“數字邏輯與微處理器實驗”混合式教學探索與實踐

許 輝，任愛鋒，劉潔怡

（西安電子科技大學電子工程學院 陜西 西安 710071）

實驗課程是人才培養的核心要素，加強課程質量建設，是提高工程類專業本科教學質量，促進高等教育內涵式發展的重要舉措。淘汰“水課”，打造有深度、有難度、有挑戰度的“金課”，無疑是強化本科教育的核心所在[1]。線上線下混合式課程是傳統課堂教學的顛覆性改革。這種模式把課堂教學內容搬到課堂外，由學生自主進行學習，到課堂上再進行討論和實踐，最大化地提升課堂互動的效率。

在高校的課程設置中，實驗作為一種形成科學概念、認識科學規律、掌握科學方法的教學手段，已經成為本科教學中不可或缺的重要部分[2]，其集知識體系與操作應用于一體，是培養工科專業學生工程實踐能力、工程研究能力和提升綜合能力的關鍵教育環節[3]。

西安電子科技大學的“數字邏輯與微處理器實驗”課程是面向電子工程類專業的一門專業技術基礎實驗課。課程改革已完成三屆教學任務（每年秋季學期），在此期間，基于新工科背景的理念研究，改進了課程的教學方法，建設了教學資源、實驗內容，改變了實驗過程和考核評價，構建了“線上+線下”混合式的電子工程技術實驗教學體系，提高了實驗課程的高階性、創新性與挑戰度，為本校培養能夠適應新形勢和未來變化的工程應用型復合人才打下了基礎。

1 實驗教學模式改革的新思路

“數字邏輯與微處理器實驗”是“數字邏輯與微處理器”課程的后續實驗課，課程的教學目標是在學生掌握理論課程知識點的基礎上，通過實驗項目設計與調試，掌握現代數字系統設計方法，掌握微處理器編程技術，提升應用現代數字系統設計工具解決復雜工程問題的能力。教學目標設定為3 個層次。知識目標：掌握EDA 開發工具和硬件描述語言（HDL）設計數字系統的方法，掌握FPGA 開發和電子線路設計等工程應用方面的知識。能力目標：運用所學EDA 技術FPGA 開發方法解決復雜電子系統設計問題，以RISC-V 嵌入式IP 處理器為核心，讓學生掌握微處理器的編程方法、外設及接口的控制方法。創新素質培養目標：激發學生的求知欲，提高其創新思維和創造能力，鼓勵學生不斷追求新技術，以解決現實工程問題和滿足市場需求。

課程團隊針對傳統教學的不足，總結出實驗教學的5個痛點問題：采用傳統實驗教學，教學理念滯后，促教育人不足；知識點不明晰，內容重復陳舊；實驗過程缺乏系統性思維訓練，綜合性與實踐性不足；實驗案例不豐富，項目設計擴展層次提升不高，無法激勵學生的創新思維；課程考評方式單一，時效反饋不足。

基于上述問題，課程組對課程進行重構時遵循“以學生為中心、以能力為根本”的理念制訂培養目標，讓學生能夠得到多方面的訓練和鍛煉[4]。教學改革針對教學目標、內容、資源、方式、考核等多個方面進行不斷探索實踐，提出以案例為導向的知識整合—思維培養—動手實踐—提高創新的線上線下混合式的實驗教學模式。

2 實驗課程混合式教學設計

2.1 課程數字資源建設

從OBE 教學理念中的反向設計原則出發重新構建課程資源[5]。完善充足的實驗設備、線上線下可獲取的實驗資源、從基礎到綜合的實驗內容等是電子工程專業實驗課程資源建設的重點，因此，針對數字邏輯與微處理器實驗課程特點，在課程資源獲取和建設方面進行了拓展改革。

多元化建設更新課程資源。①傳統方式建設課程資源：通過搜集書籍、期刊、網絡、視頻等方式獲取新穎的實驗方案建設課程資源。②科教融合更新課程資源：教師將科研項目中的新技術改造成為適合學生的實驗，以此主動反哺充實實驗教學資源。③產教融合共建課程資源：西安電子科技大學（以下簡稱“我校”）與多個國內知名企業，如易靈思、紫光同創、高云等企業，建立了合作關系，聯合這些企業產學合作共建課程資源。

形成線上線下教學互動生態圈。傳統的驗證性實驗不再適用于現代電子工程專業實驗，實驗教學活動不應只局限于課堂，而應從線上、線下不同時間和空間上進行擴展。我校利用“學在西電”、MOOC 等線上學習平臺打造了教師與學生之間、學生與學生之間的線上互動場景，將知識的吸收與應用相貫通，實現啟發性教學與實用性教學的同步，從而靈活地拓寬學習維度。

學生參加學科競賽獲取創意補充教學。教師在指導學生參加全國FPGA 設計大賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽、大學生創新創業訓練計劃項目、“挑戰杯”競賽等學科競賽的過程中，一方面通過學科競賽拓展了學生的知識面和應用能力，增強了學生的實踐動手能力，進而全面提升學生的綜合素質，另一方面通過競賽可以了解教學中的不足去修正教學內容和方法，也能夠通過競賽吸收學生的新創意、新方案并融入教學資源中。

2.2 實驗內容建設

實驗教學是課程教學的重要組成部分，其不僅是對理論知識的驗證，更重要的是對于學生實驗操作技能的訓練和能力的培養，是實現學生動手操作能力提升和創新精神培養的重要途徑。“數字邏輯與微處理器實驗”是理論課程的延續，理論課將傳統的數字邏輯電路與微處理器融合到一起構成現代數字系統，本實驗課程順應課程改革，將傳統的數字邏輯電路實驗和微機實驗進行融合，新實驗以數字系統設計為目標，經過理論分解、目標劃分、任務分解、能力提升等研究，提出構建了對應的實驗內容分層遞進體系，通過基本仿真實驗、基礎驗證實驗打下基礎，通過綜合設計實驗提高應用綜合能力，通過擴展設計實驗提高創新能力。

2.2.1 基本仿真實驗

基本仿真實驗在課前完成。為了適應電子信息技術的發展，要求學生觀看視頻學習實驗原理、vhdl或verilog硬件描述語言、安裝Efinity EDA 軟件、ModelSim 仿真軟件、GTKwave調試軟件，并完成預習任務；引導學生熟悉課堂實驗教學內容，完成如計數器、譯碼器、序列信號產生器等基本邏輯電路的編寫、仿真、驗證與測試，在線提交實驗結果。

2.2.2 基礎驗證實驗

基礎驗證實驗在線上和實驗室共同完成。學生先在線上預習完成測試和基本仿真實驗，教師在線批閱測試和仿真實驗結果，并發布指導建議。學生進入實驗室后，教師重點講解實驗注意事項、背景、知識點和可能遇到的難點。學生在熟悉實驗設備和軟件使用的基礎上，獨立完成分頻、發光二極管數碼管顯示、撥動開關按鍵開關輸入識別等基礎實驗任務，學習利用調試軟件的采集數據與波形，初步建立解決遇到的工程問題的思路和方案。

2.2.3 綜合設計實驗

綜合設計實驗在課外與實驗室完成，是從基礎到綜合應用能力提升的關鍵。每個實驗項目都由基礎實驗的幾個模塊集合實現，內容多樣并貼近現實，如RISC―V 流水燈、數字時鐘、交通燈、出租計費器、自動收貨機等十幾個項目，可提供給學生更多的選擇。實驗要求學生線上查找相關資料、自主設計系統軟硬件實現方案、層次化設計模塊并編寫各模塊程序、進行功能仿真驗證、軟硬件聯合調試、實現所要求的基本功能、現場提交驗收并回答教師的提問。綜合實驗讓學生在解決實驗過程中遇到的復雜問題、困難或者挑戰的經歷和體驗中習得新知識、獲取新技能，提高創新能力。

2.2.4 擴展設計實驗

在綜合設計實驗過程中，教師要不斷引導學生開闊眼界、腦力激蕩、創新思考，提出深化完善實驗的新功能，并通過獎勵機制激勵學生進行實現，學生自由結合組隊，在綜合設計基礎上自行提出創新性的設計思路和實現方案，完成擴展性的功能。擴展實驗為學生參加科技與實驗創新、學科競賽奠定了良好的實踐基礎。

2.3 多維度過程考核

課程考核方式是課程建設的重要環節，是檢驗學生學習效果的重要手段，也是評價課堂教學質量的重要依據之一。通過不斷改革，課程組針對本課程構建了一套混合教學模式的多維度過程性實驗考核評價體系，考核內容由四部分構成，分別是：①課前線上預習，完成實驗相關知識測試；②課前仿真實驗和課中基礎驗證實驗的過程考核，實驗結果上傳教學平臺；③綜合及擴展實驗由教師在線下進行功能和指標驗收，學生現場回答設計調試等方面的問題，教師根據驗收結果和回答問題的準確性給予成績，并上傳教學平臺；④課后學生上傳實驗報告，根據其選題目的、方案分析和比較、設計過程、發現和解決問題等多個方面給出實驗報告成績。每部分考核內容和所占比例各自不同，考核注重實驗過程和學習能力，更加合理和客觀地評定成績，并及時動態反饋給學生，有利于持續改進實驗教學效果。

3 混合式實驗教學的實施

“數字邏輯與微處理器實驗”在教學實施過程中突出體現以學生為中心、教師主導、成果產出、持續改進的教學思想。實驗過程采用“線上+線下”混合教學模式完成，實驗內容包含了“基本+綜合+擴展”三個部分，具體包括了線上基礎知識學習、實驗準備工作、各階段實驗、驗收評價等步驟，在此過程中，教師全程線上線下動態監控，和學生構成雙向反饋。

在每次實驗的開始，教師線上進行實驗任務的布置；學生在深入了解實驗項目后，設定任務要求和完成的具體功能，合理安排任務完成時間表；之后學生進入實驗室線下完成設計、調試和驗收。在設計階段，學生根據實驗所涉及的知識，按項目組討論并擬定實現方案，決定選擇的器件，及采用的開發工具及語言，各自完成設計任務，教師負責指導解答學生提出的各種問題。在綜合調試階段，學生將各自的軟硬件設計綜合起來調試，直至完成任務，教師負責指導和監督進度。在驗收和總結階段，教師對每組的實驗成果進行驗收并做出總結；對特別優秀的則組織安排其進行實驗方案、實現方法、遇到的實際問題和解決方法以及未來改進的方向等的介紹。在整個過程中，學生遇到問題可以線下線上發布，其他學生和教師都集思廣益參與討論，達到共同解決問題、共同提升的效果。

4 結語

本文從分析“數字邏輯與微處理器實驗”實驗教學現狀和痛點問題入手，結合教學目標，探討了線上線下混合式實驗教學模式的改革與探索實施。在三年的教學實施過程中，通過不斷摸索，構建了線上資源和考核評價機制，形成了基本仿真實驗、基礎驗證實驗、綜合設計與擴展設計實驗的多層遞進的實驗結構。有效地提高了學生自主學習和靈活應用知識的能力，使學生具備解決復雜工程問題的能力，能夠適應新技術、新產業、新業態、新模式的發展。