動作分解教學法在數字系統實驗教學中的應用研究

方愷晴，張洪杰，錢彭飛，劉 峰

（湖南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410082）

0 引 言

數字系統實驗是高等院校信息類學科必修的一門專業基礎實踐課，是后續專業課程的基礎，有著很強的實踐性[1]，這門實踐課的教學一直在改革，雖然已取得不錯的成績，但隨著時間與條件的變化，改革依舊在繼續，學生的時間寶貴，如何從學生角度出發，讓學生在有限的時間內收獲更多，是我們改革需要重點考慮的問題[2]。動作分解教學法是一些實操和競技體育運動訓練與教學中經常用到的方法，如何把這種方法應用到實驗課程的教學中是文章研究與探討的重點。

1 動作分解教學法的概述

動作分解法是指把完整的動作合理地分為幾個部分或段，逐步進行學習與訓練，最后達到全部掌握的方法[3]。實踐課程同樣可以將完整的教學劃分成幾個小部分,并按照一定的步驟開展教學工作，直到學生掌握所有動作，再將這些動作整合在一起[4]。這種動作分解教學法完全可以借鑒運用于數字系統實驗教學。數字系統實驗是一門實踐性很強的硬件基礎實踐課程，它的教學重點應放在動手能力的培養上，也就是相關的技能訓練。我們可以對課程達成的目標進行分析，把課程需要培養學生的技能逐一抽離出來，把這個過程看做動作分解的過程，依據實驗內容規范每一個動作、技能訓練。隨著分解教學法的應用，對于難度大而相對復雜的動作（大綜合設計），學生將清晰地看到分動作的細節，再將學到的單個技能運用到最后的復雜動作中去，最終完成大綜合設計。

2 動作分解教學法在實驗教學中的實施與探討

數字系統實驗這門實驗課程，其實很多內容是經典的，可以保持不變，如果從系統角度出發，把內容重新梳理，把系統設計必備的技能抽離出來，再從學生現有的知識角度出發，重新規劃每節課內容與培訓目標對應，并通過課后題庫練習加強相應技能訓練，這個體系的整體設計讓學生在實踐過程中慢慢體會，通過練習找出規律，最后再通過大綜合的實踐去運用這些技能，用心按要求去做，一定會有自己的領悟。

2.1 課前調研

課前通過網上麥克表單調研學生的現狀以及具備的知識情況。調研結果為：學生時間有限，實驗課時有限，有限時間內需要學有所值；實驗課超前理論課（理論與實驗課在同一學期）；學過理論課、借過實驗板、做過實驗，但是實驗課時學生依舊不會用實驗板、不會仿真等基本技能（部分專業學生的實驗安排在理論課的后一學期進行）；缺乏觀察能力，沒有工程實驗的思想；習慣隨大流，不習慣看圖；對發現問題不敏感，等著安排，百度求解答案；預備知識只有英語、C語言。

2.2 課程分析確定教學目標

依據對學生的調研結果和課程的分析，以工程教育專業認證為標準確定教學目標，目標是培養學生具有軟件、硬件與系統的設計、測試與實驗的能力；把學生分析和解決工程的能力分步拆分成單個技能，再把這些單一技能揉捏到相關實驗項目中進行培訓，技能涵蓋5個基本技能，如圖1所示。

圖1 數字系統實驗課程的培訓技能

2.3 實驗內容與培訓技能一一對應

將上述五大基本技能逐一分散到各次實驗中，項目與技能培訓一一對應，課堂時間有限，需用短期技能練習，讓學生明確培訓目標，以綜合項目為入門，輔以仿真、HDL模塊建模實現編程，并通過課后網上題庫，進一步加深專項技能訓練，最終以大綜合驗證學習效果，詳見表1。

2.4 分步訓練

整個數字系統設計訓練安排2個大綜合項目，在課程開始和結束時分別進行，中間穿插專題訓練。

1）綜合項目訓練。

第1個綜合項目從生活起步，以三位數碼管掃描顯示為例，從設計思路、畫圖、識圖、分析圖、通過文字描述其算法形成結構圖、硬件語言代碼、仿真功能驗證、測試工具使用、調試基本方法（含錯誤信息識別與解決），最后完成整個項目形成文檔。這個訓練分4次課完成，每次課有其訓練重點（詳見表1），將其動作分解，每節課強調規定動作的完成，讓學生明白本次課的訓練目標，盡量在課堂上完成本次訓練，這個簡單而又復雜的實例可以讓學生基本掌握FPGA開發設計流程，整個流程參考圖2[5]，給學生實踐指出明確的引導方向，方便學生課后練習遇到疑問時尋求解答。

2）單項技能訓練之仿真技能。

仿真技能訓練安排2次課（含測試），通過典型實例訓練學生仿真的基本技能，系統地講解仿真的基本原則、常規步驟、仿真過程中各個工具的使用和實用方法，課后配有題庫訓練。

表1 實驗內容與技能培訓對照表

（續表1）

圖2 FPGA開發流程圖

3）單項技能訓練之代碼編寫。

硬件描述語言部分的訓練，涉及教材中的組合電路設計、計數器與分頻器、狀態機序列檢測器等部分內容，不是單一完成某個實驗任務或寫一段代碼，而是從問題分析到畫RTL結構圖的完成、結構圖的描述方法掌握到代碼描述的套路等訓練，此項訓練安排4次課（含測試）。同時，每次課后有題庫供學生在線訓練，教師每天都可通過系統后臺關注每一位學生課后訓練情況。

4）大綜合訓練。

自選綜合項目，通過對任務的解讀，抽象出任務，并畫出結構圖，再運用各項技能在實驗板上實現目標功能，并完成設計報告，以大綜合設計實踐來驗證學習效果。

2.5 考核與網上題庫訓練相輔相成

每次實驗課在課堂上完成規定任務，明確培訓目標，課后配有網上題庫，學生需在課后完成相應題庫才能參與相應的題庫測試，未完成者不允許參與在線題庫測試。考核分為題庫作業（30%）、在線題庫測試（30%）、綜合1驗收與報告（20%）和大綜合驗收與報告（20%）。系統后臺可統計出學生的整體課后題庫完成情況，從題庫的完成統計情況能明顯區分出學生的學習態度。依據上述考核方法，能夠比較合理地對每一名學生的實驗情況給出較為公正的評價分值。

3 教學效果總結

經過一個學期的實踐，通過分析動作分解教學法運用于數字系統實驗課程的教學效果，可以得出的結論有：①此執行方案通過實踐，以綜合項目入門，輔以仿真，節奏很緊湊，學生反映好，這一點要堅持下去。②編程部分的訓練，像做瑜伽、彈鋼琴一樣，天天練才會有肌肉記憶技能，不是單純靠學能會的知識，因此，課后大量的題庫訓練還需繼續加強。③大綜合項目的題目是學生在15個題中自選的，學生花了大量時間才完成，部分題目比較偏，百度上能搜到的信息少，影響學生的信心；另外，大綜合的安排正好是學生考試周前后，影響了教學效果。④實驗內容的設定，如綜合項目的選擇很重要，以第一個綜合項目為例，這個案例中最后的層次化設計，是從建模開始，從模塊到信號再到實現的全過程體現，仿真、編程技能都能夠揉進其中。實驗內容應該依照這樣的標準進行設定，達到全面訓練學生的目的。⑤仿真技能與編程題庫可以單獨分離出來作為單獨的機測知識部分進行測試。⑥大綜合可以選擇一個經典案例去分組完成。⑦綜合合作部分，學生的日志報告文字功底還需加強。

4 結 語

數字系統實驗課程的實踐形成了一套完整的實驗體系，體系的功能完善，教學思路新穎，任務的完成既能讓學生獲得滿足感與成就感，又可激發他們的求知欲望，從而提高學習興趣與學習效率，改變學生的學習狀態，使學生建構起探究、實踐、思考、運用和解決問題的研究學習體系[6]，實踐中發現的問題也需要在后續教學中不斷解決。

[1] 方愷晴, 張洪杰, 劉峰, 等. 信息類專業硬件基礎實踐的項目沉浸式教學模式[J]. 計算機教育, 2016(7): 108-113.

[2] 方愷晴, 張洪杰, 劉峰. 數字邏輯“做中學”實驗教學模式的探討[J]. 實驗技術與管理, 2009(10): 107-110,113.

[3] 鐘明寶. 分解法教學應用的理論性研究[J]. 體育學刊, 1996(4): 90-91.

[4] 王震東. 分解教學法在少兒武術教學中的應用研究[J]. 當代體育科技, 2017(1): 112, 114.

[5] 方愷晴, 張洪杰, 劉三一, 等. 計算機硬件技術基礎實驗教程[M]. 2版. 北京: 清華大學出版社, 2017(2): 108.

[6] 王紅航, 劉凱, 鄧春健, 等. 數字電路綜合實驗設計案例驅動法教學探討[J]. 計算機教育, 2017(7): 140-143.