錢付蘭，高湘萍，王華彬

(安徽大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

計算機專業(yè)是實踐教學(xué)性強的專業(yè)，實驗教學(xué)的好壞，對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)等方面起著至關(guān)重要的作用[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及科學(xué)研究的進一步深入，虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)已經(jīng)從技術(shù)研究逐步走向?qū)嵺`的教學(xué)應(yīng)用中，2013年教育部發(fā)布建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的通知，更是推進了虛擬實驗教學(xué)的實踐與開展[2]。傳統(tǒng)的實驗課程也正面臨著新的改革。

1 現(xiàn)狀與背景分析

以安徽大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院為例，目前 “數(shù)字邏輯”實驗教學(xué)存在以下4個方面的問題。

1)學(xué)生被動接受，缺乏能動性。

教師主動教授，學(xué)生被動接受還是目前的實驗教學(xué)的主要實施形式，該形式不能充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性，更不能培養(yǎng)其探索和創(chuàng)造的能力[3]。由于實驗課時有限，原本要求學(xué)生設(shè)計的實驗內(nèi)容，常常教師直接就將設(shè)計結(jié)果給出，學(xué)生僅僅負責(zé)電路實現(xiàn)，無法達到目前新形勢下對學(xué)生計算機系統(tǒng)能力的基本培養(yǎng)目標(biāo)，更談不上進一步對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2)實驗過程中學(xué)生與教師間缺乏足夠的互動。

現(xiàn)有的實驗教學(xué)中，同時做同一實驗的學(xué)生很多，指導(dǎo)教師往往只有一個，由于課時和教學(xué)任務(wù)的限制，對學(xué)生的實驗情況往往只限于查看實驗結(jié)果，對每個學(xué)生具體操作上的問題很難達到有針對性地指導(dǎo)。學(xué)生在實驗過程中操作的不規(guī)范不易得到及時發(fā)現(xiàn)與指導(dǎo)，如果實驗結(jié)果不正確，不懂得如何進行有針對性的診斷，疑問得不到及時排解，長此以往，不利于學(xué)生知識的獲取和學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。

3)學(xué)生實驗?zāi)芰疾炖щy，難以有重復(fù)實驗的機會。

現(xiàn)有的實驗教學(xué)中，由于實驗的設(shè)備數(shù)量有限再加上設(shè)備損壞得不到及時維修，學(xué)生很難做到一人一臺設(shè)備，常見的情況是兩人或多人合用一臺設(shè)備。實際情況中學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度存在差異，合用的模型必然會造成某些組實驗可能基本由一人完成，其余學(xué)生不起作用或較少作用，不利于對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ目疾炫卸ê湍芰Φ恼w培養(yǎng)。

4)電子元件損壞嚴(yán)重，成本限制了很多復(fù)雜實驗無法進行。

現(xiàn)有的數(shù)字邏輯硬件實驗臺，要求學(xué)生按照實驗要求根據(jù)給定的有限的芯片進行邏輯設(shè)計，實驗結(jié)果用指示燈或數(shù)碼管顯示。實驗前期，教師需要花費大量的時間精力將實驗所用芯片逐一分類，以便實驗時分散下去；實驗過程中，芯片和工具箱由于各種原因很容易造成損壞，硬件元器件的損耗特別大，甚至由于沒有備用太多相關(guān)芯片導(dǎo)致實驗無法進行，基本一次實驗下來，芯片等元器件損失過半。學(xué)生手里的連線數(shù)量有限(一般為30根)，當(dāng)設(shè)計較復(fù)雜的電路需要多塊芯片和許多連線便無法完成。芯片和連線反復(fù)使用后，導(dǎo)致接觸不良，引腳損壞，檢查芯片的好壞和線路的通斷成為基本工作，占用了學(xué)生大量的實驗時間和學(xué)習(xí)精力，極大地影響了學(xué)習(xí)的積極性。有的學(xué)生早已在紙上設(shè)計好了電路，但是無法在工具箱上實現(xiàn)，時間不是耽誤在查錯上就是耽誤在等其他同學(xué)實驗做完再借用芯片導(dǎo)線的過程中，以至于明明有能力但卻無法在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗內(nèi)容。而這僅僅是日?；镜膶嶒炃闆r，對于一些較為復(fù)雜的實驗，因為需要更多的連線、芯片，成本因素和現(xiàn)有實驗條件的限制使其根本無法開展，更談不上對學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)。

硬件類課程因其實驗環(huán)境復(fù)雜，實驗不直觀，一直以來實驗教學(xué)的效果不佳，學(xué)生普遍反映不容易掌握學(xué)習(xí)。 “數(shù)字邏輯”作為計算機硬件類的基礎(chǔ)課程，對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)起到了奠基和入門的作用[4]。對該門課程的實驗教學(xué)的改進有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)硬件實驗課程的興趣，掌握進行硬件實驗的相關(guān)方法。以培養(yǎng)興趣為先導(dǎo)、積累實驗操作經(jīng)驗、開展綜合設(shè)計性實驗，才能夠全面理解和掌握課程。目前較多的硬件物理實驗平臺故障造成了大量低效率的工作，學(xué)生和教師的精力沒有得到有效的集中，效率得不到提高。在有效的學(xué)時內(nèi)提高效率，讓每個學(xué)生都能夠充分的動手實踐，對于 “數(shù)字邏輯”實驗的改革探索迫在眉睫[5]。為此，本文提出了建立 “數(shù)字邏輯”虛實結(jié)合分層實驗教學(xué)模式，以適應(yīng)當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有真實生動的優(yōu)勢，在電子類課程的實踐教學(xué)方面具有良好的示范、演示和操作特性。但是作為基礎(chǔ)硬件課程，也不能忽略真實實驗對學(xué)生電路認知、糾錯、查錯等方面的重要性。將虛擬實驗和真實實驗進行有效整合，對實驗項目按照內(nèi)容進行分層，構(gòu)建適合本課程實際的實驗教學(xué)體系，建立 “虛實結(jié)合、分層進階”的引導(dǎo)式、啟發(fā)探索式實驗教學(xué)模式；以網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)管理平臺為課下輔助，層次化地開展虛實結(jié)合實驗教學(xué)；建立更為合理的實驗考核體系，保障虛實結(jié)合實驗教學(xué)，實現(xiàn)對學(xué)生全面科學(xué)的教學(xué)評價。

2 虛實結(jié)合分層實驗教學(xué)模式的設(shè)計方案

“數(shù)字邏輯”虛實結(jié)合的分層實驗教學(xué)模式的主要目標(biāo)為提高該課程的實驗效率，優(yōu)化實驗教學(xué)效果，改進實驗教學(xué)模式，為學(xué)生提供操作性更好的虛實分層實驗教學(xué)環(huán)境資源，將學(xué)生從目前硬件糾錯查錯的困擾中解放出來，把師生的教學(xué)和學(xué)習(xí)重點放到對知識點的理解和對實驗的設(shè)計上來，培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力和自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)良好的硬件實驗?zāi)芰?，為后續(xù)硬件實驗課程奠定良好的實踐基礎(chǔ)。

“數(shù)字邏輯”虛實結(jié)合分層實驗教學(xué)模式的總體課程設(shè)計如圖1所示，考核模式如圖2所示。

圖2 “數(shù)字邏輯”虛實結(jié)合分層實驗教學(xué)模式考核方式設(shè)計

圖1、圖2主要需要解決的是虛擬實驗和真實實驗的有機結(jié)合、分層實驗?zāi)K設(shè)計、實驗考核方式優(yōu)化等問題，具體闡述如下。

2.1 虛擬實驗和真實實驗的有效結(jié)合

虛擬實驗教學(xué)利用計算機仿真，虛擬實現(xiàn)等技術(shù)對實驗教學(xué)內(nèi)容進行模擬，可以達到降低實驗教學(xué)成本，提供教學(xué)質(zhì)量的目的[6]。目前，很多高校嘗試將虛擬實現(xiàn)引入到實驗教學(xué)中來，通過引入虛擬實驗教學(xué)可以有效解決設(shè)備的高損耗同教學(xué)課時有限之間的矛盾，使實驗不受時間空間的限制。同時，允許學(xué)生在虛擬教學(xué)平臺上進行大量的DIY實踐，在提高教育質(zhì)量方面起著重要的作用[7]。但是虛擬實驗除了以上的優(yōu)點之外，也存在明顯的缺陷，使得在硬件實驗中不能完全依賴虛擬實驗。現(xiàn)有的虛擬實驗系統(tǒng)進行教學(xué)時，往往 “顧此失彼”，夸大虛擬實驗的作用，而忘記或回避了真實實驗在理工類實驗教學(xué)中的不可替代的地位[1]，具體到 “數(shù)字邏輯”課程實驗，學(xué)生不僅僅要掌握對指定功能線路的設(shè)計實現(xiàn)，對于實驗過程中錯誤的排查檢測、芯片引腳的功能認知和連線連接使用都是必須掌握的。虛擬實驗環(huán)境都是設(shè)計者利用編程語言開發(fā)出來的軟件模擬，完全取代真實實驗是不可能的。缺少了真實實驗的基礎(chǔ)，培養(yǎng)出來的學(xué)生只會紙上談兵，不具備真正的硬件操作技能。

目前，對于硬件類的實驗而言，設(shè)備的損耗維護和更新費用，實驗環(huán)節(jié)中設(shè)備的超負荷運行以及易損器件的高能耗非常突出，無論是連線、芯片等常見元器件損壞率，還是實驗工具箱等硬件設(shè)備報修頻率都說明了一個不容忽視的問題:有限的經(jīng)費和設(shè)備已經(jīng)無法適應(yīng)由于人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變所帶來的設(shè)備維護更新，尤其是易損器件高損耗帶來的經(jīng)費問題[8]。而課時緊張，場地使用時間、空間上的局限性也使得目前單純的真實實驗環(huán)境下的教學(xué)模式不適應(yīng)現(xiàn)有教學(xué)環(huán)境。

因而，將虛擬實驗和真實實驗環(huán)境有效結(jié)合，是改進 “數(shù)字邏輯”實驗教學(xué)的有效途徑[9]。將實驗內(nèi)容進行分層，基礎(chǔ)類的實驗指導(dǎo)學(xué)生在真實實驗環(huán)境中完成，突出訓(xùn)練學(xué)生對硬件實驗環(huán)境的認知，對實驗結(jié)果異常的排查檢測，常見實驗工具的掌握，引腳功能定義等方面的訓(xùn)練；而擴展性的實驗在虛擬實驗中完成，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣、訓(xùn)練創(chuàng)新能力。利用這種模式最大程度上對兩種實驗環(huán)境弱化劣勢，突出優(yōu)勢，達到有效結(jié)合，優(yōu)勢互補的目標(biāo)。

2.2 分層實驗?zāi)Ｊ降哪K設(shè)計

實驗教學(xué)模式的改革，首先需要做的是對實驗課程內(nèi)容的重新規(guī)劃設(shè)置，實驗教學(xué)改革的關(guān)鍵是對實驗內(nèi)容的改革。精選實驗內(nèi)容，減少驗證性實驗，加強綜合性實驗[8－9]，因而建立分層的實驗教學(xué)是較為理想的方案。這里將 “數(shù)字邏輯”實驗分成基礎(chǔ)性實驗和擴展性實驗2個部分，在不同的實驗類別中分別使用不同的虛實實驗平臺，建立虛實結(jié)合的多層次的實驗教學(xué)模式。

2.2.1 基礎(chǔ)性實驗

基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容主要為常用實驗儀器儀表的操作和使用，基本門電路、觸發(fā)器等的邏輯功能測試、小規(guī)模集成芯片的物理尺寸、引腳功能定義和簡單地運用等[10]。這一階段的教學(xué)任務(wù)主要是幫助學(xué)生熟悉硬件物理實驗平臺電路，認識基本電路器件，掌握基本的電路連接方法。這個階段，教師可以設(shè)置一些線路查錯的實驗內(nèi)容，要求學(xué)生可以使用萬用表等工具協(xié)同配合測試引腳功能，檢查電路通斷或是芯片好壞的狀況。讓學(xué)生對知識的理解從抽象理論過渡到直觀認識上來。這一部分的內(nèi)容為真實實驗平臺完成實驗內(nèi)容，主要側(cè)重于對硬件環(huán)境的認知上；課下可以安排學(xué)生在開放式虛擬實驗平臺進行相關(guān)預(yù)習(xí)，對虛擬實驗環(huán)境提前進行熟悉和了解。

2.2.2 小型邏輯電路實驗

小型邏輯電路實驗內(nèi)容主要包括組合邏輯電路 (如全加器、譯碼器等)、時序邏輯電路 (鎖存器、移位寄存器等)的應(yīng)用與設(shè)計[10]。每種電路選取一個較為簡單的相關(guān)實驗作為典型代表，安排在真實實驗平臺進行完成；另外安排若干相對復(fù)雜的設(shè)計性實驗在虛擬實驗平臺中完成。這樣既保證了對硬件實驗的基本了解與掌握，又在縱向上擴展了實驗內(nèi)容和難度，并由學(xué)生自主選擇一個設(shè)計最為合理的相對復(fù)雜的實驗在真實實驗平臺進行驗證，通過對簡單小規(guī)模基礎(chǔ)類實驗的學(xué)習(xí)，掌握實驗的基本原理和常規(guī)方法，并對學(xué)生進行引導(dǎo)，為難度大一些的綜合性設(shè)計類實驗做能力訓(xùn)練和鋪墊。

2.2.3 綜合性設(shè)計實驗

綜合性系統(tǒng)設(shè)計實驗內(nèi)容主要包括數(shù)字鐘、交通燈控制器、運算器、多功能指示燈設(shè)計等。以往單一的真實實驗教學(xué)模式下，這一類的實驗由于實驗經(jīng)費、實驗學(xué)時等條件的影響，根本無法開展。而利用虛擬實驗平臺，學(xué)生可以利用虛擬平臺中相關(guān)控件組件，對此類實驗進行設(shè)計。在這一階段，老師給出設(shè)計任務(wù)，實現(xiàn)方案開放式，學(xué)生可自行設(shè)計。這一階段以虛擬環(huán)境下綜合性項目設(shè)計為主，要求學(xué)生依據(jù)設(shè)計任務(wù)獨立設(shè)計，劃分功能模塊，鍛煉了學(xué)生設(shè)計復(fù)雜數(shù)字電路系統(tǒng)的能力。該虛擬實驗由學(xué)生在課下完成，課上教師組織學(xué)生進行實驗闡述、實驗演示、實驗分析并進行相關(guān)評比，給學(xué)生展示自我的機會，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及實驗參與的積極性。

2.2.4 創(chuàng)新型提高實驗

該階段主要針對學(xué)有余力的學(xué)生開展，要求學(xué)生完成系統(tǒng)電路的設(shè)計等一系列工作，提交規(guī)范完整的設(shè)計報告并對成果進行展示。該階段更為開放，學(xué)生可以自主命題，自由組隊來完成設(shè)計任務(wù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作，解決實際問題的能力。對于特別優(yōu)秀的團隊，教師可進一步引導(dǎo)，為其提供良好的平臺和環(huán)境，為進一步開展硬件類的相關(guān)研究與實驗提供優(yōu)秀人才保障。該實驗由學(xué)生在課下完成，課上教師組織優(yōu)秀團隊進行實驗成果展示。

通過建立虛實結(jié)合的分層教學(xué)模式，可以循序漸進地推進實驗進展，既可以滿足教學(xué)的基本要求，又可以因材施教，針對不同能力的學(xué)生進行訓(xùn)練培養(yǎng)，從而適應(yīng)不同層次的學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。由于部分實驗可以通過虛擬實驗平臺加以補充，在很大程度上降低了實驗成本、設(shè)備損耗率和實驗時間，提高了實驗效率，充分調(diào)動了學(xué)生做實驗的積極性、主動性和趣味性，更好地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。如圖1所示，給出了以安徽大學(xué)“數(shù)字邏輯”36學(xué)時的實驗教學(xué)為例的總體課程設(shè)計。

2.3 優(yōu)化實驗考核方式

課程的考試方式直接關(guān)系到學(xué)生的課業(yè)成績，因而是學(xué)生非常關(guān)注的問題，考核方式的合理設(shè)計不僅僅可以考察出設(shè)計的教學(xué)效果，對學(xué)生的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)重點也起到了導(dǎo)向和指導(dǎo)的作用。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)考核方式是以期末實驗考試和平時成績綜合得出學(xué)生的總評成績。在過去的單純硬件的實驗環(huán)境中，由于考核的分?jǐn)?shù)與能否得到正確的實驗結(jié)果直接相關(guān)，要么學(xué)生碰巧遇見損壞的芯片無法在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗，要么只愿意選做一些簡單保守的實驗而不去嘗試創(chuàng)新實驗以確保實驗可以完成，不利于教師對學(xué)生的考評打分，也不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這里為了突出對真實實驗環(huán)境下基礎(chǔ)實驗的重視，同時又鼓勵學(xué)生使用虛擬實驗平臺進行創(chuàng)新學(xué)習(xí)，可采用基礎(chǔ)考核和擴展考核相結(jié)合的方式。

2.3.1 基本考核

該項考核分?jǐn)?shù)占總體實驗分?jǐn)?shù)的80%。主要考核學(xué)生對教師必須要求完成的實驗的情況，其中包括真實實驗環(huán)境下的基礎(chǔ)性實驗和小型邏輯電路實驗階段，以及虛擬實驗階段的小型邏輯電路實驗階段的實驗。

2.3.2 擴展考核

該項考核分?jǐn)?shù)占總體實驗分?jǐn)?shù)的20%。主要針對虛擬實驗環(huán)境下的綜合性設(shè)計實驗階段和創(chuàng)新型提高實驗階段，其中綜合性設(shè)計實驗(占該考核的70%)學(xué)生必須參加，而創(chuàng)新型提高實驗(占該考核的30%)可由學(xué)生自行決定自主命題。評分主要從命題新穎性、難易程度、學(xué)生完成程度幾個方面考慮，擇優(yōu)與鼓勵相結(jié)合。

這種二級考核制度一方面防止了僅設(shè)置一次期末實驗考試所帶來的設(shè)備故障等不良因素導(dǎo)致的考核不全面的弊端，又引導(dǎo)學(xué)生在重視基礎(chǔ)知識掌握的同時，也需要注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。如圖2所示，給出了 “數(shù)字邏輯”虛實結(jié)合分層實驗教學(xué)模式考核方式設(shè)計。

3 結(jié)束語

隨著硬件實驗虛擬技術(shù)的不斷成熟與完善，如何有效利用虛擬技術(shù)，提高教師的硬件實驗教學(xué)效果和學(xué)生硬件實驗的學(xué)習(xí)效果，是目前硬件類實驗的一個問題。本教學(xué)模式的主要特色在于將虛擬實驗環(huán)境引入到 “數(shù)字邏輯”實驗教學(xué)中，通過對實驗內(nèi)容進行合理化地分層設(shè)計，在不同的層次的實驗內(nèi)容中進行虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式。通過 “虛實結(jié)合，分層進階”的形式，在知識的深度和廣度上對學(xué)生進行有效訓(xùn)練，并輔以合理的考核體系，培養(yǎng)并引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯實驗的興趣和自主學(xué)習(xí)能力，提高實際動手操作能力，為計算機類硬件實驗課程的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。該教學(xué)模式方案合理，可擴展性強，亦為其他硬件實驗的教學(xué)與學(xué)習(xí)提供了一定的參考和借鑒。

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