SPOC環境下數字邏輯電路課程的教學設計與實施

朱慧博?李海霞?石魯生

摘 要：目前，數字邏輯電路課程網絡資源利用不夠充分，教學方式單一，缺少過程性考核和綜合能力考核。課題組通過搭建SPOC教學的軟硬件環境，打造新的包含課前、課中、課后和課外的教學設計方案，在教學實施階段融合軟件仿真、在線搶答等多種教學方法，增加綜合實踐項目模塊，設計并采用與之配套的綜合考核方案。實際教學效果顯示，新的教學設計有助于提高學生的學習積極性，鍛煉學生的綜合實踐能力。

關鍵詞：SPOC;數字邏輯電路;教學設計;網絡教學

中圖分類號：G4文獻標志碼：A文章編號：2096-0069（2020）02-0050-04

收稿日期：2019-08-18

作者簡介：朱慧博（1979— ），女，江蘇泗洪人，副教授，碩士，研究方向為教學與課程、虛擬儀器測量技術;李海霞（1983— ），女，山東濰坊人，講師，博士研究生，研究方向為半導體器件;石魯生（1978— ），男，江蘇宿遷人，副教授，碩士，研究方向為教學與課程、安全數據庫。

前言

教育部積極推進“互聯網+教育”的發展，教技〔2018〕16號文件《關于加強網絡學習空間建設與應用的指導意見》提出學校利用空間創新課堂教學、實踐教學，培養學生解決問題和創新能力的要求[1]。“數字邏輯電路”作為計算機類和電子信息類專業重要的基礎課，要求學生具備較強的數字邏輯電路分析和設計能力[2]。對于此類理論性和實踐性較強的課程，如何有效利用網絡資源，開展SPOC（Small Private Online Course，小規模限制性在線課程）教學，課題組在教學過程中進行了改革和嘗試。

一、課程教學現狀

（一）課程教學與SPOC教學環境時空分離

SPOC教學強調利用網絡資源環境進行教學活動，而“數字邏輯電路”課程的傳統教學，主要在教室使用板書或PPT講授理論，在實驗室通過實驗箱進行實驗教學。教學過程中教師不具備及時有效進行網絡評測和統計反饋的條件，耗時耗力打造的資源豐富的SPOC教學環境僅成為一種提供在線作業和考試的工具，學生參與度低，本應成為推進教師課堂教學改革和提升教學質量的有效工具與手段，卻變成食之無味、棄之可惜的雞肋。

（二）教學方式單一，學生積極性差

傳統理論教學偏重于芯片原理的講解，加之受到學時和設備的限制，教師少有演示應用，學生難有動手實踐，常常只是長時間被動聽課，學生注意力容易分散;實驗教學受到時間和空間的限制，開設的大部分都是驗證型實驗，學生動手不動腦[3]，缺少挑戰性的實驗過程與結果，學生積極性不高，綜合實踐能力鮮有提升。

（三）考核方式單調，缺少過程性考核和綜合能力考核

傳統的課程考核成績由期末考試成績和平時成績構成，期末考試大多強調重要知識點的記憶，對學生創新能力的考查不足;平時成績主要由考勤、作業以及實驗報告等三部分來決定，過程性考核不足。為了應對考試，大部分學生只會死記硬背書本上的理論知識，沒有創新意識，偏離了培養、鍛煉學生綜合實踐能力的初衷[4]。

二、SPOC環境下課程的教學設計

（一）SPOC教學設計方案

SPOC環境下課程總體教學設計方案中，預先建立授課班級，建設網絡資源。課前，教師利用SPOC教學環境，布置學生觀看課程視頻，預習教學內容;課中，突破理論課與實驗課界限，教師在專業實驗室利用多種教學法完成全部理論和教學工作;課后，教師根據SPOC教學平臺對學生的學習情況統計結果，優化課前教學設計，改進課中教學過程，進行教學反芻;課外，學生利用SPOC中PBL（Project-Based Learning，項目式教學）模塊自行選題分組，在教師指導下，利用開放實驗室完成興趣能力拓展綜合實踐項目。

（二）SPOC教學設計中的重難點

在SPOC教學過程中，如何創造適宜的教學條件是前提，也是重點。首先，網絡資源創建時，必須考慮如何應對學生不同方面、不同層次的需求，將網絡資源構建成教學雙方的紐帶，成為雙方用起來都得心應手的工具。其次，建立網絡資源后，如何使其在課堂中得以高效應用，提升教學效果，如何應用多種教學方式開展混合式教學，保持學生的課堂參與率，這都需要進行精心設計，是實施過程中的難點。最后，如何保持學生的學習興趣，增強專業基礎課程的生命力，為后續專業課程輸送有創新能力的學生，是對教師教學能力的持久挑戰。

三、 SPOC環境下課程教學的實施

（一） SPOC教學軟硬環境創建

（1）模糊理論課與實驗課空間上的界限，打造SPOC教學實施的硬條件。學校大部分的實驗室都具備電腦等硬件設備和一定的網絡資源環境。這些實驗室同時配備了黑板、投影等傳統教學設備，這使得將理論教學全部搬進實驗室，打破理論和實驗課界限成為可能。

（2）建設和遴選網絡教學資源，打造SPOC教學實施的軟條件。在學校超星泛雅網絡教學平臺上建設“數字邏輯電路”網絡課程，上傳教學大綱、電子教案、教學課件、教學周歷、參考書目，創建章節過關練習和分階段自測題等基本教學資源。平臺中同時鏈接了其他高校的優質MOOC資源，學生可以根據不同教師的教學角度、不同層次高校的教學深度，結合自身的需求選擇自學。平臺中，同時掛載教師自制微視頻，時長通常都在5—15分鐘，小而精，內容上涉及的都是課程主要知識點的講解和應用，也有往屆學生的實際項目調試視頻。這些資料可幫助學生自學或者課下溫習未掌握的知識點，培養對實際項目設計的感官認識，增強學習興趣，增加課程學習的自信心。

（3）創建課程特色資源。為增強學生課堂學習興趣、擴大課堂有效知識容量，教師根據教學內容提前預備了大量的EDA（電子設計自動化）仿真實例和網絡平臺上的各類教學活動。EDA實例普遍針對性強，有成品實例也有半成品實例。成品實例主要用于演示理論課中比較抽象、晦澀難懂的知識點和一些需要重點掌握的基礎芯片，如三態門應用電路（展示使能和高阻態效果）和計數器應用電路（展示其工作原理）等。半成品實例，指的是放置了基本器件的未完成電路，用以節省課堂講授時間，方便學生快速搭建、調試。為保證教學過程的有效開展，方便后續教學反饋和考核，網絡平臺上提供了豐富多彩的課堂活動，如簽到、分組、選人、搶答、測驗、討論等。

（4）建立綜合實踐PBL項目庫，創建興趣拓展模塊。綜合實踐PBL項目庫中的項目一部分由教師根據教學要求精心設計，如電子密碼鎖、汽車尾燈控制器和多功能數字鐘等;另一部分由學生根據學習內容和自身興趣創建，如加減計算器、模擬電子蠟燭和電子轉盤等。實施同一項目的同學可以在網絡平臺上傳共享資料，相互之間展開課題討論，實現思維碰撞。教師還鼓勵學生創建新項目，經教師審核后放入項目庫，因此，項目庫在教學過程中得以不斷更新、擴充。在興趣拓展模塊中放置了一些對學生縱深發展有幫助的文獻、資料或網絡資源，如各種仿真軟件安裝包、各類芯片介紹、硬件描述語言學習資料、微電子和單片機等方向的資料等。

（二）SPOC教學實施過程

（1）課前，學生完成在SPOC教學平臺上教師提前布置的作業和預習視頻，通過預習過關練習，教師做好信息的整理工作，根據反饋信息，精心準備課程的理論教學PPT、仿真實例演示和課堂活動。

（2）課中，教師首先利用SPOC教學平臺進行考勤，然后簡單復習上次課的主要內容并講解、展示作業和過關練習中的典型錯誤，最后引入新課。新知識教學是課堂教學中的主要環節，也是教師需要重點把握和考核的一個環節。一次優秀的授課需要具備激發興趣、傳授知識、引發思考這三個特性。譬如在講解“三態門”工作原理時，學生對“使能端”和“高阻態”常表示很困惑，此時可以選用低電平有效的74LS125芯片和函數發生器以及PROBE小燈搭建一個簡單EDA仿真電路來幫助學生理解。通過教師演示、講解和學生動手操作、觀察74LS125芯片的使能端輸入函數發生器輸入與PROBE小燈亮滅的關系，再延伸到其他芯片如74LS126，使得學生感受直觀、印象深刻，激發學生的學習興趣[5]。

（3）課后，除完成作業外，學生還需要根據教師要求進行必要的預習。教師通過對學生完成情況的反饋統計，了解學生的掌握情況和教學效果，從而進一步優化課前教學設計，改進課中教學過程，進行教學反芻，從而形成整個教學過程的閉環。課程中有些知識點如卡諾圖化簡、時序邏輯電路分析等，可能不方便在SPOC教學平臺進行展示，可將紙質作業和網絡作業混合使用。

（4）課外，學生可自行選擇加入SPOC教學平臺的PBL項目庫中已有的項目或創建新項目。項目大多是與本專業需求相關，綜合了課程的主要知識點，但更具復雜性和挑戰性的綜合實踐項目。項目設計過程中通常會用到一些教學中并未提及的芯片，需要學生自行查找資料，研究芯片功能，設計電路并進行軟件仿真，最后用實驗箱搭建實際電路加以驗證。學生獨立完成項目雖然有較大難度，但有學校硬件條件做保障，只要投入足夠的時間和精力，絕大部分同學都可以達成目標。通過設計、搭建一個小型數字邏輯電路系統，學生可以展示自主設計和創新能力，電路設計、調試以及錯誤排查過程，鍛煉了學生運用所學理論知識獨立解決實際問題的綜合能力。

四、SPOC環境下課程的考核方案

課程考核方案應保持與教學設計的一致性，加大對課堂教學過程質量的監控和學生綜合實踐能力的考查。期末考試仍然采用傳統的閉卷紙質試卷形式，占總評成績的50%，考核內容主要是基本原理、方法和重要知識點的掌握與應用。平時成績占總評成績的30%，主要由SPOC教學平臺任務點的完成情況、考勤簽到情況、課堂互動以及作業完成質量等來綜合評定，其中課堂互動與作業完成質量占比較高，以此來激勵學生，提高課堂活躍度，提升課程教學效果。興趣能力拓展綜合實踐項目成績占總評成績的20%，該部分主要根據學生完成的PBL項目工作量及設計方案優劣、搭建電路的功能演示和項目最終報告等部分情況進行綜合評定。

五、教學效果

實踐證明，通過在SPOC教學環境下，實施上述“數字邏輯電路”課程的教學改革，學生的學習積極性明顯提高，一部分學生從最初抵觸教師布置預習作業，到主動完成SPOC網絡平臺中的一些任務，以期可以在課堂搶答等環節中獲得更加突出的表現。大部分學生愿意投入更多時間和精力去進行個性化的“綜合實踐項目”設計，不但獲得了更高的創新分數，還加深了對相關知識點的理解。同時，學生對新事物、新知識的資料搜索能力、研判能力等個體能力都有所提升，其自信心得到提升，對后續專業課程的學習興趣得以激發，對各種相關專業技能競賽的關注度與參與度大大增強。實踐還表明，改革后班級學生的團隊意識、競爭意識明顯增強，同學關系進一步融洽，學生愿意與同組其他同學以及老師交流設計方案，對團隊的成績十分看重。

教師層面，改革后的教學過程中學生新主意、新想法不斷涌現，擴大了教師的視野，也對教師提出了更高的能力要求，有力地促進了教師的發展。此外，帶反饋的教學閉環，促進了良好的師生交流，也拉近了教師和學生的關系。

六、結語

為響應教育部《關于加強網絡學習空間建設與應用的指導意見》，課題組將數字邏輯電路課程的理論與實踐教學全部搬入專業實驗室，不斷豐富SPOC教學平臺中的各類資源并充分利用這些資源，采用新的課程教學設計方案，融合多種教學方式，形成包括課前、課中、課后、課外在內的帶反饋的教學閉環。通過加大課堂教學過程的考核，增添“綜合實踐項目”考核，設計并采用了與課程教學過程相匹配的課程考核方案。改革后的課程教學方案實施效果良好，從實際教學反饋來看，學生的學習興趣、積極性、文獻資料獨立檢索能力、實踐動手能力等有較大幅度提升，但如何進一步充分發揮配套網絡資源和PBL項目庫的作用，如何進一步細化過程性考核的評定細則等，還需在以后的實施過程中不斷加以優化和改進。

參考文獻

[1]教育部.關于加強網絡學習空間建設與應用的指導意見[EB/OL].（2018-12-12）[2019-01-27].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-01/27/content_5361514.htm.

[2]朱慧博，史洪瑋，秦玉龍.數字邏輯電路教學改革的新探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2016（11）：73-74.

[3]肖杰，李強，龍勝春，等.數字邏輯電路課程設計實驗教學改革與實踐[J].計算機教育，2018（5）：71-75.

[4]朱正東，田靖軒，張小雨.MOOC混合教學模式及其在數字邏輯電路課程中的應用[J].計算機教育，2018（7）：100-103.

[5]呂念芝.Multisim在“數字電子技術”課程設計中的應用[J].電氣電子教學學報，2018（3）：143-146.

（責任編輯 孫志莉 孫興麗）

Abstract： At present，the utilization of the online resources of digital logic circuit course is not enough，teaching mode is single，and it lacks process assessment and comprehensive competency assessment.Through the establishment of the environment of software and hardware of SPOC teaching，our research group has made a before class，in class，after class，and outside class teaching design plan.In the period of teaching practice，many kinds of teaching methods have been integrated like software simulation，online answer，etc.Comprehensive practice program module has been added，and the matching comprehensive assessment plan has been designed and adopted.The actual teaching effect shows that new teaching design helps to improve studentslearning activity and practice studentscomprehensive practice abilities.

Key words： SPOC;digital logic circuit;teaching design;online teaching