數字電子技術實驗的線上教學探究

哈爾濱工業大學（深圳）實驗與創新實踐教育中心 王亞男 吳 屏 朱雪秦 姜倩倩

2020年初，全國各類學校的正常教學秩序被打破。為積極貫徹教育部下發的“停課不停教，停課不停學”的教育方針，網上遠程教學如火如荼地展開了。數字電子技術實驗作為一門實驗教學課程，如何能夠在相應的時間節點，保證實驗教學質量的前提下完成實驗教學，成為嚴待商榷的問題。數字電子技術實驗是高等學校電氣類、電子信息類等專業課程教學體系中的專業基礎必修課，具有極強的工程性和實踐性特點，是培養學生專業技術技能和邏輯思維、創新思維的重要環節之一。課程組教師通過梳理以往的數字電子技術實驗教學內容，根據以往的教學經驗，經過數次線上會議的詳細探討，最終確定數字電子技術實驗教學的開展方式。其中，理論知識內容和實驗項目要求部分的授課采取錄播形式，實驗操作內容部分主要以FPGA實驗板為載體，輔以軟件仿真來展開實驗操作，實驗遠程上課內容主要對學生的實驗成果進行視頻驗收，課前課中課后都有教師答疑引導。

一、實驗教學的現狀

（一）“填鴨式”教學

大部分教師只是單方面一味地向學生傳授和灌輸各種知識，對實驗內容及步驟、實驗注意事項等進行講解，學生只能是教學實施過程的被動接受者，根據教師的講解，對照實驗指導書上的操作步驟，按部就班地完成電路搭建和實驗結果的驗證，不是自主學習、自主管理的主體。

（二）實驗內容陳舊

大部分院校的實驗內容多為單一學科的驗證性實驗，這些實驗內容幾乎都缺乏學生自主發揮的環節，實驗內容僵化，實驗方法單一。目前，數字電子技術實驗大部分課程設計的內容和方法以及實踐環節都跟不上新時代的步伐。可編程技術快速發展，已經將數千萬個晶體管組成的、成百上千個各種類型的邏輯單元電路繼承于一片PLD中。用這些基本單元電路足以組成一個十分復雜的數字系統，構成所謂的“片上系統”。針對數字電子技術實驗，雖然部分高校引入了FPGA的教學實驗環節，但有些院校只不過是在實驗課程里添加了為數不多的幾個學時的實驗內容，不能讓學生更全面更深入地學習掌握FPGA技術。

（三）設備老舊

大部分院校的數字電子技術實驗的設備采用實驗箱，一般體積大，質量也比較大，不易便攜，直接限制了學生做實驗的空間。

二、線上實驗教學的確定

（一）實驗教學目標的確定

數字電子技術實驗是高等工科院校中電氣信息類及相關專業的一門主要實驗課程，是一門培養學生電子技術基本技能的實驗教學課程，是學生學習后續專業課程的基礎，在培養學生數字電子電路系統的綜合分析能力、綜合設計能力等方面占有重要的地位。在人才培養上，數字電子技術實驗課程目標的設置，要滿足具有可持續競爭力的創新型專業人才發展和培養需求。

借著這個不能線下教學的契機，憑借先進的信息化教學輔助手段，決定大膽嘗試進行一次學習模式與教學模式的創新探索。給學生提供一個開放的、便捷的學習互動平臺，在課前課中課后與學生保持隨時的互動引導，設計與學習內容具有差異性的教學內容，將線上學習內容在同學們線下的實驗操作過程中進一步延伸和強化，以學生為中心、以教師為引導，充分提高數字電子技術實驗的趣味性，提高學生的學習積極性與主動性；緊跟時代發展的步伐，滿足“新工科”人才培養需求，使學生熟練使用EDA工具、FPGA和Xilinx Vivado軟件，掌握數字電子電路的實驗設計研究方法，培養學生數字電子技術的工程實踐技能以及獨立自主學習的能力、分析問題和解決問題的邏輯思維。

（二）教學策略和教學方法的確定

目前，我國高等教育正處于內涵發展、質量提升、改革攻堅的關鍵時期和全面提高人才培養能力、建設高等教育強國的關鍵階段。貫徹“以學生為本”的教育理念，需要教學理念的更新以調動學生的學習積極性，尤其是激勵其學習的主動性和創造性。在定制教學方案的過程中，充分圍繞“以學生為中心、以教師為引導”的教學原則，以充分調動學生的學習積極性和主動性，高質量地完成實驗教學。線上實驗教學方案經過課程組教師的深思熟慮，保證對教學細節實時進行調整，最終確定如下。

第一，理論知識內容和實驗項目的要求提前一周錄播，上傳到相應的數字電子技術實驗QQ群文件中。學生可隨時根據自己學習課程內容或線下實驗過程中遇到的問題、疑惑、心得等在QQ群進行交流探討，有助于學生充分利用自己的時間、空間去學習，線下設計完成實驗項目。

第二，遠程網上授課環節通過騰訊會議App進行。首先在線上課堂上針對課前學生反映的包括理論知識的學習和線下實驗環節中的問題進行重點講解。講解過后要求以視頻的形式，學生給教師展示實驗成果，要求學生邊展示邊講解自己的實驗成果以及設計思路，最后根據學生各自不同的情況，教師提出針對性的實驗問題，有助于學生帶著問題通過自我分析自我解決后，更深刻更全面地掌握如何設計數字技術電路，使學生能夠更主動專注于基于實驗項目的學習。

第三，課前課中課后，教師會輪流守候在實驗QQ群，以保證在實驗教學的全過程中對學生隨時提出的問題進行及時答疑、指導，同時無形中拉近與學生的距離，有助于消除學生對自主線下完成實驗產生的焦慮感；并針對每一節實驗課學生實驗表現出的種種情況進行總結思考，適時調整學習錄播內容，適時調整監督策略，達到對學生遠程學習的有效監督。

第四，所有的實驗項目通過Xilinx Vivado設計套件及其Artix-7FPGAEGO1實驗板或仿真軟件Multisim進行。由于目前PLD的應用已經相當普遍，數字系統的設計正在朝著速度快、容量大、體積小、質量輕的方向發展，傳統的基于原理圖和中小規模集成電路的設計方法，隨著科技的快速發展，已經被EDA工具和FPGA所取代。故本次線上教學實驗內容的實驗操作平臺的75%采用Xilinx Vivado設計套件及其Artix-7FPGAEGO1實驗板，剩余的采用軟件Multisim仿真實驗平臺。通過FPGAEGO1或Multisim仿真軟件進行線下實驗，切實擺脫了時間與空間的限制，更有助于提升實驗教學質量和培養學生的動手實踐操作能力。

（三）實驗教學內容以項目為導向

將數字電子技術實驗課程的學習和實際工程項目相結合，實現理論與實踐的深度融合，以實驗項目作為牽引和主線，讓學生有目的、有深度、有方向地進行學習和實驗。

錄播教學環節當中，本著以學生為中心、以教師為引導的教學原則，教師以實驗項目為牽引，為學生搭建理論知識框架，在教學上適當留白做到點到即止，培養學生自主學習、獨立解決問題的能力，最大限度地培養學生的創新思維能力。

在實驗項目的基本功能要求下，對實驗內容設置了拓展功能環節，同學們可以根據自己的興趣自主選擇一個或幾個拓展功能去完成，作為加分項體現到學生的實驗成績當中；在實驗課程的后一部分中設計的實驗項目以綜合性和開放性為主，豐富教學內容，進一步有效地提升學生參與度和綜合實驗設計能力。

基于Multisim仿真軟件設計，用邏輯門電路來實現數字邏輯電路的實驗課項目，不僅能讓學生很好地掌握EDA工具，又能夠扎實地掌握電子技術基礎知識，為將來設計性能優異、可靠性強、功能強大的復雜數字集成電路打下扎實的專業基礎。

基于Xilinx Vivado設計套件以及FPGAEGO1實驗板的實驗項目，由淺入深、從簡到難、由組合到時序到系統層層深入，能讓學生穩穩地掌握FPGA的設計方法。由于Vivado的設計輸入主要有原理圖和硬件描述語言兩種，學生可以根據自己的需求，選擇基于IP核的設計方式或基于硬件描述語言的設計方式來實現一定功能的數字系統，極大地發揮學生的自主學習能力和創新能力。

學生獨立設計實驗、完成實驗任務，充分發揮了學生的獨立解決問題和創新能力，自主完成知識遷移，提升應用層面和創造層面教學目標的達成效果，并在此過程中培養學生的工程設計能力。

三、線上實驗教學的特點

（一）提升實驗的自由靈活度，拓寬實驗的時間、空間，實現線上教學線下實驗

面對停課不停學的實驗教學考驗，數字電子技術實驗可以實現線上教學、學生線下實驗的新型教學模式。由于FPGAEGO1實驗板質量輕、體積小，便于攜帶，完全可以成為所謂的口袋實驗，只需要在實驗開課前將實驗板郵寄到每一位學生的手中（做好管理記錄），幫助學生安裝好Vivado和Multisim軟件。實驗所采用的FPGAEGO1實驗板便捷易管理，不占用實驗室資源，大大減少了實驗室的管理負擔，同時解決了傳統實驗教學中集成電路芯片價格較高且采購困難的問題，使數字電子技術實驗課程的學習緊跟科學的進步和數字電子技術的高速發展。

線下學生自主學習，進行數字電路系統的設計；線上，教師給予實驗指導以及實驗驗收，這樣在整個數字電子技術實驗課程的學習過程當中，線下學生可以完全按照自己的時間選擇合適的地點來自主靈活地進行學習。這樣將傳統的數字電子技術實驗教學從教室的定點、定時轉變為隨時、隨地可進行的移動式學習，具有可碎片化、不受時間空間限制、學習場景移動化的特點，能夠充分發揮學生的學習自主性。數字電子技術實驗課程教學實現開放的、自主學習的教學模式，對于提升實驗教學效果，培養學生的自主學習能力和創新思維具有很大的可行性。

（二）以學生為本，以教師為引導

上課形式從教師教、學生學的教學模式轉變為學生帶著問題來做實驗，發現問題后再詢問教師，極大地提高了學生的自主學習能力和思考能力。

在整個實驗教學過程當中，教師主要起到引導作用，僅提出對實驗項目需要完成的功能，強調實驗的注意事項，對學生提問的問題進行引導而不是正面給出答案，并對學生的實驗提問一些關鍵性的問題，引發學生深入全面思考。

在整個實驗環節，對實驗項目的構思、策劃、設計、調試、完成、總結完全由學生自主完成。實驗課程設計了拓展環節，學生可以在原有數字系統功能的基礎上增加實現自己想要的功能。整個實驗教學變為以學生為主體的自主實驗教學，有益于激發學生的學習興趣，培養學生的綜合實踐能力，創造學生主動參與、探索創新的新型教學模式。

數字電子技術實驗采用的“錄播理論講解+FPGA線下實戰，輔以軟件仿真”的線上教學線下實驗有利于開放、自主學習的教學模式，對教師有更高的學術要求，需要教師不斷地去提高自己的專業技術水平和教育教學水平。通過不斷地更新、改進實驗課程內容，涵蓋基礎性、綜合性、探究性和創新性實驗環節；做好對實驗教學深度的橫縱向拓展，將思政貫穿其中，從數字電子技術的專業知識上縱向加深，從而實現對科學、技術、工程知識在橫、縱方向的交叉融合，更加符合新工科培養人才的要求；做好對學生實驗的監管、實驗驗收工作，起到對學生的有效監督，使教師充分了解掌握學生的學習動態，對學生普遍掌握不充分的部分進行及時補充，并可對不同學生學習效果存在的差異進行針對性的指導，這樣才能有效地提高數字電子技術實驗的線上教學效果，激發學生的學習興趣，培養學生動手操作的實踐創新能力和邏輯思維能力，進而為學生專業綜合能力提升、后續工程的應用以及取得更高層次的發展打下可靠堅實的基礎。