國大學(xué)課程教學(xué)改革的啟示[J]. 高等教育研究學(xué)報， 2012（12）： 7-9.

[4] 馬漢達. 基于MOOC的計算機硬件課程實驗教學(xué)研究[J]. 計算機教育， 2015（13）： 9-11.

[5] 李山山， 陳永強， 劉敬晗， 等. MOOC時代下的計算機實驗教學(xué)探討[J]. 計算機教育， 2014（13）： 103-106.

（編輯：孫怡銘）