支持仿真的工程實踐類課程線上教學探索

左冬紅

(華中科技大學 電子信息與通信學院， 武漢 430074)

2020年全球新冠疫情大規模爆發，全國上下都采取停課不停學的模式進行線上教學。線上教學目前存在兩種主流形式：直播和MOOC。直播教學存在以下弊端：

(1)不同學生接入互聯網的狀況不同，導致部分學生無法實時接收到教師的教學視頻信息；

(2)正常上課時段存在大量直播課程，導致直播教學平臺網絡擁塞，教學視頻卡頓，嚴重影響教學效果；

(3)教師直播教學時，難以實時觀察到學生的肢體反饋信息，不能根據學生的實時反饋適時控制教學進度[1]。

傳統的MOOC視頻教學，教師不能即時掌握學生的學習情況，也無法針對學生的疑難問題進行有效的交流[2]。另一方面，工程實踐類課程僅僅依賴教師講授，學生較難掌握所學知識。常規的線上教學不可避免地給工程實踐類課程的教學帶來了挑戰[3]。如何最大限度地降低線上教學對教學效果的影響，這是工程實踐類課程教學必須解決的一個重要問題[4]。

“微機原理與接口技術”課程是電子信息類專業平臺基礎課，具有很強的工程實踐性，教學計劃中既有理論課也有實驗課。該課程涉及硬件和軟件，并且軟件與硬件緊密結合，絕大多數學生都認為是一門難度較大的課程[5]。華中科技大學在2020年春季對該課程全程采取線上教學，并進行了線上考試。介紹該課程全程線上教學所采取的教學舉措和教學效果，以期為工程實踐類課程開展線上教學提供參考。

1 線上教學舉措

1.1 翻轉式線上教學

翻轉式線上教學[6]是指學生在線上利用課余或教學計劃學習時間事先開展教學視頻、教學課件以及電子教材的學習，教師在教學計劃學習時間安排一定的時間通過與學生實時連線回答學生在學習電子資源過程中存在的問題和困惑。這些問題來自教學網站論壇、QQ群信或私信、線上作業或隨堂測驗的難點問題以及學生實時提出的問題。

具體實施措施為：

(1)課程開始之初，教師在教學網站公布教學日歷，詳細列述每個教學學時對應的教學內容、教學目標、教學視頻、教學課件、隨堂測驗題、作業題等，并且提前將教學電子資源上傳到在線教學平臺，以便學生能選擇合適的時間進行教學內容的學習和自我測驗。

(2)教師在每次教學計劃教學時間實時通過在線教學網站的論壇和統計功能，獲取學生的反饋信息和學生對相關教學內容的掌握程度。

(3)教師及時統計并記錄學生通過QQ等即時通信工具提出的私信問題。

(4)教師在教學計劃教學時間內安排固定的時間通過視頻會議方式與學生互動[7]，給學生答疑解惑，解決非實時交互式教學不能解決的問題。

1.2 精細化過程管控

課程教學內容往往存在時間上的銜接性和相關性，即前一學時的教學內容是后一學時教學內容的基礎。線上教學由于各種原因，教師難以直接監管學生是否在計劃學時內真正在學習教學內容。因此需通過具有時效性的隨堂測驗和作業督促學生及時學習[8]。

線上教學實施中，各個學時的教學內容都需提前公布相應的隨堂測驗，且規定各個學時的隨堂測驗必須在下一學時教學內容實施前完成。通過設定與教學計劃時間一致的各個隨堂測驗截止時間，可以有效督促學生及時完成相關教學內容的學習。同時也為學生自主學習提供了一定的時間靈活性。隨堂測驗考察學生對本學時教學內容的即時掌握程度，題型為單選、多選、填空以及判斷，大都為基礎性內容，通常20～30個小題，覆蓋各個教學知識點。為鼓勵學生學習并掌握相關教學內容，每個隨堂測驗提供兩次嘗試機會，題目每次隨機出現，兩次嘗試之后，提供參考答案和相關解析。

各個計劃教學學時都布置相應的綜合型應用題作為作業。考察學生對所學知識的靈活運用。作業的提交形式多樣，可以是文字、照片、文件附件等。同樣設定與教學計劃同步的截止時間，以周為單位提交作業。線上作業采用主觀型和多空客觀型綜合應用題相結合。多空客觀型綜合應用題可以對綜合應用題的解答過程提供一定的答題引導，相比僅給出題目要求的主觀型綜合應用題有以下幾方面的優點：

(1)要求學生既能讀懂答題引導，又能根據答題引導補充空缺；

(2)通過在題目解答步驟中不同位置留空，可以增加作業題的多樣性，不便學生之間相互抄襲；

(3)由于是填空型綜合題，每個空的答案多樣性是可以預知的，只需教師提供盡可能全面的參考答案，則可以實現作業的自動批改，從而減輕教師批改作業的難度。

1.3 階段性工程仿真

工程實踐類課程的教學要求學生必須通過一定量的工程實踐，才能較好地理解所學理論知識以及掌握工程實踐工具的使用[9]。因此，即使是線上教學，一定量的工程實踐項目仍然是必不可少的。隨著計算機技術以及互聯網技術的發展，絕大多數工程實踐類課程都具有相應的仿真工具或模擬工具。工程仿真雖然與真正的工程實現之間存在一定的差距，但是工程仿真已經成為現代化工程實現必不可少的前期步驟。它既可以驗證設計的正確性，又可以幫助學生掌握工程設計EDA工具的使用[10]。

如果工程仿真僅僅要求學生提交設計源碼或仿真源碼，并不能保障所有學生都提交自身真實的學習成果。以下提出兩種解決方案：

(1)學生若通過離線仿真工具完成仿真，在提交源碼的基礎上需提交不經剪輯帶語音旁白的仿真過程錄屏視頻。學生個人語音旁白，相當于在視頻中加了水印，不能直接相互復制；另一方面可以了解學生對所學知識的掌握程度——講解得越清楚表明學生對相關知識的掌握程度越高。

(2)學生若通過在線仿真平臺提交設計源碼，由在線平臺驗證設計源碼的正確性。在線仿真平臺記錄學生工程實踐過程的各種行為，包括源碼提交時間、提交次數、正確性、各個關聯模塊代碼提交的先后關系等。這要求學生對工程整體設計有比較清楚的認識，才能按照正常的流程提交設計代碼。同時學生作為初學者，從設計之初到功能完善一定會有代碼的反復修改過程。因此通過分析學生的在線仿真行為，也可以了解學生對相關知識的掌握程度。

1.4 開放式線上考試

考試是檢驗學生學習效果的最終手段。開放式線上考試不同于其他線上機考，學生和教師各自在不同的地方且采用自備設備參與考試，即使采用騰訊會議、ZOOM會議等方式對學生的考試過程進行全程視頻監控，也無法杜絕舞弊行為[11]。也就是說開放式線上考試不宜采取閉卷，而應采取開卷，且需對考試內容采取一定的措施減少舞弊的可能性。

本課程線上考試除全程視頻監控之外，同時針對考試試卷采取了以下措施：

(1)試卷中所有題目都不能通過搜索直接獲取到答案。

(2)加大題量且增加總分，確保絕大多數同學不能在規定的考試時間內做完所有題目。

(3)大量采用多空型綜合題，并設置部分難度較大的題目，使得即使優秀的學生也不能在規定的考試時間內做完所有題目。這樣學生之間就沒有時間通過網絡互傳答案。如試卷總分為120分，學生考試得分仍然為百分制——當大于等于100分，以100分計算，其余情況以學生實際所得分數計分。

(4)同一份試卷，每個學生拿到的試題題序不同。

(5)在試卷中設置一定量初看類似、實質不同的題目，并預先告知學生試題中存在此類題目。

(6)為保障考試試題的合理性，試卷中客觀題和多空型綜合題中的基礎性得分點可以確保大部分同學能夠合格。

(7)多空型綜合題中綜合性應用知識點的難度可以明確區分出優秀學生和普通學生。

2 教學效果分析

本次線上教學探索共5個班級參與：2個實驗班(卓越班和提高班)以及3個平行班(電信1～3班)。下面針對這些班級的全程線上教學效果進行分析。

2.1 卷面考試成績分析

1)卷面成績分布

各班卷面考試成績不同分數段人數占比如圖1所示。從圖1可以看出卓越班學生的成績大部分分布在60～100分之間，提高班學生的成績大部分分布在50～70分之間，電信2班學生的成績大部分分布在40～80分之間，而電信1班和電信3班各個分數段的學生人數分布比較均衡，僅卓越班和電信2班存在卷面得分90分以上的學生。這說明開放式線上考試成績真實地反映了不同學生對該門課程知識的掌握程度，線上考試成績真實有效。

圖1 各班卷面考試成績不同分數段人數占比

2)卷面平均分

各班級考試卷面成績平均分如圖2所示，實驗班中卓越班明顯高于提高班，平行班中電信2班明顯高于電信1班和電信3班。

圖2 各班考試卷面成績平均分

3)綜合題得分率

各個班級不同章節多空型綜合題得分率在60%以及40%以上人數占比如圖3所示，從圖中可以看出：①填空題中第四章兩個考題較簡單，是較高得分率占比最高的考題；②填空題得分率為60%和40%的人數占比所有班級都基本遵循同一規律，即絕大多數考題兩種得分率的人數占比規律基本一致；③各章節考題難度在各個班級中的排序基本一致，從難到易依次為：第八章、第七章、第三章、第二章、第六章、第四章，與題目本身的難度和綜合程度完全一致。

1.2 卷面成績與學習過程成績的相關性

1)隨堂測驗

各班所有隨堂測驗平均成績如圖4所示。其中電信2班平均分最高，其次為提高班和卓越班，與考試卷面成績基本一致。這說明通過學習過程中的班級隨堂測驗平均成績可以預測這個班的期末考試平均成績。

圖3 各班不同章節多空型綜合題得分率在60%以及40%以上人數占比

圖4 各班所有隨堂測驗平均成績

各個班級每個學生所有隨堂測驗的平均分分布如圖5所示。從圖中可以看出：①大多數班級大部分同學的隨堂測驗平均分都在95分以上，電信3班在95分以上的人數占比最低；②電信1班，3班在90分以下人數占比較高，這與卷面考試成績在50分以下人數占比較高也在電信1班和3班完全一致。由此可知，學生隨堂測驗平均分同樣可以預測其期末考試成績所處分數段。

圖5 各個班級每個學生所有隨堂測驗的平均分分布

線上學習與線下學習類似，同樣存在部分學生不能按時完成教師布置的教學任務。各個班級未參與隨堂測驗的總人次如圖6所示。電信3班缺做人次最多，其次為電信1班、電信2班、卓越班、提高班，這與班級卷面平均成績基本一致，由此可知，不參與隨堂測驗的次數越多，學習效果越差。

2)在線作業

在線作業的班級平均分如圖7所示，由圖可知電信2班平均分最高，其次為卓越班，電信1班平均分最低，作業的得分情況也與卷面成績表現基本一致。即只有平時高質量地完成了所布置的在線作業，才能在考試中取得較好的成績。

圖6 各個班級未參與隨堂測驗的總人次

圖7 各個班級作業平均分

3)工程實踐

工程實踐學習數據包含實驗報告、線上仿真、線下仿真錄屏三個部分，各個班級的數據統計情況如圖8所示。由圖可知提高班學生更注重實際動手操作，但是原理掌握不夠透徹——線上仿真平均成績最高且線下仿真錄屏視頻缺交人次最少，但仿真報告成績并不高。這是提高班學生卷面成績分布較集中的主要原因。電信1班雖然仿真報告平均成績最高，但是線上仿真平均成績卻最低，這說明如果不對實驗報告查重，它不能真實反映學生實際的工程實踐能力。從各個班級線下仿真視頻缺交的總人次可以看出：線下仿真視頻的提交情況可以反映出工程仿真的真實完成情況。

各班線上仿真人均各個模塊的提交次數如圖9所示，對比圖8中各班線上仿真平均成績可知，卓越班學生工程實踐過程中出現錯誤的概率較低；電信1班的學生出現錯誤的概率較高；電信3班完成了線上仿真的學生出現錯誤的概率也較低，但是存在較多學生沒有能夠完成全部模塊的仿真；電信2班與提高班的學生線上仿真提交次數與平均成績成正比，這符合預期規律——大部分學生需通過多次實踐才能真正掌握所需知識。

圖8 工程實踐成績分析

圖9 各班線上仿真人均各個模塊的提交次數

3 結語

通過分析疫情期間“微機原理與接口技術”線上教學過程中的學習行為數據以及線上考試數據，表明工程實踐類課程的線上教學可以采取線上翻轉教學、精細化過程管控、線上線下相結合的工程仿真以及開放式線上考試等教學舉措，以達到良好的教學效果。