MOOC在數字電路實驗教學中的應用研究

劉小花 唐貴進 劉艷

摘 要： 為了培養學生的工程實踐創新能力及進一步提升數字電路實驗課程的教學質量，針對目前數字電路實驗教學中存在的問題，探討將傳統的實驗教學與MOOC結合起來。提出新的數字電路實驗教學模式和評價體系，并將其應用到實際教學中，使得MOOC能夠很好地輔助實驗教學，從而實現理論教學與實踐教學的有機融合。在實驗教學中，以學生為主體，教師作為輔助角色引導學生通過MOOC自主學習，能促進學生構建自己的知識體系，并有效培養其實踐創新能力。

關鍵詞： 慕課； 數字電路； 實驗教學； 自主學習

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）10-83-04

Abstract： In order to cultivate the students' creative ability in engineering practice and solve the existing problems in the experiment teaching of digital circuits， and further improve the teaching quality of digital circuits experiment courses， the combination of traditional experiment teaching methods with MOOC is discussed. And a new model of digital circuits experiment teaching and its evaluation system are proposed and applied to practice. This model regards MOOC as a good supplement to experiment teaching， and can well integrate theory teaching and experiment teaching. In the experiment teaching， taking students as a principal role and teachers as an auxiliary role to guide students' active learning by MOOC， can promote students to build their own knowledge system and effectively cultivate their innovative ability in practice.

Key words： MOOC； digital circuits； experiment teaching； active learning

0 引言

MOOC（Massive Open Online Course，大規模開放在線課程，簡稱“慕課”），起源于開放教育資源運動和連通主義思潮。美國麻省理工學院2002年面向全球學習者開放的OpenCourse是開放教育資源運動的標志性事件。2012年出現了三大最知名的MOOC平臺，分別是Coursera、Udacity和edx，稱為全球MOOC元年。之后MOOC迅速席卷全球。目前，國內較為知名的MOOC平臺有學堂在線、育網ewant、好大學在線、中國大學MOOC等[1]。MOOC憑借著推動教育信息化發展的諸多力量，迅速席卷全球，影響著人們的工作、學習與生活。MOOC在理論課教學以及實驗教學中被廣泛應用[2-5]。本文將具體討論其在數字電路實驗教學上的運用。

1 數字電路實驗教學的現狀

實驗教學是學生深入理解理論知識，提高動手能力與創新能力的重要環節，數字電路實驗使學生鞏固和加深對數字邏輯電路理論課程的理解，培養學生根據所學的理論，設計實驗電路、擬訂實驗方案、進行電路參數的測量。培養學生掌握數字邏輯電路、數字綜合電路和小型數字系統的設計、裝配、電路調測等工程設計方法。掌握電子設計自動化（EDA）開發軟件對數字邏輯電路進行分析與仿真。而數字電路實驗教學模式還存在一些問題。

⑴ 實驗課程內容單一，層次不分明，沒有考慮學生的水平差異性。學生的成績水平通常呈現正態分布，但是教學內容、教學方式的設計不能滿足所有學生的需求。特別是基礎較差的同學，實驗經常不能按時完成，這樣會挫傷其實踐學習的積極性，從而影響教學質量。

⑵ 實驗課程內容與理論課程內容脫節，經常出現學生在理論課沒有學到某個知識點而實驗課已經用到這知識點的現象。電子信息類實驗課程內容與理論課程內容具有較強的關聯性與交叉性。在實驗課教學過程中，教師很難對學生的理論基礎做要求，這就導致學生在實驗后也難以理解實驗內容的情況。

⑶ 雖然眾多研究對實驗教學模式進行多種嘗試，但學生的創新能力并沒有得到明顯的改善。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，但這些模式都存在一定的缺陷[6]。

⑷ 高校評定學生實驗成績的方法多以實驗報告的工整程度和實驗結果為主，忽視了學生實驗過程與創新思維的重要性。

2 運用MOOC優化實驗教學分析

2.1 MOOC融入實驗教學的意義

MOOC的發展給予了教育工作者在實驗教學改革方面新的思路。使用MOOC平臺主要有以下幾個方面的意義：一是為提高學生對于實驗課程的興趣，培養學生的自主學習能力，增加學習的交互性。MOOC上的實驗教學內容豐富而且免費，學生可以根據自己的興趣愛好自主選擇實驗項目，滿足學生的個性化需求，促進學生自主學習，同時學習過程中可給老師留言或相互討論。二是MOOC的每集課程視頻時長通常可劃分40-45min（網上公開課）、20-25min、5-10min（微課）等幾種。而每集視頻都有一個核心的主題，而不是傳統課程視頻內容的簡單剪輯[7]。MOOC短小精悍的特點使得MOOC很適合作為學生實驗課前對理論知識預習或復習過程，連接實驗內容與理論知識。

2.2 教學模式上的改革

將傳統的課堂教學與MOOC結合起來，教師通過各種教學資源的綜合利用，有效處理各種課時、知識點之間的相互關系，實現理論課程和實踐知識體系的有機融合[8]。將MOOC合理地運用到數字電路實驗中，改變了數字電路實驗教學模式。我們將簡單的課前預習、課上老師講解實驗步驟，然后學生按部就班完成實驗操作，最后老師驗收的教學模式變成課前學生主動獲取實驗及相關理論知識、課堂學生為中心列出設計方案老師補充知識點的教學模式，如圖1所示。

⑴ 課前知識預習

根據授課計劃表，老師每次實驗課前將每次實驗課需要完成的實驗預習內容做成文檔布置給學生，并將實驗涉及到的理論課的知識點以及實驗課操作的重要環節的MOOC資源提供給學生學習；這樣即使理論課上沒有吃透的知識點，學生通過MOOC進行學習，能自主地完成預習任務。在實驗教學中，預習是非常重要的，它直接影響課堂上的學習效率和實驗進度。

對基礎較弱的學生，可以分配預習學習小組，小組內同學相互交流，好的學生將帶領整個小組進行知識點的預習并完成實驗預習報告。

⑵ 課堂實驗教學

在課堂上，教學的主體是學生，課堂內學生上臺在黑板上板書并講解自己的實驗設計思想，老師根據學生預習報告及板書講解的內容了解學生的預習情況，并根據其預習情況，對學生普遍遇到的問題做一個統計講解，對知識點進行補充和串聯并強調實驗操作要點；學生在老師講解過程中，隨時提出自己的疑問及見解。

由于課前預習工作準備充分，對于一些設計實驗，要求學生在實驗預習時，預先設計出電路，再對實驗電路應用Multisim軟件進行仿真，因此在實驗操作過程中，學生能夠得心應手，快速高效地完成實驗。對于部分動手能力稍強的學生，老師會機動地給部分學生添加擴展操作題。

⑶ 課后鞏固練習

數字電路是一門工程性課程，而數字電路實驗是獲取工程經驗的有效途徑，它幫助學生理解所設計電路系統的性質及性能。學生在完成實驗任務后，課后需認真撰寫實驗報告，在報告中對實驗中出現的問題以及實驗數據進行分析總結。此外，老師在課后還會給學生補充一些MOOC學習資源以拓展學生的思維。針對接收能力強的學生，提供一些開放實驗項目供學生選擇，利用課后在開放實驗室內完成。

2.3 實驗教學案例分析

在傳統實驗課程中，教師先給學生講解相關理論知識，講解電路實現原理圖。學生根據老師所講的電路原理圖，連線操作實現實驗內容，這種實驗教學效果并不理想。作為教師，特別是實驗教學，老師的角色應該改變，從傳播知識者轉變為幫助者，引導和支持學生自主學習、操作。學生根據自己的經驗，通過自己學習技能、探索以及反思來構建自己的知識，老師講授則為輔助角色。我們以寄存器與移位寄存器電路實驗課為例，展示如何應用MOOC設計課前知識預習、課堂實驗教學以及課后知識鞏固與拓展。

2.3.1 課前知識預習

在課前預習階段，教師需要對實驗內容進行知識點整理，提供一系列知識點及MOOC視頻，讓學生能夠自行學習。以移位寄存器電路實驗為例，對該實驗課內容的知識進行提取，知識結構框圖如圖2所示。對每個知識點，學生在看過書本后，教師提供一段10分鐘左右的MOOC，并輔助PPT，幫助學生加深理解，同時留意學生在系統中對哪些難點進行了提問。

在圖2中，將移位寄存器實現序列信號發生器根據移位寄存器原理和設計方法分兩個大知識點：

⑴ 移存器的原理。分兩個MOOC來講解，首先介紹移存器的原理，分左移和右移及其主要應用；隨后主要介紹實驗課堂上用到的芯片74LS194四位雙向移存器的邏輯功能。

⑵ 設計移存型信號發生器主要是通過實際用例來介紹，這里我們以產生“0001101”這樣一個序列號為例，設計步驟概括如下：

（a） 由給定序列信號的循環長度P=7，確定所需移存器的最少位數。根據，確定n=3，即我們使用74LS194中的三位。然后選定移動方式（這里選擇左移），根據序列信號“0001101”的移存規律列出狀態圖即真值表。

（b） 確定反饋函數表達式。由真值表畫出卡洛圖求得；

（c） 檢查自啟動性。n=3時，3個觸發器可組成8種狀態，而序列信號只用到7種狀態，正常工作時，111狀態是不會出現的，稱之為偏離狀態。所有偏離態若在時鐘脈沖作用下能自動轉入到有效序列中來，我們就稱之為具有自啟動性。

（d） 畫出邏輯電路圖。通過上述內容的講解，學生基本掌握了移存器的原理及移位寄存器實現序列信號發生器的設計方法。接著就可以設計實驗課的內容：要求應用74LS194移位寄存器附加74151或74LS194移位寄存器附加74138來設計“101001”序列信號發生器。

2.3.2 課堂實驗教學

在實驗課教學中，針對實驗內容，教師逐一檢查學生的預習報告，同時抽取2-4位學生到黑板上寫出自己的設計過程，并簡要講解自己的設計思路。隨后，老師根據學生的預習報告以及設計講解情況，基本了解學生的預習成果以及知識點的掌握情況，并對實驗課內容的難點及學生出錯部分針對性做出講解。

在儀器設備操作方面，播放1-2個MOOC，如移存器邏輯功能測試演示，“序列碼”信號穩定顯示的示波器設置過程。最后學生根據設計，用實驗進行驗證，并用示波器觀察記錄時鐘和輸出波形。

整個實驗教學過程中，學生作為主要角色，老師轉為引導者，使實踐練習成為工程訓練的重要組成部分，而講授則為輔助角色。

2.3.3 課后知識鞏固與拓展

通過上述兩個環節，老師根據實驗內容設計知識體系，根據學生預習情況設置實驗課堂講解部分，通過前面兩個教學活動，學生基本掌握了實驗教學內容，具備理論結合實踐操作。在課后，學生通過實驗報告的撰寫是對實驗內容知識進行一個系統的總結。利用MOOC，學生實驗課后對應的復習檢測也方便快捷。對于學習熱情高的學生，老師可提供開放實驗項目供其選做；通過開放實驗項目，將實驗知識運用于實際問題中，加深學生對數字電路相關知識的理解。

3 考核與評價

傳統教學與MOOC教學都有各自的學習評價體系[9]，為了合理評價實驗教學模式下學生的學習效果，我們設計了全面的評價體系。根據實驗教學的三個環節及期末測試（操作加筆試的形式）環節，考核與評價各環節的參考比重如表1所示：其中，預習報告評價是教師根據學生通過自主學習MOOC，預習課本知識完成預習報告的情況來進行評價，學習預習過程中有問題可以在線留言，預習報告包含查閱的資料目錄、MOOC目錄、電路設計過程、電路草圖及實驗預期結果。而實驗課堂評價，由三部分組成：實驗設計方法講解、實驗操作及實驗創新；實驗創新主要體現在學生電路設計及操作實現的新穎性。實驗報告主要是考察學生科技論文的撰寫和文檔整理能力。為突出學生自主學習和實踐操作能力培養的重要性，我們會適當增加平時成績所占比重。

4 結束語

基于MOOC的數字電路實驗的教學模式，是信息網絡時代對教學方式的革新。MOOC的使用，是可以更好地完成實驗教學，兼顧各個層次的學生，提高教學質量。基于MOOC的實驗教學模式注重學生自主學習能力的培養，以啟發式案例教學及開放實驗項目培養學生自主學習興趣；課堂上，通過學生講述實驗設計內容和老師補充知識點的教學方式，讓學生鞏固所學理論知識并構建自己的知識體系，同時提高工程實踐能力及其創新能力。

參考文獻（References）：

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[9] 雷軍程.基于MOOC的混合教學模式學習評價設計[J].計算機時代，2015.12：82-84