信息類專業硬件基礎實踐的項目沉浸式教學模式

方愷晴　張洪杰　劉峰　錢彭飛

摘要：以“數字系統設計實驗”為例，根據工程教育專業認證標準規劃教學，探討一種以工程項目為驅動的沉浸式教學模式，讓學生能靈活掌握和運用所學的知識，體驗一個工程項目完成的過程。再結合信息類相關硬件實驗中遇到的問題，逐步解決問題，提高教學質量。

關鍵詞：工程教育專業認證；沉浸式教學模式；便攜式實驗設備

0.引言

我國的工程教育專業認證是由行業協會、專業學會與該領域的教育專家、行業專家和企業專家針對高等教育本科工程專業的一種合格評價。工程教育認證的目的是構建工程教育的質量監控體系，推進教育改革，進一步提高教育質量。對于信息類專業，要求培養的學生不僅具有扎實的專業基礎，更重要的是要有提出問題并解決問題的實踐能力。現階段，信息類專業的畢業生并不能滿足企事業單位對相關專業人才的要求，導致這一問題的主要原因是高校教育與企業需求存在著較大的差異，高校更偏重于理論教學，而沒有足夠重視學生工程實踐技能的培養。

“數字系統設計實驗”是信息類所有專業必修的一門專業基礎實踐課，對這門課的學習將直接影響到學生對“數字電路與邏輯設計”理論知識的掌握，以及后續“計算機組成與結構”“微計算機系統”“嵌入式系統”“ASIC電路設計”“DSP技術”等眾多課程的學習。工程教育專業認證是國家對高校人才培養的一種認可，認證過程就是對專業建設不斷學習、不斷完善、不斷創新的提升過程。專業認證可以使我們更進一步地明確培養目標，培養具有綜合分析能力、溝通能力、實際動手能力和科研開發能力的應用型人才。如何以專業認證為契機，以項目為驅動，以“數字系統設計實驗”為硬件基礎，從人才培養目標、教學內容、教學環節、教學方法等方面進行全面改革，探索一種沉浸式的教學模式。

1.項目沉浸式教學模式的探討

1.1沉浸式教學模式的理念

沉浸式教學模式是通過多種方式引導學生，以“做”為主，以應用為本，讓學生寓學于做，進入一種“沉浸”體驗的學習狀態，從而提高教學質量與成效。該模式通過多種自制教學實驗板，以項目為驅動，涵蓋認知型、設計型和綜合型的實驗內容，為學生提供全方位的實驗資料（大綱、運行圖、實驗視頻、課程網站等）。同時能夠給學生創造良好的教學環境和學習氛圍，學生能夠自主地完成各個基本模塊的學習，能夠充分體驗整個團隊完成工程項目的全過程。

1.2研究目標

在培養目標的指導下，根據專業認證標準中的12條畢業要求，對課程教學目標進行修正，重新確定教學內容、設計等教學環節。以學生為中心，在工程項目為驅動的沉浸式教學模式下，培養學生在執行項目過程中發現問題與解決問題的能力，使其養成能夠按照工程原則與規范進行實驗項目的分析、設計、開發、測試和協同管理的良好習慣。

1.3研究內容與實施方案

1）課程目標與課程分析。

“數字系統設計實驗”是針對計算機信息類專業開設的一門技術基礎實踐課。以該課程為示范，依據工程教育專業認證標準，確定教學目標，并以教學目標確定學生課程學習與畢業要求達成度的指標點（見表1）。該課程通過設計一個數字系統來拓展學生視野，讓學生了解一個工程項目的設計過程，掌握FPGA開發應用技術，EDA技術輔助設計數字系統及分析方法；理解數字電路與邏輯設計的相關知識。設計過程中學生需要自制實驗板，通過項目讓學生沉浸于動手實驗來學習理論知識，使其自主獲取知識，能有效地提高學生綜合分析問題和解決問題的能力。本課程的任務是傳授實驗知識、實驗方法，培養實驗技能。課程預期效果見表1。

2）確定實驗內容及實驗環節。

依據課程目標、課程特點以及學生經過課程學習后與畢業要求達成度的指標點確定實驗內容。本期實驗分為基礎模塊與綜合設計2部分，基礎模塊涵蓋數字系統設計的各種方法與基本知識點，綜合設計部分則是針對各種實驗方法及知識點的應用。基礎模塊之間相互銜接，知識點可多次嵌套運用。學生利用參考資料依次完成實驗，將“聽”“閱讀”學到的知識運用到實踐中從而達到沉浸式寓學于做的效果。在實驗教學中我們依據教學目標設定相應的5個實驗環節，具體如下：

（1）教學活動1（實驗基本項目）：基本實驗項目旨在促進學生思考和應用知識的基本訓練。

（2）教學活動2（綜合項目設計）：綜合項目設計旨在促進學生在團隊合作下，綜合運用工程知識及現代工具，設計完成特定需求的系統或部件，設計實驗，分析并解析數據，完成報告。

針對認證過程中如何體現學生分析、解決復雜工程等問題的能力，就綜合設計的選題和操作過程有著完整的項目分解做指導，最大化地幫助學生完成自主學習。學生在綜合項目中的團隊具體執行過程已經可以遵循項目控制表（見表2）的指導全程檢驗。

（3）教學活動3（文檔報告）：書寫報告是為了促進學生獲得對相關內容的深刻理解和展示歸納總結概念的訓練。

（4）教學活動4（日志）：日志的目的是增強學生自己發現問題、分析問題和解決問題的能力訓練。

（5）教學活動5（測試）：針對認證過程中如何體現學生分析、解決復雜工程等問題，確定測試內容與測試方式，促進學生進一步掌握相關工程知識、學會設計實驗、分析解釋數據，快速完成分析報告的訓練。

數字系統設計已經引入現代EDA技術達十多年，近兩年來對技能培訓方面積累了一定的改革基礎，如仿真驗證專項訓練，訓練時提供給學生專項實驗視頻及注釋，訓練測試則是對仿真基本技能及方法的歸納與總結，以及考核其是否能夠對其方法運用自如（見表3）。

在工程專業認證指導下，我們加深對復雜工程的理解，持續性改進原來實踐教學內容，如VHDL結構式描述與LPM定制方法的項目設計和測試（見表4）。

3）綜合項目驅動的沉浸式教學管理方法。

教學方法總的指導思想是以學生自主學習、自主實驗為主，教師干預為輔，讓學生寓學于做完成實驗。在具體教學過程中，教師利用自制實驗板，為學生自主實驗提供充分的實驗條件，在第一次實驗課堂上教師會把本實驗課的相關事宜（內容、組織方法、要求、考核等）以及每周的實驗安排（課程運行圖）告之學生，用FPGA進行數字系統設計的實驗方法涵蓋在前期基礎實驗模塊中，為了讓學生掌握這些方法，每個實驗模塊給學生提供豐富的實驗資源（講稿、要求、實驗視頻），并有相關的課程網站，方便學生能獨立完成基礎實驗。學生每班按照強弱搭配的原則分為4組，各班挑選4名動手能力強，學習能力強，并熱心富有奉獻精神的學生為小組長，在組長的帶領下，小組成員一起學習共同完成實驗任務。

在完成涵蓋基本實驗方法和知識點的模塊后，安排學生以小組為單位完成一個綜合工程項目。該項目是實驗教師精心選擇，具有實用性、應用性的一個案例，依據每組人數精心劃分了功能模塊，以及每個模塊要完成的任務，并寫好任務書，以及規劃好項目執行控制時間表，讓小組長帶領組員依據各自能力選擇認領相應任務，并在組長的帶領下，用4周時間完成該項目，要求在實驗板上看到實驗結果，實驗板不是學生平時實驗用的便攜板，而是具有功能更強大的數字系統設計III型實驗板，學生靈活運用學到的知識，在新的實驗板上做出各自的實驗結果。該項目的完成占學生本課程成績的40%，學生要完成該項目，需小組成員共同協作，在實驗室用實驗板調試儀器，經過多模塊、多次調試才能最終完成任務。

在教學中，通過選擇合適的綜合工程項目，以項目為驅動，讓學生能夠沉浸在實驗中，以綜合工程項目驅動貫穿整個學期。整個實驗過程，我們是以自制便攜式實驗平臺為依托，從第一周開始學生就可借用此便攜板，方便學生在課堂以外使用與學習，從而激發學生的自主創新能力，以引導學生迅速入門，并在實驗教學中充分利用上述各種實驗指導方法，讓學生能順利開展實驗教學活動。

2.結語

本文以工程教育專業認證標準為指導思想，重新規劃教學，對信息類硬件基礎實踐的教學模式進行了初步的改革和實踐，提出以工程項目為驅動的沉浸式教學模式，讓學生能靈活掌握和運用所學的知識，體驗一個工程項目的團隊合作完成過程，以此來解決信息類相關硬件實驗特別是綜合實驗教學環節中的相關問題。雖然得了初步的成效，但這僅僅是開始，我們的目標是以專業認證為契機，用專業認證的標準來規范實驗教學，提高畢業生的綜合素質，培養更優秀的專業人才。