基于云實驗室的數字電子技術實驗課程教學改革

黎 想，雷 霞，李 宏

（1.寧波大學信息科學與工程學院，浙江寧波315211；2.寧波城市職業技術學院信息與智能工程學院，浙江寧波315100）

0 引 言

數字電子技術是電子信息類各專業的一門必修基礎課程，數字電子技術課程實驗教學則是數字電子技術課程的重要組成部分。其實驗教學可使得學生加深對數字電路基本概念、基本原理的理解，將學到的分析方法和設計理論應用于實踐［1］。國務院在印發的《中國制造2025》中指出全球制造業格局面臨重大調整，要加快推進新一代信息化與制造技術融合發展，大力推動新一代信息技術產業發展［2］。要實現中國制造2025，我國需要一大批電子信息類創新性人才，在電子信息類人才培養過程中，高校起著重要的推動作用。目前，數字電子技術作為高校里電子信息類人才培養中重要的一門專業基礎課程，其實驗教學的開展大多還停留在傳統的實驗教學模式，迫切需要進行實驗教學改革。近年來國內外部分高校開展的基于虛擬仿真實驗室的實驗教學［3-4］在一定程度上打破了傳統的實驗教學模式，但該類實驗教學的開展大多還是基于設定的參數模型，與真實的實驗還是有較多的差異。目前，基于遠程控制技術的網絡實驗是最貼近現場實驗的方式，其最大的特點就是能夠在虛擬的實驗環境中獲得真實的實驗結果［5-6］，一些高校一直致力于實現在該類網絡實驗平臺上開放實驗資源和接入更多的實驗設備［7］。隨著云技術、云服務的廣泛應用，遠程控制、網絡化這類的云實驗平臺快速發展［7-8］，通過云實驗平臺構建的實驗教學服務也為高校的實驗室建設和教學改革提供了新的思路。

1 傳統數字電子技術實驗教學存在的問題

數字電子技術實驗教學一直以來備受高校的重視，國內外許多高校都在該實驗課程上進行改革實踐［9-10］。數字電子技術實驗課程改革經歷了由單一的以手工為主向以EDA技術為主的轉變，早期的數字電子技術實驗教學采用中小規模邏輯器件通過導線連接的方式設計數字電路，伴隨著可編程邏輯器件的發展，許多高校開始在傳統實驗教學基礎上引入EDA技術和可編程器件，借助EDA軟件對電路進行設計與仿真，并在FPGA/CPLD芯片上進行實現，使得數字電路設計實現變得更加靈活便捷［10］。但是目前數字電子技術實驗教學大多采用在實驗室通過實驗箱或評估板來集中完成的方式，這種教學方式單一、局限性大難以滿足教學需要，存在諸多不足。

（1）學習進度難以統一。教師講授實驗內容、原理、方法，學生分組在實驗裝置上完成實驗。學生實驗由于環境、課時等的限制，使得實驗內容大多以驗證性實驗和簡單的設計實驗為主，一般先由教師講解實驗設計思路，而后學生通過模仿實現自己數字電路設計。這種灌輸式教學為了照顧大多數，往往導致接受能力較弱的學生無法跟上進度，而能力強的學生又會覺得吃不飽，使學生學習積極性和主動性受到制約。

（2）考核評價不全面。在傳統的課堂實驗過程中，學生需要花費大部分的時間用于調試電路，即便學生進行了課前預習和仿真，但由于電路仿真與實際電路是有一定差異的，電路實現也會出現一些問題。實驗的調試、測試仍需要耗費不少的時間，這使得指導教師大部分時間比較空閑或忙于電路故障的排除，只有在實驗課結束前不多的時間對實驗完成情況進行檢查和評判。要在少量的時間內對大量的學生實驗進行評判，導致實驗評價過度依賴實驗結果，缺乏過程考核，使得評價準確度欠佳。此外，學生的最后實驗成績往往根據實驗報告和課堂考勤給出，在一定程度上就會使得部分學生只是為了考勤而來應付實驗，出現實驗設計、報告抄襲嚴重的情況，進而導致實驗效果大大降低。

（3）實驗資源利用率低。學生只能在實驗課上使用實驗設備，使用設備的時間地點也比較固定。伴隨著近年來高校招生人數的劇增，使得實驗資源變得日益緊張，經常出現多人共用實驗設備的情況，而很多時間實驗資源又出現閑置的狀態，使得實驗資源不能合理利用。通過單一的增加實驗室開放時間并不能從根本上解決問題。由于這些限制使學生常常不能在規定的時間完成實驗內容，挫傷了這些學生實驗的積極性，特別是在一些內容較多、較綜合的實驗項目上這種現象尤為突出。

2 數字電子技術云實驗平臺建設

云實驗室作為一種共享、開放的網絡化實驗教學服務平臺，能夠提供數據存儲、管理等云服務［11］。針對傳統數字電子技術實驗教學中存在的問題，借助云技術和云服務構建數字電子技術云實驗平臺，通過建立全開放、擬實的實驗環境、提供真實實驗數據的方式來提高實驗教學的效率，實現實驗教學資源的完全開放共享，促進學生之間的交流協作，不僅調動了學生實驗的積極性，同時也克服了一般虛擬仿真實驗純粹依賴仿真模型的不足。

數字電子技術云實驗平臺建設以阿里云服務器［12］為云服務主機，采用基于TCP/IP協議的雙C/S結構［13］，客戶端與阿里云服務器為第1層CS結構，云端數字電路實驗硬件平臺與阿里云服務器組成了第2層CS結構。數字電子技術云實驗平臺總體結構如圖1所示。

該云實驗平臺包括3個部分：云端數字電路實驗硬件平臺、基于Web的數字電路實驗客戶端和基于阿里云服務器的管理與服務系統。云端數字電路實驗硬件平臺由多臺無線的實驗設備組成［14］，實驗設備上設有Intel公司的FPGA可編程芯片用以運行實驗，每臺實驗設備通過WiFi連接到路由器與云服務器進行數據交換；基于Web的數字電路實驗客戶端是一個擬實的圖形化操作窗口，學生登錄進入該網頁端進行實驗操作，并實時顯示硬件平臺返回的實驗結果；管理與服務系統運行在阿里云服務器上，負責橋接實驗客戶端與云端硬件設備、存儲實驗相關信息、對實驗資源進行分配和管理、提供在線交流服務，是數字電子技術云實驗平臺重要的組成部分。

圖1 數字電子技術云實驗平臺總體結構圖

云實驗平臺通過管理與服務系統實現對數據信息和硬件資源進行管理，用戶通過管理與服務系統實時查看硬件設備使用狀態，合理安排時間進行實驗操作，教師在系統中靈活地更改實驗項目內容，滿足教學需求。管理與服務系統的功能如圖2所示，包括用戶管理、實驗項目管理、自動評判管理、云端硬件設備管理、實驗數據管理、在線交流服務等。各個功能模塊之間互不干預，有助于整個系統日后的維護和升級。

圖2 管理與服務系統功能框圖

3 基于云實驗室的數字電子技術實驗課程教學改革

借助數字電子技術云實驗平臺對教學內容與方式、實驗教學流程、考核方式進行全面探索和改革，以實現傳統實驗教學模式向互聯網+的教育模式［15］轉變。

3.1 線上線下相結合的教學方式

針對以可編程器件為主的數字電子技術課程實驗教學，借助數字電子技術云實驗平臺，實驗教學可以采用線上和線下相結合的方式來進行，如圖3所示。

圖3 線上線下教學方法示意圖

這種實驗教學方法充分圍繞以學生為中心、以項目為導向，采用“任務驅動式”實驗教學方式。教師布置實驗任務后，首先由學生自行查詢資料、編寫設計文件、對設計的電路進行仿真驗證，然后將實驗電路配置到線上的數字電子技術云實驗平臺進行電路測試，提交自動評判系統進行實驗對錯判斷。線下，學生在實驗室中將仿真、測試通過實驗設計在實驗設備上進行演示，教師現場對實驗的設計、操作、結果等進行質詢和提問，并給予有效指導。這樣，教師可以集中精力在有限的時間里進行有效的指導，了解每個學生的實驗情況，也有效地避免了實驗抄襲情況。通過線上線下相結合的方式極大地激發了學生的實驗興趣、調動了實驗的積極性、提高電路設計能力，實驗資源也得到了有效利用。

3.2 多層次、多元化的教學內容

數字電子技術云實驗平臺的引入，使得傳統的實驗教學內容更加豐富，項目類別多元化，內容難度多層次。數字電子技術實驗內容以基于FPGA的設計項目為主，兼顧采用標準邏輯器件的電路設計。實驗項目類型以設計性、綜合性為主，占總實驗課時的86%，配合少量操作性實驗來掌握EDA軟件和實驗設備的使用。為給學生自主研究與發揮留有足夠空間，促進應用型人才的成長，將實驗要求分為基本與提高2個部分：①既設置一部分基本的必做實驗項目，以滿足基本的教學要求，同時也設置一部分提高的選做實驗項目，讓學生根據專業、興趣愛好進行選擇。②在實驗項目中，既設置基本的必做實驗內容，又設置提高的選做實驗內容，以滿足學生特長和個性發展的需要。基于可編程器件和EDA工具的實驗項目均采用線上線下相結合的教學方式，具體實驗內容包括：EDA軟件和實驗設備使用、組合邏輯電路設計、時序邏輯電路設計、存儲器與數模/模數轉換器應用、有限狀態機設計、簡單數字系統設計等。

采用標準邏輯芯片接線的實驗對理解門電路和掌握標準邏輯芯片的使用仍具有重要作用，這些實驗在線下實驗室集中完成，相應的實驗內容包括：OC門/三態門應用、組合邏輯電路設計、時序邏輯電路設計等。

3.3 數字電子技術云平臺實驗流程

學生根據實驗項目的任務要求，在EDA軟件（Quartus II）中進行實驗項目的設計、綜合、仿真驗證、管腳分配，生成.rbf的配置文件；通過基于Web的數字電路實驗客戶端將配置文件傳送到云端實驗硬件平臺并配置到FPGA中；學生通過實驗客戶端實驗窗口進行實驗操作，客戶端實時顯示硬件平臺返回的實驗數據和結果，從而判斷項目設計正確與否。

對于系統中預設的實驗項目，學生還可以通過客戶端上的“提交項目”來進行在線自動評判，這時云端服務器會將數據庫中的評判指令發送到云端實驗設備上進行項目評判，并將評判結果發送到客戶端上，當設計出現錯誤時會根據情況給出錯誤提示。

線上實驗流程如圖4所示。整個實驗過程中，云服務器端與云端實驗設備之間指令、數據傳輸相當于一個黑盒子，給學生直觀的感受其只是與實驗設備進行交互，這樣能夠讓學生得到良好的實驗體驗。云平臺客戶端操作窗口如圖5所示，它的樣式、操作、顯示等與線下實際數字電路實驗裝置完全一致，以方便用戶快速入門。

圖4 線上實驗流程圖

圖5 云平臺客戶端操作窗口

完成線上實驗后，學生進入實驗室集中進行實驗項目的現場測試驗收。指導教師針對學生的設計方案、操作規范性和熟練程度、測試結果等情況進行答疑、指導和質詢，最后完成實驗項目的驗收并給出實驗項目的操作成績。對于采用標準邏輯器件的實驗項目，學生需課前進行相應預習、完成項目的理論設計，集中在實驗室完成實驗設計修正、測試和驗收，指導老師針對實驗中的問題進行答疑、指導和驗收。

3.4 實驗評價與考核

基于云實驗室的數字電子技術實驗考核更加注重對學生實驗過程的評價。考核內容包括線上、線下和測驗等幾個方面，線上成績根據云設備使用時長、自動評判情況確定，占總成績的15%；線下成績根據實驗設計、操作、質詢情況給定，占總成績40%；實驗報告15%；實驗考試占30%。線上評價主要針對學生的預習情況。線下評價由教師對學生的設計、驗證、操作進行質詢，根據學生的實驗能力、完成情況、認真程度給出成績。實驗報告根據理論分析、設計方法、實驗步驟、實驗數據記錄、內容完整性綜合給定成績。實驗考試在課程實驗完成后進行，考試一般給定一個簡單設計內容在規定時間內完成相關設計、仿真、測試，如果考試成績低于35分直接判定實驗課程不及格。實驗課程評價考核力求全面，但又有側重地對學生實驗做出綜合評價。

4 教學實踐與反饋

實驗教學改革實踐在通信工程專業大二學生中進行，全班69人隨機分為兩組，A組學生借助云實驗平臺進行實驗教學，B組作為對照組仍舊按傳統方式進行實驗教學。實驗教學結束后，對兩組學生進行問卷調查，調查內容主要包括實驗教學的滿意度、預習用時、云平臺體驗度等方面，其中云平臺的內容僅由使用該平臺的學生填寫。69份問卷統計結果顯示，在滿意度方面，A組中有88.2%的學生對實驗教學較為滿意，B組實驗教學的滿意度為71.4%；在預習用時方面，A組學生平均每個項目預習時間在2 h以上，而B組只有不到1 h；學生普遍對云實驗平臺的體驗度表示滿意，認為云實驗平臺易上手操作、簡便、響應速度快、功能齊全等，也有學生反映平臺的穩定性尚需要改進。總體來看，學生對使用云實驗平臺進行實驗教學普遍認可，但云實驗平臺還須進一步改進和完善。按教學要求學期末對學生進行統一實驗操作考核，考核內容包括項目設計、仿真驗證和下載測試。表1給出了兩組學生的平時實驗操作成績和實驗考試成績。

表1 實驗教學成績（平均成績）對比表

表中可見，A組在平時操作和實驗考試中明顯優于B組，特別是實驗考試平均成績提高了19.5%。A組學生的實驗水平明顯高于B組，這跟平時實驗的預習時間、練習時間的增加有很大關系。在之后的數字系統設計課程上，A組的學生實驗完成情況上也明顯優于B組的學生。在今年的浙江省大學生電子設計競賽上，A組的學生也取得了優異的成績，獲得了省一等獎2項。由此可見，云實驗室在數字電子技術實驗教學中應用，提高了學生的數字電路設計能力、增強了學生的實驗技能和動手能力，為學生今后的學習和工作打下了堅實的基礎。

5 結 語

通過將云數字電子技術實驗平臺融入實驗教學，使學生從以往被動的學習知識轉變為主動獲取知識，實驗學習變得更加靈活自由。線上與線下相結合的教學方式使得考核評價更加全面，云實驗室的運用也進一步豐富了實驗教學內容，充分提高了實驗設備的利用率。實踐表明，學生實驗的積極性和實踐能力得到了較明顯提高。

在互聯網+教育的快速發展下，基于云實驗室的數字電子技術實驗課程教學是互聯網+實驗教學的體現，在廣度和深度上突破了傳統課堂制約［16］。云實驗平臺的在線開放性也使得實驗資源共享成為了現實，資源的利用率得到了提升。伴隨著云實驗室的快速發展，各類云實驗平臺的不斷更新和完善，實驗教學也將迎來新的發展契機。