基于智慧樹平臺和開放實驗室的數字電子技術課程實踐教學模式研究

黃 睿，張 妍，李金懋，王 穎，張皓博

(黑龍江工業學院 電氣與信息工程學院，黑龍江 雞西 158100)

數字電子技術是電氣工程及其自動化等專業在電子技術方面入門性質的專業基礎課。也是聯系模擬電路和各門技術課程的紐帶，由于數字電路的基礎性和廣泛性，使之在本科教育中起著重要的作用。數字電子技術具有自身的體系，具有很強的實踐性和創新性。作為專業基礎課，也是電氣專業考研課程之一，很多高校在授課的過程中過于偏理論講解，課內實驗也大多是驗證性的，忽視了本門課程的操作性。隨著應用型本科院校的建設與發展，數字電子技術的實踐性再一次成為了教學中不可忽視的重點。而如何改進實踐課程的教學與考核方式，如何將實驗室資源使用率最大化，就成為了一個重要的課題。

一、微課在實驗教學中的應用

在傳統的數字電子技術實驗課堂上，教師根據實驗指導書講清楚實驗原理、實驗步驟、實驗內容、實驗儀器的使用以及操作過程中的注意事項等，隨后學生按照實驗指導書進行操作。操作過程中會遇到很多問題，教師需要逐一指導，教學秩序差，課堂質量低。此外，實驗設備由教學儀器廠家批量生產，數字芯片均為集成電路，學生無法看到內部結構，而且在實驗過程中，數字芯片的報廢率極高，消耗了大量的財力物力。課堂內容看起來很豐富，實際只有連線和測量兩種操作，不同的實驗，在操作流程上幾乎是一致的，這樣的實驗課，無論多少學時，都不能加深學生對電路原理的理解，也無法提高學生的實踐能力，更不會激發學生的創新意識。

隨著網絡信息化教學的發展，微課逐漸走進了高校實驗教學的視野。微課是一種以網絡視頻為主的授課模式，針對知識重點難點或專題活動等進行詳細講解，具有短小精湛的特點。根據授課內容分類可分為講授型、實驗型、解惑型等。微課內容便于擴充和網絡傳播，學生可以通過電腦或手機進行學習，方便快捷。而且微課可以滿足學生個性化、分層次學習，在視頻中截取自己需要的內容，提高學習效率。因此，越來越多的教師選擇錄制實驗操作視頻，后期配上實驗指導書的文字介紹與講解，制成微課發給學生。學生可以做到課前預習，也可以根據微課講解進行實驗操作，課堂的秩序有所改善，學生的實驗完成度也大幅度提高。從課堂數據來看，這個結果很好，但是由此也帶來了一個不容忽視的新問題：學生依賴微課，全程依葫蘆畫瓢，完全喪失了自主創新的能力。

二、開放實驗室的重要性

隨著新工科建設和工程教育認證等一系列高校人才培養質量工程建設項目的實施，如何依托實驗室資源，提高學生實踐創新能力，推進專業學科競賽的發展就成為了應用型本科院校亟待解決的問題。

以黑龍江工業學院為例，電氣專業的學生想要培養工程能力，需要通過創新創業大賽，電子設計大賽和恩智浦智能車競賽等項目來提高自己。所有的競賽前期都需要平臺和空間，而開放實驗室正好為這一難題提供了解決方案。為了激發學生的創新意識、提高學生的實踐操作能力，學校實行了部分專業實驗室面向學生開放的政策。學生可以在課余時間進入到實驗室，利用實驗資源進行自主學習和科學研究，教師也可以深入指導。同時，還改善了部分實驗室使用率低的現狀。在實驗室全面開放后，電氣專業本科畢業設計作品及論文撰寫質量均有顯著提高，專業學科競賽成績優異，依托電子工藝實驗室，學生參賽獲國家級一等獎1項、二等獎2項，省級各類獎項10余項。

三、智慧樹平臺的推廣

智慧樹是全球最大的學分課程共享平臺，具有獨特的“平臺+內容+服務”三位一體的業務模式，幫助高等院校完成優質課程的引進和服務配套落地，通過觀摩和分享名校名師的優質課程設計，幫助教師完成教學發展培訓，協助教師建設新課程，實現教法改革，促動本校教學產生內生動力。課程采用線上線下“混合式教學”方法，線上為碎片化知識點視頻，學生能靈活安排自己的學習時間；線下跨校直播互動和小班討論學習，使學生可以把線上學習產生的問題帶到教室，與同學、老師討論。

黑龍江工業學院于2019年10月引入了智慧樹在線學習平臺，在2020年新冠肺炎疫情期間，共有477名教師完成了平臺課程建設，學期累計在線課程門數1000余門，切實落實了教育部“停課不停學”的指導精神，保證了在線教學的質量。

四、復合式實踐教學模式

所謂實踐出真知，實踐課是學生將理論知識轉化為實踐能力的重要環節，提高課堂質量、保證學習效率、激發學習興趣、提升創新意識是教學改革的主要目標。當代大學生從小就接觸電子產品和互聯網，所以借助網絡教學和仿真軟件，再通過開放實驗室為學生提供實驗平臺，就可以有效解決以上問題。

1.Multisim的應用

Multisim是一款專門用于電子電路設計與仿真的EDA軟件，具有豐富的元器件模型和虛擬儀器，是一個完整的集成化設計環境，能夠完成電路原理圖設計、仿真分析和功能測試等工作。數字電子技術實驗中對波形的觀測非常重要，傳統的實驗室中示波器操作繁瑣，設備損耗較高，測量誤差較大，導致輸出結果錯誤，而仿真軟件完全規避了這一風險。

借助Multisim軟件，學生可以從根本上了解電路的內部結構和搭建過程，并且按照自己的思路可以對電路進行修改、調試、數據測量和分析，體會電路設計開發工作的完整流程。雖然是軟件操作，但是要比傳統的實驗室連線操作學到更多知識。例如觸發器的實驗，學生可以不選用集成芯片，而用門電路自行搭建，相當于把集成芯片剖開看到了內部結構，這種體驗在傳統的實驗工作臺上是很難實現的。

2.微課的靈活運用

在整個實踐教學過程中以微課教學為起點，微課考核為終點。教學微課中，教師不演示完整的實驗操作過程，不提供任何數據，只做啟發引導式的講解和布置任務，電路內容不作統一要求，在合理范圍內，學生可自行修改電路結構和元件參數，最后通過實操運行仿真軟件搭配語音講解，錄屏軟件錄制微課上傳的形式進行考核。教師觀看學生上傳微課的內容、按照評分標準進行成績評定。

這種教學及考核形式給學生保留了足夠的創新空間，學生想要錄制出合格的視頻，必須掌握一定的理論知識和實操技巧。這樣從不同維度提高了實驗教學的質量，同時避免了傳統實驗報告抄襲現象嚴重的情況。

3.智慧樹平臺的使用

利用智慧樹平臺，教師可以錄制教學視頻上傳到課程資源庫中，發布后學生即可在線自行觀看，也可以由教師在直播課中統一播放講解。同時學生也可以將自己的作業、視頻等資料上傳至平臺，由教師統一批閱評分。這樣的互動機制與上述微課實驗教學的形式完美契合，而且在智慧樹平臺上，數字電子技術的課內實驗和理論課可同屬一個課程，在學習操作實驗的同時，調取理論學習資源也非常方便，高效實現理論聯系實踐。

4.開放實驗室的作用

通過用仿真軟件對數字電子技術實驗的學習，學生對數字電路的原理、結構、參數和實際運行狀態已經有了足夠深刻的認識，這時需要再向實踐邁進一步——制作實際的數字電路板。計算機實驗室的開放為學生的仿真實驗提供了工作場所，而具備焊接工作臺的實驗室開放就可以為學生的電路制作提供有力保障。親自動手用洞洞板、電子器件、烙鐵等實驗資源構建出一個實實在在的數字電路板，才能算是一個應用型本科電氣專業人才的基本素質。

五、教學改革實施

在經過大量測試論證后，黑龍江工業學院數字電子技術教學團隊以2018級電氣專業本科學生為對象，在“數字電子技術課程設計”中實施了全新的教學模式及考核方式。

1.教學模式的改革

以往的課程設計由教師發布任務開始，學生自主選題學習，教師定時見面輔導答疑，最后完成報告及作品。該流程存在一定弊端：教師與學生不能及時有效溝通，學生報告雷同，作品無創新點。

本次數字電子技術課程設計采用智慧樹平臺線上授課，教師將大量教學資源上傳至課程平臺，供學生查看學習。教師通過平臺發布學習任務，可從平臺獲取學生學習進度數據，并與學生有效互動，了解學生學習動態，針對不同學生的實際情況給予個性化輔導。定期開展線上授課，推進課程進度，保證教學質量。

2.考核方式的改革

本課程要求上交數字電子技術課程設計說明書1份和作品微視頻1個，其中微視頻分值占30%、說明書分值占60%，設計包含的創新點占10%。

說明書正文字數不少于3000字，必須包含選題目的及意義、電路設計、電路測試、實物展示、知識點分析、心得體會、附錄等部分。說明書采用統一模板，格式嚴格要求，可以讓學生認識到格式的重要性，熟悉排版操作，為將來的畢業論文撰寫打下基礎。

設計的作品需拍攝微視頻，時長限制在5～10分鐘之間，學生必須露臉，視頻包含實物(仿真)操作及語音講解。此項考核避免了學生相互抄襲的現象，增強了學生對多媒體軟件的操作，激發了學生自主學習的興趣，提高了學生理論聯系實際的能力。

3.作品對比

傳統的數字電子技術課程設計統一配備面包板套件，學生自主選擇其中一個實驗進行組裝、調試，參照接線圖，即使不懂原理也能夠完成作品，實現對應功能。學生作品如圖1、圖2所示。

圖1 電子蠟燭面包板接線圖

圖2 電子蠟燭面包板實物圖

本次課程設計，通過開放實驗室訓練的學生可以利用EDA軟件自行設計電路原理圖，并根據電路參數需求列出元件清單，選用合適的電子器件搭建電路、焊接調試。學生作品如圖3、圖4所示。

圖3 幸運大轉盤電路原理圖

圖4 幸運大轉盤實物圖

通過以上對比分析可得出：復合式實踐教學模式無論過程還是結果都要優于傳統的實踐教學模式，具有極大的推廣價值。

結語

隨著信息技術的發展和高校學生對新事物的認知水平不斷提高，傳統的授課形式必將被時代所淘汰。本文通過仿真軟件、在線課程平臺、微課和開放實驗室等多方面資源融合，以數字電子技術課程實踐教學為例，探索一種能從根本上解決大學生實踐能力弱現狀的復合式教學模式，為應用型本科高校教學改革提供思路與借鑒。