基于超星平臺的實訓課程教學質量量化分析

常郝 徐勇 倪天明 李東勤 陳曉玲 梁后軍

【摘? ?要】? ?數字系統設計旨在培養學生分析解決復雜工程問題、提升工程實踐的能力。從實踐能力培養與創新能力培養的課程目標出發，對課程內容、授課方式等方面進行優化以促進實踐與創新能力培養。針對線下教學過程考核復雜、教學質量難以監控等問題，依據超星平臺提供的線上教學運行數據，從課程、學情、成績三方面量化分析，根據分析結果提出提升實訓類課程教學質量的建議。

【關鍵詞】? ?超星平臺;實訓課程;教學質量;量化分析

Quantitative Analysis of Teaching Quality for Practical Training

Course Based on Chao-Xing Platform

Chang Hao1， Xu Yong1， Ni Tianming2， Li Dongqin1， Chen Xiaoling1， Liang Houjun1

（1. Anhui Finance and Economics University， Bengbu 233030， China;

2 .Anhui Polytechnic University， Wuhu 241000， China）

【Abstract】? ? The design of digital system aims to cultivate students to analyze and solve a complex engineering problem， so as to enhance practical engineering ability. Starting from the curriculum objectives of cultivating practical ability and innovative ability， the contents and methods of the curriculum are optimized. Moreover， aiming at the difficulty in assessment of teaching process and monitoring teaching quality， the quantitative analysis of curriculum， learning situation and performance are carried out according to the online data provided by Chao-Xing platform. Finally， some suggestions are proposed to improve the teaching quality， especially for the practical training courses.

【Key words】? ? ?Chao-Xing platform; practical training course; teaching quality; quantitative analysis

〔中圖分類號〕? G712 ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）01- 0112 - 05

0? ? ?引言

數字系統設計綜合實訓是一門融合了程序設計、數字電子技術、FPGA技術的實踐性課程，旨在培養學生分析解決復雜工程問題、提升工程實踐的能力[1]。

實訓類課程在實際教學過程中存在的難點主要有：（1）實踐環節不夠夯實，動手能力不足，存在理論與實踐脫節的現象[2]。（2）未能有效支撐學科競賽，存在課程與學科競賽脫節的現象。學科競賽與課程實驗、課程設計相比，在課程目標、技術平臺、能力培養上具有顯著區別。學科競賽面向社會熱點問題，使用前沿技術平臺，注重跨專業跨年級的創新能力互補[3]。將學科競賽融入實訓課程教學，能夠切實提高教學質量。（3）教學過程考核復雜，教學質量無法定量評價。線上教學學生自律性不強、缺乏自我約束，教學效果難以保證[4-5]。如何利用線上教學平臺提供的學習日志來分析學習行為，監控教學質量，是目前實訓課程教學亟待解決的難題之一[6-7]。

針對以上問題，基于課程的目標與任務，本研究從開發環境的選擇、課程安排、授課方式和教學內容改革等方面進行了討論，同時根據超星平臺提供的教學運行數據全面跟蹤、統計、分析、反饋學生的學習行為，促進了教學質量的提升。

1? ? ?課程目標與任務

提高學生實踐動手能力和創新能力是數字系統設計綜合實訓課程的主要目標。本課程要求學生能夠熟練使用Verilog語言描述數字系統;掌握Xilinx Vivado設計套件的開發流程;熟悉Xilinx Nexys4 DDR FPGA開發板的基本組成和使用方法;熟悉復雜數字系統設計流程并能夠進行中大規模數字系統設計。

2? ? ?教學運行與實踐

為有效支撐學科競賽，實現實訓課程與學科競賽的高效銜接，順利實現以賽促教，在教學實踐中對數字系統設計綜合實訓課程的開發環境、教學內容、課程安排、授課方式均做了大幅優化。

本課程所用開發環境是Vivado+Nexys4 DDR。Vivado能夠完成數字系統設計、仿真、綜合、約束、實現、下載比特流、編程等FPGA實踐的完整流程。開發板是Xilinx Artix 7系列的Nexys4 DDR，屬于中高端配置。更重要的是，本課程的開發環境與全國大學生計算機系統能力培養大賽、安徽省機器人大賽——C平臺（FPGA）所用的軟硬件配套，能夠實現課程到學科競賽的無縫轉換。

在課程教學內容上，如表1所示，主要分為五大部分。基于Artix 7系列FPGA開發板，首先介紹Verilog語言和Vivado開發環境，然后再介紹設計型、綜合型實訓項目。最后，結合歷屆全國大學生計算機系統能力培養大賽的競賽題目，特別增加了基于MIPS指令集的CPU設計實訓內容，設計與仿真單周期、多周期和流水線CPU。項目涵蓋驗證、設計、綜合三大類型，由淺至深，比例安排恰當，符合學習規律。在課程講解過程中穿插歷年競賽試題，有利于深化教學內容，提高學生參加學科競賽積極性。

在課程安排上，本課程安排在第四學期開設。一方面，本課程安排在C語言程序設計、數字電子技術之后，計算機組成原理之前開設，便于課程群知識體系的銜接。Verilog語言與C語言具有較高的相似度，同時數字電子技術等基礎知識為本課程提供了必要的知識儲備，也能夠有效銜接第五學期的計算機組成原理課程。另一方面，安徽省機器人大賽——C平臺（FPGA）在每年的5月份開展。學完本課程之后，有利于學生參加下一年的學科競賽。

授課方式采用類似于學科競賽培訓的集中式授課。在第13周至第17周，每周8學時，合計40學時。采用專題教學模式，例如，在完成組合電路設計專題后，趁熱打鐵，完成上板調試、討論。

3? ? ?教學質量分析

超星平臺可以記錄學習過程中師生活動的詳細日志，形成教學運行大數據，為教師提供學情分析報告，也可以為過程考核提供依據。

超星平臺課程門戶“統計”功能主要包括的教學數據有：課程報告、學情分析和成績分析。課程報告提供課程資源統計、課程學習進度統計和任務點完成情況統計。學情分析是指對教學運行過程中學生的學習過程數據做詳細分析。同時，超星平臺支持平時測試、討論、期末考核成績的權重分配，提供了詳細的成績分析功能。

3.1  ?課程報告

3.1.1? ?課程資源統計

如表2所示，本課程資源以視頻為主，文檔為輔。視頻資源主要包括實驗項目課程視頻，用于學生提前預習課程內容。文檔資源主要包括教學大綱、教學方案、教學日歷、PPT課件等。由于在課件中已經包含豐富的音頻、動畫、圖片，故沒有單獨上傳音頻、動畫、圖片等教學資源。

3.1.2? ?課程學習進度統計

超星平臺提供了課程進度和觀看時長統計。任課教師可以查看平均進度、最快進度、最慢進度以及最短觀看時長、最長觀看時長和平均觀看時長，從宏觀層面掌握學生的學習進度。對于最慢進度、最短觀看時長的學生，任課教師需要督促提醒該生跟上學習進度。

3.1.3? ?任務點完成情況統計

除了總體進度，任課教師還可以查看某任務點的學習情況，在微觀層面把握學生對于任務點的學習情況。圖1給出了10名學生在“數碼管動態顯示原理與設計”這個任務點的完成情況。反芻比定義為：視頻觀看時長/視頻實際時長。舉例來說，若以2倍速看完視頻，反芻比會降到50%。若重復觀看視頻，反芻比會超過100%。一般來說，若個別學生該任務點視頻的反芻比低于100%，說明該生未能看完任務點視頻，或者該生以超過1倍速觀看視頻。如果大量學生的該視頻的反芻比低于50%，說明學生對該任務點興趣度較低，也可能是該任務點較為簡單。反之，若反芻比高于100%，說明學生重復觀看了視頻。原因可能在于該任務點難以理解，或者學生對該任務點興趣度較高。

反芻比這個指標可以反映出學生學習行為特點。在實踐中，對于反芻比較低的情況，可以通過設置視頻防拖拽，規定必須按時間順序觀看。

3.2? ?學情分析

學情分析是根據教師組織的課堂活動項目對學生的參與情況進行統計分析，供教師參考。學生參與的活動主要包括簽到、作業、章節學習、線下討論。這里對作業和章節學習做詳細統計分析。

3.2.1? ?作業統計

如圖2所示，發布的作業數量與學生提交的作業數量、批閱數量一致，僅在流水燈設計和電子秒表設計作業中，分別有1-2位學生未能按時完成。從圖3中的作業成績來看，5次作業最高分均在98分以上，平均分在92分以上，最低分80分以上，作業完成質量較高。

3.2.2? ?章節學習統計

以18計科1班6月份的章節學習次數為例，章節學習總數為3580次。由圖4可以看出，學習次數有4次峰值，分別發生在是6-5，6-13，6-20，6-25，這與本月的4次集中授課時間（6-6，6-13，6-20，6-27）呈正相關。另外，在6月下旬的兩次授課之后，在期末考核之前，學生學習頻率峰值高于前期，且波動較大。這說明存在一定比例的學生在臨近期末考試之前突擊觀看課程視頻的現象。

從圖5中6月份的學習時段分布可以看出，在上午8：00-12：00和晚上20：00-24：00這兩個時段學習次數較多，說明這兩個時段學習活躍度較高。具體到某一天的學習時段，以6月20日為例（圖6），當天共學習356次，說明學生在這一天的活躍度較高。其中8：00-12：00有116次，20：00-24：00有122次，占當天學習總次數的64.04%。這說明學生能夠利用一天中的黃金時間來學習本課程，反映出學生對課程的興趣度和學習積極性較高。

通過課程學習進度和章節學習統計，可以查看到學生的學習進度。對于進度較慢或學習次數較少的學生，任課教師還可以查看這些學生的訪問日志，掌握學生學習狀態，進一步加強過程管理。如圖7所示，以18計科1班中三位同學訪問日志為例，王迪、徐睿兩位同學訪問曲線較為平穩，而桑延景同學訪問日志出現2次明顯峰值，波動較大，有可能存在突擊觀看視頻現象。解決辦法一是任課教師根據學生的訪問日志曲線有針對性地督促學生合理安排課程的預習與復習，二是任課教師可以限制課程視頻訪問時間。

3.3? ?課程考核方式與成績分析

3.3.1? ?課程考核方式

如表3所示，根據該課程在人才培養方案中所承擔的培養目標，課程組教師討論后決定考核結構分為課程視頻、作業與測驗、簽到、課堂討論、期末考核五部分。各部分考核要求各有側重，體現在成績比例上分別為10%，15%，5%，20%和50%。其中，前四項在超星平臺中完成，期末考核采取現場考核方式。

《數字系統設計綜合實訓》課程強調實踐能力培養，以動手實踐為主，故期末考核中沒有采用選擇題、判斷題、填空題等客觀題型進行考核。任課教師給出設計型或綜合型題目6題以上，學生從中任選2題，采用現場考核，現場打分的考核方式。在現場考核過程中，學生首先介紹設計思路和主要模塊功能，然后臨場回答教師所提問題。教師可以根據學生對設計思路、模塊功能的介紹來判斷學生對課程內容的理解、掌握程度，再根據學生回答問題時正確性、全面性、流暢度等指標進行再次判斷后給出成績。相比傳統的試卷考核，能夠有效避免學生死記硬背和學生之間相互抄襲，缺點是所給定的成績具有一定的主觀性，且對教師的臨場掌控能力要求較高。

3.3.2? ?課程成績分析

根據課程組統一設置的考核結構和比例，由超星平臺自動計算出課程的綜合成績。如表4所示，在考試成績方面，各班平均分在85分以上，優良率均超過50%，及格率超過95%，反映出學生對課程內容的掌握程度整體較好。另外，課程成績各分數段基本符合正態分布，整體分布相對合理。

4? ? ?結論

根據超星平臺提供的教學運行大數據來量化分析學習行為數據，提出以下建議。

（1）實訓類課程的教學目的是提升實踐能力。在教學實踐過程中將教學內容、課程安排時間、授課方式等與學科競賽相結合，能夠有效深化教學質量，有利于促進課程教學與學科競賽的有機融合，深化、優化教學內容。

（2）在教學實踐中輔之以超星平臺的教學運行大數據和過程考核，有利于任課教師在宏觀上掌握學習進度，在微觀上精確量化學習過程數據，能夠有效提高教學質量，增強學習積極性。

（3）加強學習過程監管，避免學生突擊看視頻。利用超星平臺的管理功能，采取合理約束措施，引導學生利用碎片時間，循序漸進地學習。

[參考文獻]

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