許 輝，任愛鋒，劉潔怡

（西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西 西安 710071）

實驗課程是人才培養(yǎng)的核心要素，加強課程質(zhì)量建設(shè)，是提高工程類專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量，促進高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的重要舉措。淘汰“水課”，打造有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”，無疑是強化本科教育的核心所在[1]。線上線下混合式課程是傳統(tǒng)課堂教學(xué)的顛覆性改革。這種模式把課堂教學(xué)內(nèi)容搬到課堂外，由學(xué)生自主進行學(xué)習(xí)，到課堂上再進行討論和實踐，最大化地提升課堂互動的效率。

在高校的課程設(shè)置中，實驗作為一種形成科學(xué)概念、認(rèn)識科學(xué)規(guī)律、掌握科學(xué)方法的教學(xué)手段，已經(jīng)成為本科教學(xué)中不可或缺的重要部分[2]，其集知識體系與操作應(yīng)用于一體，是培養(yǎng)工科專業(yè)學(xué)生工程實踐能力、工程研究能力和提升綜合能力的關(guān)鍵教育環(huán)節(jié)[3]。

西安電子科技大學(xué)的“數(shù)字邏輯與微處理器實驗”課程是面向電子工程類專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)實驗課。課程改革已完成三屆教學(xué)任務(wù)（每年秋季學(xué)期），在此期間，基于新工科背景的理念研究，改進了課程的教學(xué)方法，建設(shè)了教學(xué)資源、實驗內(nèi)容，改變了實驗過程和考核評價，構(gòu)建了“線上+線下”混合式的電子工程技術(shù)實驗教學(xué)體系，提高了實驗課程的高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度，為本校培養(yǎng)能夠適應(yīng)新形勢和未來變化的工程應(yīng)用型復(fù)合人才打下了基礎(chǔ)。

1 實驗教學(xué)模式改革的新思路

“數(shù)字邏輯與微處理器實驗”是“數(shù)字邏輯與微處理器”課程的后續(xù)實驗課，課程的教學(xué)目標(biāo)是在學(xué)生掌握理論課程知識點的基礎(chǔ)上，通過實驗項目設(shè)計與調(diào)試，掌握現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法，掌握微處理器編程技術(shù)，提升應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計工具解決復(fù)雜工程問題的能力。教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為3 個層次。知識目標(biāo)：掌握EDA 開發(fā)工具和硬件描述語言（HDL）設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的方法，掌握FPGA 開發(fā)和電子線路設(shè)計等工程應(yīng)用方面的知識。能力目標(biāo)：運用所學(xué)EDA 技術(shù)FPGA 開發(fā)方法解決復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計問題，以RISC-V 嵌入式IP 處理器為核心，讓學(xué)生掌握微處理器的編程方法、外設(shè)及接口的控制方法。創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)目標(biāo)：激發(fā)學(xué)生的求知欲，提高其創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力，鼓勵學(xué)生不斷追求新技術(shù)，以解決現(xiàn)實工程問題和滿足市場需求。

課程團隊針對傳統(tǒng)教學(xué)的不足，總結(jié)出實驗教學(xué)的5個痛點問題：采用傳統(tǒng)實驗教學(xué)，教學(xué)理念滯后，促教育人不足；知識點不明晰，內(nèi)容重復(fù)陳舊；實驗過程缺乏系統(tǒng)性思維訓(xùn)練，綜合性與實踐性不足；實驗案例不豐富，項目設(shè)計擴展層次提升不高，無法激勵學(xué)生的創(chuàng)新思維；課程考評方式單一，時效反饋不足。

基于上述問題，課程組對課程進行重構(gòu)時遵循“以學(xué)生為中心、以能力為根本”的理念制訂培養(yǎng)目標(biāo)，讓學(xué)生能夠得到多方面的訓(xùn)練和鍛煉[4]。教學(xué)改革針對教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、資源、方式、考核等多個方面進行不斷探索實踐，提出以案例為導(dǎo)向的知識整合—思維培養(yǎng)—動手實踐—提高創(chuàng)新的線上線下混合式的實驗教學(xué)模式。

2 實驗課程混合式教學(xué)設(shè)計

2.1 課程數(shù)字資源建設(shè)

從OBE 教學(xué)理念中的反向設(shè)計原則出發(fā)重新構(gòu)建課程資源[5]。完善充足的實驗設(shè)備、線上線下可獲取的實驗資源、從基礎(chǔ)到綜合的實驗內(nèi)容等是電子工程專業(yè)實驗課程資源建設(shè)的重點，因此，針對數(shù)字邏輯與微處理器實驗課程特點，在課程資源獲取和建設(shè)方面進行了拓展改革。

多元化建設(shè)更新課程資源。①傳統(tǒng)方式建設(shè)課程資源：通過搜集書籍、期刊、網(wǎng)絡(luò)、視頻等方式獲取新穎的實驗方案建設(shè)課程資源。②科教融合更新課程資源：教師將科研項目中的新技術(shù)改造成為適合學(xué)生的實驗，以此主動反哺充實實驗教學(xué)資源。③產(chǎn)教融合共建課程資源：西安電子科技大學(xué)（以下簡稱“我校”）與多個國內(nèi)知名企業(yè)，如易靈思、紫光同創(chuàng)、高云等企業(yè)，建立了合作關(guān)系，聯(lián)合這些企業(yè)產(chǎn)學(xué)合作共建課程資源。

形成線上線下教學(xué)互動生態(tài)圈。傳統(tǒng)的驗證性實驗不再適用于現(xiàn)代電子工程專業(yè)實驗，實驗教學(xué)活動不應(yīng)只局限于課堂，而應(yīng)從線上、線下不同時間和空間上進行擴展。我校利用“學(xué)在西電”、MOOC 等線上學(xué)習(xí)平臺打造了教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的線上互動場景，將知識的吸收與應(yīng)用相貫通，實現(xiàn)啟發(fā)性教學(xué)與實用性教學(xué)的同步，從而靈活地拓寬學(xué)習(xí)維度。

學(xué)生參加學(xué)科競賽獲取創(chuàng)意補充教學(xué)。教師在指導(dǎo)學(xué)生參加全國FPGA 設(shè)計大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、“挑戰(zhàn)杯”競賽等學(xué)科競賽的過程中，一方面通過學(xué)科競賽拓展了學(xué)生的知識面和應(yīng)用能力，增強了學(xué)生的實踐動手能力，進而全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，另一方面通過競賽可以了解教學(xué)中的不足去修正教學(xué)內(nèi)容和方法，也能夠通過競賽吸收學(xué)生的新創(chuàng)意、新方案并融入教學(xué)資源中。

2.2 實驗內(nèi)容建設(shè)

實驗教學(xué)是課程教學(xué)的重要組成部分，其不僅是對理論知識的驗證，更重要的是對于學(xué)生實驗操作技能的訓(xùn)練和能力的培養(yǎng)，是實現(xiàn)學(xué)生動手操作能力提升和創(chuàng)新精神培養(yǎng)的重要途徑?！皵?shù)字邏輯與微處理器實驗”是理論課程的延續(xù)，理論課將傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路與微處理器融合到一起構(gòu)成現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)，本實驗課程順應(yīng)課程改革，將傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實驗和微機實驗進行融合，新實驗以數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計為目標(biāo)，經(jīng)過理論分解、目標(biāo)劃分、任務(wù)分解、能力提升等研究，提出構(gòu)建了對應(yīng)的實驗內(nèi)容分層遞進體系，通過基本仿真實驗、基礎(chǔ)驗證實驗打下基礎(chǔ)，通過綜合設(shè)計實驗提高應(yīng)用綜合能力，通過擴展設(shè)計實驗提高創(chuàng)新能力。

2.2.1 基本仿真實驗

基本仿真實驗在課前完成。為了適應(yīng)電子信息技術(shù)的發(fā)展，要求學(xué)生觀看視頻學(xué)習(xí)實驗原理、vhdl或verilog硬件描述語言、安裝Efinity EDA 軟件、ModelSim 仿真軟件、GTKwave調(diào)試軟件，并完成預(yù)習(xí)任務(wù)；引導(dǎo)學(xué)生熟悉課堂實驗教學(xué)內(nèi)容，完成如計數(shù)器、譯碼器、序列信號產(chǎn)生器等基本邏輯電路的編寫、仿真、驗證與測試，在線提交實驗結(jié)果。

2.2.2 基礎(chǔ)驗證實驗

基礎(chǔ)驗證實驗在線上和實驗室共同完成。學(xué)生先在線上預(yù)習(xí)完成測試和基本仿真實驗，教師在線批閱測試和仿真實驗結(jié)果，并發(fā)布指導(dǎo)建議。學(xué)生進入實驗室后，教師重點講解實驗注意事項、背景、知識點和可能遇到的難點。學(xué)生在熟悉實驗設(shè)備和軟件使用的基礎(chǔ)上，獨立完成分頻、發(fā)光二極管數(shù)碼管顯示、撥動開關(guān)按鍵開關(guān)輸入識別等基礎(chǔ)實驗任務(wù)，學(xué)習(xí)利用調(diào)試軟件的采集數(shù)據(jù)與波形，初步建立解決遇到的工程問題的思路和方案。

2.2.3 綜合設(shè)計實驗

綜合設(shè)計實驗在課外與實驗室完成，是從基礎(chǔ)到綜合應(yīng)用能力提升的關(guān)鍵。每個實驗項目都由基礎(chǔ)實驗的幾個模塊集合實現(xiàn)，內(nèi)容多樣并貼近現(xiàn)實，如RISC―V 流水燈、數(shù)字時鐘、交通燈、出租計費器、自動收貨機等十幾個項目，可提供給學(xué)生更多的選擇。實驗要求學(xué)生線上查找相關(guān)資料、自主設(shè)計系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)方案、層次化設(shè)計模塊并編寫各模塊程序、進行功能仿真驗證、軟硬件聯(lián)合調(diào)試、實現(xiàn)所要求的基本功能、現(xiàn)場提交驗收并回答教師的提問。綜合實驗讓學(xué)生在解決實驗過程中遇到的復(fù)雜問題、困難或者挑戰(zhàn)的經(jīng)歷和體驗中習(xí)得新知識、獲取新技能，提高創(chuàng)新能力。

2.2.4 擴展設(shè)計實驗

在綜合設(shè)計實驗過程中，教師要不斷引導(dǎo)學(xué)生開闊眼界、腦力激蕩、創(chuàng)新思考，提出深化完善實驗的新功能，并通過獎勵機制激勵學(xué)生進行實現(xiàn)，學(xué)生自由結(jié)合組隊，在綜合設(shè)計基礎(chǔ)上自行提出創(chuàng)新性的設(shè)計思路和實現(xiàn)方案，完成擴展性的功能。擴展實驗為學(xué)生參加科技與實驗創(chuàng)新、學(xué)科競賽奠定了良好的實踐基礎(chǔ)。

2.3 多維度過程考核

課程考核方式是課程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，是檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要手段，也是評價課堂教學(xué)質(zhì)量的重要依據(jù)之一。通過不斷改革，課程組針對本課程構(gòu)建了一套混合教學(xué)模式的多維度過程性實驗考核評價體系，考核內(nèi)容由四部分構(gòu)成，分別是：①課前線上預(yù)習(xí)，完成實驗相關(guān)知識測試；②課前仿真實驗和課中基礎(chǔ)驗證實驗的過程考核，實驗結(jié)果上傳教學(xué)平臺；③綜合及擴展實驗由教師在線下進行功能和指標(biāo)驗收，學(xué)生現(xiàn)場回答設(shè)計調(diào)試等方面的問題，教師根據(jù)驗收結(jié)果和回答問題的準(zhǔn)確性給予成績，并上傳教學(xué)平臺；④課后學(xué)生上傳實驗報告，根據(jù)其選題目的、方案分析和比較、設(shè)計過程、發(fā)現(xiàn)和解決問題等多個方面給出實驗報告成績。每部分考核內(nèi)容和所占比例各自不同，考核注重實驗過程和學(xué)習(xí)能力，更加合理和客觀地評定成績，并及時動態(tài)反饋給學(xué)生，有利于持續(xù)改進實驗教學(xué)效果。

3 混合式實驗教學(xué)的實施

“數(shù)字邏輯與微處理器實驗”在教學(xué)實施過程中突出體現(xiàn)以學(xué)生為中心、教師主導(dǎo)、成果產(chǎn)出、持續(xù)改進的教學(xué)思想。實驗過程采用“線上+線下”混合教學(xué)模式完成，實驗內(nèi)容包含了“基本+綜合+擴展”三個部分，具體包括了線上基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、實驗準(zhǔn)備工作、各階段實驗、驗收評價等步驟，在此過程中，教師全程線上線下動態(tài)監(jiān)控，和學(xué)生構(gòu)成雙向反饋。

在每次實驗的開始，教師線上進行實驗任務(wù)的布置；學(xué)生在深入了解實驗項目后，設(shè)定任務(wù)要求和完成的具體功能，合理安排任務(wù)完成時間表；之后學(xué)生進入實驗室線下完成設(shè)計、調(diào)試和驗收。在設(shè)計階段，學(xué)生根據(jù)實驗所涉及的知識，按項目組討論并擬定實現(xiàn)方案，決定選擇的器件，及采用的開發(fā)工具及語言，各自完成設(shè)計任務(wù)，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)解答學(xué)生提出的各種問題。在綜合調(diào)試階段，學(xué)生將各自的軟硬件設(shè)計綜合起來調(diào)試，直至完成任務(wù)，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)和監(jiān)督進度。在驗收和總結(jié)階段，教師對每組的實驗成果進行驗收并做出總結(jié)；對特別優(yōu)秀的則組織安排其進行實驗方案、實現(xiàn)方法、遇到的實際問題和解決方法以及未來改進的方向等的介紹。在整個過程中，學(xué)生遇到問題可以線下線上發(fā)布，其他學(xué)生和教師都集思廣益參與討論，達到共同解決問題、共同提升的效果。

4 結(jié)語

本文從分析“數(shù)字邏輯與微處理器實驗”實驗教學(xué)現(xiàn)狀和痛點問題入手，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，探討了線上線下混合式實驗教學(xué)模式的改革與探索實施。在三年的教學(xué)實施過程中，通過不斷摸索，構(gòu)建了線上資源和考核評價機制，形成了基本仿真實驗、基礎(chǔ)驗證實驗、綜合設(shè)計與擴展設(shè)計實驗的多層遞進的實驗結(jié)構(gòu)。有效地提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和靈活應(yīng)用知識的能力，使學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力，能夠適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式的發(fā)展。