基于MOOC平臺的數字邏輯實驗教學模式

朱正東+郭如意+田靖軒+劉向東

摘 要：分析當前數字邏輯實驗教學中存在的主要問題，在現有教學體系改革研究的基礎上，從優化教學資源、優化實驗教學環節、加強實驗過程控制與監督等方面出發，給出創新數字邏輯實驗教學的研究思路，提出基于MOOC的多方位數字邏輯實驗教學的創新教學模式。

關鍵詞：MOOC；實驗教學；數字邏輯；學習興趣；創新能力

文章編號：1672-5913（2017）07-0131-04

中圖分類號：G642

0 引 言

數字邏輯課程是電子信息類學科的專業基礎課，是一門實踐性很強的課程。對數字技術專業學生來說，它是必修的硬件基礎課，學懂該課程的內容才能打開數字技術的大門，為后續課程的理論教學和實踐教學打好基礎，并將受用終身。

1 數字邏輯實驗教學中存在的主要問題

當前，數字邏輯實驗教學主要存在以下問題。

1）實驗內容沒有創新。

國內大多數高校設計的實驗內容基本相同，長期沒有更新，如電子鐘、出租車計價器和交通燈等，學生在實驗過程中不主動學習，經常拷貝其他同學的答案，或在網上找答案。

2）實驗環境重復建設，實驗資源得不到充分利用。

大多數高校各專業針對數字邏輯實驗課程單獨設置環境，相互間缺少有效溝通，各實驗室常常在一個學期里僅使用二、三十個小時，重復建設相同的實驗環境造成了教學資源的極大浪費。

3）實驗平臺沒有創新，沒有考慮前導課程和后續課程的銜接，課程系統性不足。

計算機學科的課程內容具有很強的交叉性和相關性。在教學過程中，教師很難使學生對其前導課程完成的基礎能力做要求，也很難兼顧其后續課程的學習。由于課程銜接不夠充分，學生在實驗后很難扎實掌握學過的知識。

4）實驗教學模式及管理方式多種多樣，沒有博采眾長。

教學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，但近年來學生的創新能力并沒有明顯改善。當前國內主要的實驗模式有：傳統的封閉實驗室教學模式、開放實驗室教學模式、虛擬實驗室教學模式等，但這些模式都有不足之處。

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

2 創新數字邏輯實驗教學的研究思路

（1）研究有趣味性的實驗教學內容，實驗內容必須不斷更新。比如，教師與學生交流、探討有意思的實驗內容，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工具軟件設計各種規模的數字電子系統是目前工程師的設計潮流。通過EDA和CPLD/FPGA仿真器就能完成數字技術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性的基礎上做到統一[1]。

（3）研究新的管理模式、運行模式及相關制度。適當增加室外課程，培養學生發現問題的思維方式，激發其求知欲；創新能力來自堅持不懈的精神，其核心是創新思維。因此，如何通過建立科學的實驗教學管理模式和運行模式，培養學生的創新思維，是主要的研究方向。

（4）研究實驗室教師隊伍建設，研究如何配備高水平的數字邏輯實驗高技術人才。建立一支高水平的師資隊伍是開放實驗室的前提，嚴格規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。教師隊伍直接影響實驗教學的成效，因此，教師不僅要掌握先進數字技術，而且要具有計算機專業課程的系統性知識，掌握數字技術的發展方向。

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

3 MOOC數字邏輯實驗教學模式

針對實驗教學中存在的問題，相關研究已為計算機專業的創新實驗教學模式指明了方向，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，開放實驗室的建設與實踐尚無固定模式可循，各高校都在探索。因此，基于當今相關研究及現代教學MOOC平臺，建立一種數字邏輯創新實驗教學模式成為當務之急。

大型開放式在線課程MOOC（massive open online courses）是2012年美國頂尖大學創立的在線學習平臺。MOOC平臺的課程針對高等教育提供免費課程，有一套自己的學習和管理系統。我國積極響應世界潮流發展趨勢，也創立了自己的MOOC平臺。MOOC在國內各高校掀起了創新教學模式的熱潮，讓教育者重新構想高等教育[2-3]。如何進行大規模在線數字邏輯實驗是教育者面對的難題。為了避免重復建設和不必要的浪費，基于硬件實驗模式的研究，通過分析和比較，筆者給出一個思路：基于MOOC教學平臺，借鑒國內外的先進技術與經驗，探討和建立自己的創新實驗平臺和管理模式。

近年來，西安交通大學數字邏輯電路教學團隊，基于學校2014年與2015年度的教改項目，首先在學校的課程中心建立了數字邏輯電路MOOC課程，得到了本校學生的積極響應，數字邏輯電路課程的點擊率多年來一直保持在學校所有課程的前十名。基于該平臺，在2015年的教學過程中，我們嘗試對在校學生采用線上線下混合教學方式，發現教學效果明顯提高，該課程學生對教師的評價從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教學的成效，在2016年的教學過程中沒有使用線上線下混合教學方式，學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聯盟列為首批建設課程，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平臺重新建立了數字邏輯電路MOOC教學課程，并把數字邏輯實驗的相關內容融入其中，開啟了創新數字邏輯實驗教學的新模式。

這種數字邏輯實驗教學模式是基于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，并按照實驗要求設計、模擬、仿真實現實驗內容。傳統實驗項目移植至MOOC平臺后，可能會存在兼容性問題，需要適當調整實驗內容以適應虛擬實驗環境和MOOC平臺。在該平臺，學生主要完成以下實驗任務：

（1）通過在線方式完成基礎知識的學習，了解實驗室的規章制度。

（2）預習實驗過程，熟悉實驗操作規范和常見故障檢查方法。

（3）掌握數字集成電路的特點和使用須知。

（4）學習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）模擬實驗結果。

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

口袋實驗室為數字邏輯電路實驗提供了多樣化的實驗實體環境。為了幫助學生在硬件課程實驗中找到相應的實驗設備，西安交通大學電子與信息工程學院為本院每位學生購買了Xilinx公司提供的支持在線實驗的硬件設備——口袋大小的Zynq系列實驗板。在校學生可以到實驗室實驗，也可以與非在校學生一樣利用口袋實驗室在本地根據實驗要求完成實驗內容。學生自己搭建實驗環境，配置相關實驗硬件設備參數，實驗完成后根據在線實驗指導自行檢驗實驗結果，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，還可在互聯網上免費下載和使用。

開放實驗室是在實體實驗室的基礎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，學生通過MOOC平臺申請實驗時間，教師根據學生的要求安排實驗時間及時間長度。通過MOOC平臺上的互動實現教學資源的合理安排和使用，使教師和學生實驗時間更靈活，達到節約實驗資源的目的。開放實驗室是虛擬實驗室、口袋實驗室的補充，還可用于教師對學生進行的現場考核。

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

MOOC平臺適合大規模在線實驗，并能很好地適應各種課程的各種實驗方案[4]。教師必須進一步加強學生的管理，考核必須更加嚴格。實驗的平時考核在線進行，作為平時成績；在MOOC教學實驗平臺上學習的基礎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控方式進行。課程教學團隊制定了一套嚴格完善的管理制度，考試過程中不允許討論；學生要在規定時間內在實驗室完成要求的內容和實驗報告；實行答辯機制；還可以通過學生講解、演示，教師提問、學生回答的方式進行線下考核。

通過使用這種新的教學模式，教師在MOOC平臺中開放相關實驗課程內容，學生自主學習實驗的相關知識，并隨時在MOOC平臺上查詢知識；學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；學生在虛擬實驗室進行虛擬仿真，并將最終結果提交給教師。教師在MOOC平臺為學生提供問答渠道，學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 語

計算機課程硬件實驗作為課程教學的一個重要組成部分，需要不斷創新和改革。國內各高校已經在在線實驗教學方面進行了很多有益的嘗試，西安交通大學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3種實驗模式的不足后，從創新性、管理模式、師資建設、考核制度等方面考慮，結合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”的多方位實驗教學模式。這種大規模在線實驗解決方案，使在線知識學習與相關實驗的同步進行，很好地解決了傳統實驗模式下的相關缺點。顯然，隨著MOOC的不斷改進與發展，大規模在線實驗也將作為 MOOC 的一個重要組成部分服務于高校實踐教育，隨時隨地提升學生的創新思維及動手能力，更好地服務于社會。

參考文獻：

[1] 陳妍， 王換招， 伍衛國， 等. 高等學校計算機硬件實驗教學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， 黃紀軍， 等. MOOC對我國大學課程教學改革的啟示[J]. 高等教育研究學報， 2012（12）： 7-9.

[4] 馬漢達. 基于MOOC的計算機硬件課程實驗教學研究[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探討[J]. 計算機教育， 2014（13）： 103-106.

（編輯：孫怡銘）