基于云實驗室的數(shù)字電子技術(shù)實驗課程教學改革

黎 想，雷 霞，李 宏

（1.寧波大學信息科學與工程學院，浙江寧波315211；2.寧波城市職業(yè)技術(shù)學院信息與智能工程學院，浙江寧波315100）

0 引 言

數(shù)字電子技術(shù)是電子信息類各專業(yè)的一門必修基礎(chǔ)課程，數(shù)字電子技術(shù)課程實驗教學則是數(shù)字電子技術(shù)課程的重要組成部分。其實驗教學可使得學生加深對數(shù)字電路基本概念、基本原理的理解，將學到的分析方法和設(shè)計理論應(yīng)用于實踐［1］。國務(wù)院在印發(fā)的《中國制造2025》中指出全球制造業(yè)格局面臨重大調(diào)整，要加快推進新一代信息化與制造技術(shù)融合發(fā)展，大力推動新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展［2］。要實現(xiàn)中國制造2025，我國需要一大批電子信息類創(chuàng)新性人才，在電子信息類人才培養(yǎng)過程中，高校起著重要的推動作用。目前，數(shù)字電子技術(shù)作為高校里電子信息類人才培養(yǎng)中重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其實驗教學的開展大多還停留在傳統(tǒng)的實驗教學模式，迫切需要進行實驗教學改革。近年來國內(nèi)外部分高校開展的基于虛擬仿真實驗室的實驗教學［3-4］在一定程度上打破了傳統(tǒng)的實驗教學模式，但該類實驗教學的開展大多還是基于設(shè)定的參數(shù)模型，與真實的實驗還是有較多的差異。目前，基于遠程控制技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)實驗是最貼近現(xiàn)場實驗的方式，其最大的特點就是能夠在虛擬的實驗環(huán)境中獲得真實的實驗結(jié)果［5-6］，一些高校一直致力于實現(xiàn)在該類網(wǎng)絡(luò)實驗平臺上開放實驗資源和接入更多的實驗設(shè)備［7］。隨著云技術(shù)、云服務(wù)的廣泛應(yīng)用，遠程控制、網(wǎng)絡(luò)化這類的云實驗平臺快速發(fā)展［7-8］，通過云實驗平臺構(gòu)建的實驗教學服務(wù)也為高校的實驗室建設(shè)和教學改革提供了新的思路。

1 傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)實驗教學存在的問題

數(shù)字電子技術(shù)實驗教學一直以來備受高校的重視，國內(nèi)外許多高校都在該實驗課程上進行改革實踐［9-10］。數(shù)字電子技術(shù)實驗課程改革經(jīng)歷了由單一的以手工為主向以EDA技術(shù)為主的轉(zhuǎn)變，早期的數(shù)字電子技術(shù)實驗教學采用中小規(guī)模邏輯器件通過導(dǎo)線連接的方式設(shè)計數(shù)字電路，伴隨著可編程邏輯器件的發(fā)展，許多高校開始在傳統(tǒng)實驗教學基礎(chǔ)上引入EDA技術(shù)和可編程器件，借助EDA軟件對電路進行設(shè)計與仿真，并在FPGA/CPLD芯片上進行實現(xiàn)，使得數(shù)字電路設(shè)計實現(xiàn)變得更加靈活便捷［10］。但是目前數(shù)字電子技術(shù)實驗教學大多采用在實驗室通過實驗箱或評估板來集中完成的方式，這種教學方式單一、局限性大難以滿足教學需要，存在諸多不足。

（1）學習進度難以統(tǒng)一。教師講授實驗內(nèi)容、原理、方法，學生分組在實驗裝置上完成實驗。學生實驗由于環(huán)境、課時等的限制，使得實驗內(nèi)容大多以驗證性實驗和簡單的設(shè)計實驗為主，一般先由教師講解實驗設(shè)計思路，而后學生通過模仿實現(xiàn)自己數(shù)字電路設(shè)計。這種灌輸式教學為了照顧大多數(shù)，往往導(dǎo)致接受能力較弱的學生無法跟上進度，而能力強的學生又會覺得吃不飽，使學生學習積極性和主動性受到制約。

（2）考核評價不全面。在傳統(tǒng)的課堂實驗過程中，學生需要花費大部分的時間用于調(diào)試電路，即便學生進行了課前預(yù)習和仿真，但由于電路仿真與實際電路是有一定差異的，電路實現(xiàn)也會出現(xiàn)一些問題。實驗的調(diào)試、測試仍需要耗費不少的時間，這使得指導(dǎo)教師大部分時間比較空閑或忙于電路故障的排除，只有在實驗課結(jié)束前不多的時間對實驗完成情況進行檢查和評判。要在少量的時間內(nèi)對大量的學生實驗進行評判，導(dǎo)致實驗評價過度依賴實驗結(jié)果，缺乏過程考核，使得評價準確度欠佳。此外，學生的最后實驗成績往往根據(jù)實驗報告和課堂考勤給出，在一定程度上就會使得部分學生只是為了考勤而來應(yīng)付實驗，出現(xiàn)實驗設(shè)計、報告抄襲嚴重的情況，進而導(dǎo)致實驗效果大大降低。

（3）實驗資源利用率低。學生只能在實驗課上使用實驗設(shè)備，使用設(shè)備的時間地點也比較固定。伴隨著近年來高校招生人數(shù)的劇增，使得實驗資源變得日益緊張，經(jīng)常出現(xiàn)多人共用實驗設(shè)備的情況，而很多時間實驗資源又出現(xiàn)閑置的狀態(tài)，使得實驗資源不能合理利用。通過單一的增加實驗室開放時間并不能從根本上解決問題。由于這些限制使學生常常不能在規(guī)定的時間完成實驗內(nèi)容，挫傷了這些學生實驗的積極性，特別是在一些內(nèi)容較多、較綜合的實驗項目上這種現(xiàn)象尤為突出。

2 數(shù)字電子技術(shù)云實驗平臺建設(shè)

云實驗室作為一種共享、開放的網(wǎng)絡(luò)化實驗教學服務(wù)平臺，能夠提供數(shù)據(jù)存儲、管理等云服務(wù)［11］。針對傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)實驗教學中存在的問題，借助云技術(shù)和云服務(wù)構(gòu)建數(shù)字電子技術(shù)云實驗平臺，通過建立全開放、擬實的實驗環(huán)境、提供真實實驗數(shù)據(jù)的方式來提高實驗教學的效率，實現(xiàn)實驗教學資源的完全開放共享，促進學生之間的交流協(xié)作，不僅調(diào)動了學生實驗的積極性，同時也克服了一般虛擬仿真實驗純粹依賴仿真模型的不足。

數(shù)字電子技術(shù)云實驗平臺建設(shè)以阿里云服務(wù)器［12］為云服務(wù)主機，采用基于TCP/IP協(xié)議的雙C/S結(jié)構(gòu)［13］，客戶端與阿里云服務(wù)器為第1層CS結(jié)構(gòu)，云端數(shù)字電路實驗硬件平臺與阿里云服務(wù)器組成了第2層CS結(jié)構(gòu)。數(shù)字電子技術(shù)云實驗平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該云實驗平臺包括3個部分：云端數(shù)字電路實驗硬件平臺、基于Web的數(shù)字電路實驗客戶端和基于阿里云服務(wù)器的管理與服務(wù)系統(tǒng)。云端數(shù)字電路實驗硬件平臺由多臺無線的實驗設(shè)備組成［14］，實驗設(shè)備上設(shè)有Intel公司的FPGA可編程芯片用以運行實驗，每臺實驗設(shè)備通過WiFi連接到路由器與云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換；基于Web的數(shù)字電路實驗客戶端是一個擬實的圖形化操作窗口，學生登錄進入該網(wǎng)頁端進行實驗操作，并實時顯示硬件平臺返回的實驗結(jié)果；管理與服務(wù)系統(tǒng)運行在阿里云服務(wù)器上，負責橋接實驗客戶端與云端硬件設(shè)備、存儲實驗相關(guān)信息、對實驗資源進行分配和管理、提供在線交流服務(wù)，是數(shù)字電子技術(shù)云實驗平臺重要的組成部分。

圖1 數(shù)字電子技術(shù)云實驗平臺總體結(jié)構(gòu)圖

云實驗平臺通過管理與服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息和硬件資源進行管理，用戶通過管理與服務(wù)系統(tǒng)實時查看硬件設(shè)備使用狀態(tài)，合理安排時間進行實驗操作，教師在系統(tǒng)中靈活地更改實驗項目內(nèi)容，滿足教學需求。管理與服務(wù)系統(tǒng)的功能如圖2所示，包括用戶管理、實驗項目管理、自動評判管理、云端硬件設(shè)備管理、實驗數(shù)據(jù)管理、在線交流服務(wù)等。各個功能模塊之間互不干預(yù)，有助于整個系統(tǒng)日后的維護和升級。

圖2 管理與服務(wù)系統(tǒng)功能框圖

3 基于云實驗室的數(shù)字電子技術(shù)實驗課程教學改革

借助數(shù)字電子技術(shù)云實驗平臺對教學內(nèi)容與方式、實驗教學流程、考核方式進行全面探索和改革，以實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學模式向互聯(lián)網(wǎng)+的教育模式［15］轉(zhuǎn)變。

3.1 線上線下相結(jié)合的教學方式

針對以可編程器件為主的數(shù)字電子技術(shù)課程實驗教學，借助數(shù)字電子技術(shù)云實驗平臺，實驗教學可以采用線上和線下相結(jié)合的方式來進行，如圖3所示。

圖3 線上線下教學方法示意圖

這種實驗教學方法充分圍繞以學生為中心、以項目為導(dǎo)向，采用“任務(wù)驅(qū)動式”實驗教學方式。教師布置實驗任務(wù)后，首先由學生自行查詢資料、編寫設(shè)計文件、對設(shè)計的電路進行仿真驗證，然后將實驗電路配置到線上的數(shù)字電子技術(shù)云實驗平臺進行電路測試，提交自動評判系統(tǒng)進行實驗對錯判斷。線下，學生在實驗室中將仿真、測試通過實驗設(shè)計在實驗設(shè)備上進行演示，教師現(xiàn)場對實驗的設(shè)計、操作、結(jié)果等進行質(zhì)詢和提問，并給予有效指導(dǎo)。這樣，教師可以集中精力在有限的時間里進行有效的指導(dǎo)，了解每個學生的實驗情況，也有效地避免了實驗抄襲情況。通過線上線下相結(jié)合的方式極大地激發(fā)了學生的實驗興趣、調(diào)動了實驗的積極性、提高電路設(shè)計能力，實驗資源也得到了有效利用。

3.2 多層次、多元化的教學內(nèi)容

數(shù)字電子技術(shù)云實驗平臺的引入，使得傳統(tǒng)的實驗教學內(nèi)容更加豐富，項目類別多元化，內(nèi)容難度多層次。數(shù)字電子技術(shù)實驗內(nèi)容以基于FPGA的設(shè)計項目為主，兼顧采用標準邏輯器件的電路設(shè)計。實驗項目類型以設(shè)計性、綜合性為主，占總實驗課時的86%，配合少量操作性實驗來掌握EDA軟件和實驗設(shè)備的使用。為給學生自主研究與發(fā)揮留有足夠空間，促進應(yīng)用型人才的成長，將實驗要求分為基本與提高2個部分：①既設(shè)置一部分基本的必做實驗項目，以滿足基本的教學要求，同時也設(shè)置一部分提高的選做實驗項目，讓學生根據(jù)專業(yè)、興趣愛好進行選擇。②在實驗項目中，既設(shè)置基本的必做實驗內(nèi)容，又設(shè)置提高的選做實驗內(nèi)容，以滿足學生特長和個性發(fā)展的需要。基于可編程器件和EDA工具的實驗項目均采用線上線下相結(jié)合的教學方式，具體實驗內(nèi)容包括：EDA軟件和實驗設(shè)備使用、組合邏輯電路設(shè)計、時序邏輯電路設(shè)計、存儲器與數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用、有限狀態(tài)機設(shè)計、簡單數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計等。

采用標準邏輯芯片接線的實驗對理解門電路和掌握標準邏輯芯片的使用仍具有重要作用，這些實驗在線下實驗室集中完成，相應(yīng)的實驗內(nèi)容包括：OC門/三態(tài)門應(yīng)用、組合邏輯電路設(shè)計、時序邏輯電路設(shè)計等。

3.3 數(shù)字電子技術(shù)云平臺實驗流程

學生根據(jù)實驗項目的任務(wù)要求，在EDA軟件（Quartus II）中進行實驗項目的設(shè)計、綜合、仿真驗證、管腳分配，生成.rbf的配置文件；通過基于Web的數(shù)字電路實驗客戶端將配置文件傳送到云端實驗硬件平臺并配置到FPGA中；學生通過實驗客戶端實驗窗口進行實驗操作，客戶端實時顯示硬件平臺返回的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，從而判斷項目設(shè)計正確與否。

對于系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的實驗項目，學生還可以通過客戶端上的“提交項目”來進行在線自動評判，這時云端服務(wù)器會將數(shù)據(jù)庫中的評判指令發(fā)送到云端實驗設(shè)備上進行項目評判，并將評判結(jié)果發(fā)送到客戶端上，當設(shè)計出現(xiàn)錯誤時會根據(jù)情況給出錯誤提示。

線上實驗流程如圖4所示。整個實驗過程中，云服務(wù)器端與云端實驗設(shè)備之間指令、數(shù)據(jù)傳輸相當于一個黑盒子，給學生直觀的感受其只是與實驗設(shè)備進行交互，這樣能夠讓學生得到良好的實驗體驗。云平臺客戶端操作窗口如圖5所示，它的樣式、操作、顯示等與線下實際數(shù)字電路實驗裝置完全一致，以方便用戶快速入門。

圖4 線上實驗流程圖

圖5 云平臺客戶端操作窗口

完成線上實驗后，學生進入實驗室集中進行實驗項目的現(xiàn)場測試驗收。指導(dǎo)教師針對學生的設(shè)計方案、操作規(guī)范性和熟練程度、測試結(jié)果等情況進行答疑、指導(dǎo)和質(zhì)詢，最后完成實驗項目的驗收并給出實驗項目的操作成績。對于采用標準邏輯器件的實驗項目，學生需課前進行相應(yīng)預(yù)習、完成項目的理論設(shè)計，集中在實驗室完成實驗設(shè)計修正、測試和驗收，指導(dǎo)老師針對實驗中的問題進行答疑、指導(dǎo)和驗收。

3.4 實驗評價與考核

基于云實驗室的數(shù)字電子技術(shù)實驗考核更加注重對學生實驗過程的評價。考核內(nèi)容包括線上、線下和測驗等幾個方面，線上成績根據(jù)云設(shè)備使用時長、自動評判情況確定，占總成績的15%；線下成績根據(jù)實驗設(shè)計、操作、質(zhì)詢情況給定，占總成績40%；實驗報告15%；實驗考試占30%。線上評價主要針對學生的預(yù)習情況。線下評價由教師對學生的設(shè)計、驗證、操作進行質(zhì)詢，根據(jù)學生的實驗?zāi)芰Α⑼瓿汕闆r、認真程度給出成績。實驗報告根據(jù)理論分析、設(shè)計方法、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄、內(nèi)容完整性綜合給定成績。實驗考試在課程實驗完成后進行，考試一般給定一個簡單設(shè)計內(nèi)容在規(guī)定時間內(nèi)完成相關(guān)設(shè)計、仿真、測試，如果考試成績低于35分直接判定實驗課程不及格。實驗課程評價考核力求全面，但又有側(cè)重地對學生實驗做出綜合評價。

4 教學實踐與反饋

實驗教學改革實踐在通信工程專業(yè)大二學生中進行，全班69人隨機分為兩組，A組學生借助云實驗平臺進行實驗教學，B組作為對照組仍舊按傳統(tǒng)方式進行實驗教學。實驗教學結(jié)束后，對兩組學生進行問卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容主要包括實驗教學的滿意度、預(yù)習用時、云平臺體驗度等方面，其中云平臺的內(nèi)容僅由使用該平臺的學生填寫。69份問卷統(tǒng)計結(jié)果顯示，在滿意度方面，A組中有88.2%的學生對實驗教學較為滿意，B組實驗教學的滿意度為71.4%；在預(yù)習用時方面，A組學生平均每個項目預(yù)習時間在2 h以上，而B組只有不到1 h；學生普遍對云實驗平臺的體驗度表示滿意，認為云實驗平臺易上手操作、簡便、響應(yīng)速度快、功能齊全等，也有學生反映平臺的穩(wěn)定性尚需要改進。總體來看，學生對使用云實驗平臺進行實驗教學普遍認可，但云實驗平臺還須進一步改進和完善。按教學要求學期末對學生進行統(tǒng)一實驗操作考核，考核內(nèi)容包括項目設(shè)計、仿真驗證和下載測試。表1給出了兩組學生的平時實驗操作成績和實驗考試成績。

表1 實驗教學成績（平均成績）對比表

表中可見，A組在平時操作和實驗考試中明顯優(yōu)于B組，特別是實驗考試平均成績提高了19.5%。A組學生的實驗水平明顯高于B組，這跟平時實驗的預(yù)習時間、練習時間的增加有很大關(guān)系。在之后的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程上，A組的學生實驗完成情況上也明顯優(yōu)于B組的學生。在今年的浙江省大學生電子設(shè)計競賽上，A組的學生也取得了優(yōu)異的成績，獲得了省一等獎2項。由此可見，云實驗室在數(shù)字電子技術(shù)實驗教學中應(yīng)用，提高了學生的數(shù)字電路設(shè)計能力、增強了學生的實驗技能和動手能力，為學生今后的學習和工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

通過將云數(shù)字電子技術(shù)實驗平臺融入實驗教學，使學生從以往被動的學習知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃荧@取知識，實驗學習變得更加靈活自由。線上與線下相結(jié)合的教學方式使得考核評價更加全面，云實驗室的運用也進一步豐富了實驗教學內(nèi)容，充分提高了實驗設(shè)備的利用率。實踐表明，學生實驗的積極性和實踐能力得到了較明顯提高。

在互聯(lián)網(wǎng)+教育的快速發(fā)展下，基于云實驗室的數(shù)字電子技術(shù)實驗課程教學是互聯(lián)網(wǎng)+實驗教學的體現(xiàn)，在廣度和深度上突破了傳統(tǒng)課堂制約［16］。云實驗平臺的在線開放性也使得實驗資源共享成為了現(xiàn)實，資源的利用率得到了提升。伴隨著云實驗室的快速發(fā)展，各類云實驗平臺的不斷更新和完善，實驗教學也將迎來新的發(fā)展契機。