常郝 徐勇 倪天明 李東勤 陳曉玲 梁后軍

【摘? ?要】? ?數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題、提升工程實(shí)踐的能力。從實(shí)踐能力培養(yǎng)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程目標(biāo)出發(fā)，對(duì)課程內(nèi)容、授課方式等方面進(jìn)行優(yōu)化以促進(jìn)實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。針對(duì)線下教學(xué)過程考核復(fù)雜、教學(xué)質(zhì)量難以監(jiān)控等問題，依據(jù)超星平臺(tái)提供的線上教學(xué)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從課程、學(xué)情、成績(jī)?nèi)矫媪炕治?，根?jù)分析結(jié)果提出提升實(shí)訓(xùn)類課程教學(xué)質(zhì)量的建議。

【關(guān)鍵詞】? ?超星平臺(tái);實(shí)訓(xùn)課程;教學(xué)質(zhì)量;量化分析

Quantitative Analysis of Teaching Quality for Practical Training

Course Based on Chao-Xing Platform

Chang Hao1， Xu Yong1， Ni Tianming2， Li Dongqin1， Chen Xiaoling1， Liang Houjun1

（1. Anhui Finance and Economics University， Bengbu 233030， China;

2 .Anhui Polytechnic University， Wuhu 241000， China）

【Abstract】? ? The design of digital system aims to cultivate students to analyze and solve a complex engineering problem， so as to enhance practical engineering ability. Starting from the curriculum objectives of cultivating practical ability and innovative ability， the contents and methods of the curriculum are optimized. Moreover， aiming at the difficulty in assessment of teaching process and monitoring teaching quality， the quantitative analysis of curriculum， learning situation and performance are carried out according to the online data provided by Chao-Xing platform. Finally， some suggestions are proposed to improve the teaching quality， especially for the practical training courses.

【Key words】? ? ?Chao-Xing platform; practical training course; teaching quality; quantitative analysis

〔中圖分類號(hào)〕? G712 ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2021）01- 0112 - 05

0? ? ?引言

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)是一門融合了程序設(shè)計(jì)、數(shù)字電子技術(shù)、FPGA技術(shù)的實(shí)踐性課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題、提升工程實(shí)踐的能力[1]。

實(shí)訓(xùn)類課程在實(shí)際教學(xué)過程中存在的難點(diǎn)主要有：（1）實(shí)踐環(huán)節(jié)不夠夯實(shí)，動(dòng)手能力不足，存在理論與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象[2]。（2）未能有效支撐學(xué)科競(jìng)賽，存在課程與學(xué)科競(jìng)賽脫節(jié)的現(xiàn)象。學(xué)科競(jìng)賽與課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)相比，在課程目標(biāo)、技術(shù)平臺(tái)、能力培養(yǎng)上具有顯著區(qū)別。學(xué)科競(jìng)賽面向社會(huì)熱點(diǎn)問題，使用前沿技術(shù)平臺(tái)，注重跨專業(yè)跨年級(jí)的創(chuàng)新能力互補(bǔ)[3]。將學(xué)科競(jìng)賽融入實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)，能夠切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。（3）教學(xué)過程考核復(fù)雜，教學(xué)質(zhì)量無法定量評(píng)價(jià)。線上教學(xué)學(xué)生自律性不強(qiáng)、缺乏自我約束，教學(xué)效果難以保證[4-5]。如何利用線上教學(xué)平臺(tái)提供的學(xué)習(xí)日志來分析學(xué)習(xí)行為，監(jiān)控教學(xué)質(zhì)量，是目前實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)亟待解決的難題之一[6-7]。

針對(duì)以上問題，基于課程的目標(biāo)與任務(wù)，本研究從開發(fā)環(huán)境的選擇、課程安排、授課方式和教學(xué)內(nèi)容改革等方面進(jìn)行了討論，同時(shí)根據(jù)超星平臺(tái)提供的教學(xué)運(yùn)行數(shù)據(jù)全面跟蹤、統(tǒng)計(jì)、分析、反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提升。

1? ? ?課程目標(biāo)與任務(wù)

提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)課程的主要目標(biāo)。本課程要求學(xué)生能夠熟練使用Verilog語言描述數(shù)字系統(tǒng);掌握Xilinx Vivado設(shè)計(jì)套件的開發(fā)流程;熟悉Xilinx Nexys4 DDR FPGA開發(fā)板的基本組成和使用方法;熟悉復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程并能夠進(jìn)行中大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2? ? ?教學(xué)運(yùn)行與實(shí)踐

為有效支撐學(xué)科競(jìng)賽，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)課程與學(xué)科競(jìng)賽的高效銜接，順利實(shí)現(xiàn)以賽促教，在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)課程的開發(fā)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容、課程安排、授課方式均做了大幅優(yōu)化。

本課程所用開發(fā)環(huán)境是Vivado+Nexys4 DDR。Vivado能夠完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、綜合、約束、實(shí)現(xiàn)、下載比特流、編程等FPGA實(shí)踐的完整流程。開發(fā)板是Xilinx Artix 7系列的Nexys4 DDR，屬于中高端配置。更重要的是，本課程的開發(fā)環(huán)境與全國大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽、安徽省機(jī)器人大賽——C平臺(tái)（FPGA）所用的軟硬件配套，能夠?qū)崿F(xiàn)課程到學(xué)科競(jìng)賽的無縫轉(zhuǎn)換。

在課程教學(xué)內(nèi)容上，如表1所示，主要分為五大部分。基于Artix 7系列FPGA開發(fā)板，首先介紹Verilog語言和Vivado開發(fā)環(huán)境，然后再介紹設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。最后，結(jié)合歷屆全國大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽的競(jìng)賽題目，特別增加了基于MIPS指令集的CPU設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)與仿真單周期、多周期和流水線CPU。項(xiàng)目涵蓋驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、綜合三大類型，由淺至深，比例安排恰當(dāng)，符合學(xué)習(xí)規(guī)律。在課程講解過程中穿插歷年競(jìng)賽試題，有利于深化教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽積極性。

在課程安排上，本課程安排在第四學(xué)期開設(shè)。一方面，本課程安排在C語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字電子技術(shù)之后，計(jì)算機(jī)組成原理之前開設(shè)，便于課程群知識(shí)體系的銜接。Verilog語言與C語言具有較高的相似度，同時(shí)數(shù)字電子技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)為本課程提供了必要的知識(shí)儲(chǔ)備，也能夠有效銜接第五學(xué)期的計(jì)算機(jī)組成原理課程。另一方面，安徽省機(jī)器人大賽——C平臺(tái)（FPGA）在每年的5月份開展。學(xué)完本課程之后，有利于學(xué)生參加下一年的學(xué)科競(jìng)賽。

授課方式采用類似于學(xué)科競(jìng)賽培訓(xùn)的集中式授課。在第13周至第17周，每周8學(xué)時(shí)，合計(jì)40學(xué)時(shí)。采用專題教學(xué)模式，例如，在完成組合電路設(shè)計(jì)專題后，趁熱打鐵，完成上板調(diào)試、討論。

3? ? ?教學(xué)質(zhì)量分析

超星平臺(tái)可以記錄學(xué)習(xí)過程中師生活動(dòng)的詳細(xì)日志，形成教學(xué)運(yùn)行大數(shù)據(jù)，為教師提供學(xué)情分析報(bào)告，也可以為過程考核提供依據(jù)。

超星平臺(tái)課程門戶“統(tǒng)計(jì)”功能主要包括的教學(xué)數(shù)據(jù)有：課程報(bào)告、學(xué)情分析和成績(jī)分析。課程報(bào)告提供課程資源統(tǒng)計(jì)、課程學(xué)習(xí)進(jìn)度統(tǒng)計(jì)和任務(wù)點(diǎn)完成情況統(tǒng)計(jì)。學(xué)情分析是指對(duì)教學(xué)運(yùn)行過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)做詳細(xì)分析。同時(shí)，超星平臺(tái)支持平時(shí)測(cè)試、討論、期末考核成績(jī)的權(quán)重分配，提供了詳細(xì)的成績(jī)分析功能。

3.1  ?課程報(bào)告

3.1.1? ?課程資源統(tǒng)計(jì)

如表2所示，本課程資源以視頻為主，文檔為輔。視頻資源主要包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課程視頻，用于學(xué)生提前預(yù)習(xí)課程內(nèi)容。文檔資源主要包括教學(xué)大綱、教學(xué)方案、教學(xué)日歷、PPT課件等。由于在課件中已經(jīng)包含豐富的音頻、動(dòng)畫、圖片，故沒有單獨(dú)上傳音頻、動(dòng)畫、圖片等教學(xué)資源。

3.1.2? ?課程學(xué)習(xí)進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

超星平臺(tái)提供了課程進(jìn)度和觀看時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)。任課教師可以查看平均進(jìn)度、最快進(jìn)度、最慢進(jìn)度以及最短觀看時(shí)長(zhǎng)、最長(zhǎng)觀看時(shí)長(zhǎng)和平均觀看時(shí)長(zhǎng)，從宏觀層面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度。對(duì)于最慢進(jìn)度、最短觀看時(shí)長(zhǎng)的學(xué)生，任課教師需要督促提醒該生跟上學(xué)習(xí)進(jìn)度。

3.1.3? ?任務(wù)點(diǎn)完成情況統(tǒng)計(jì)

除了總體進(jìn)度，任課教師還可以查看某任務(wù)點(diǎn)的學(xué)習(xí)情況，在微觀層面把握學(xué)生對(duì)于任務(wù)點(diǎn)的學(xué)習(xí)情況。圖1給出了10名學(xué)生在“數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示原理與設(shè)計(jì)”這個(gè)任務(wù)點(diǎn)的完成情況。反芻比定義為：視頻觀看時(shí)長(zhǎng)/視頻實(shí)際時(shí)長(zhǎng)。舉例來說，若以2倍速看完視頻，反芻比會(huì)降到50%。若重復(fù)觀看視頻，反芻比會(huì)超過100%。一般來說，若個(gè)別學(xué)生該任務(wù)點(diǎn)視頻的反芻比低于100%，說明該生未能看完任務(wù)點(diǎn)視頻，或者該生以超過1倍速觀看視頻。如果大量學(xué)生的該視頻的反芻比低于50%，說明學(xué)生對(duì)該任務(wù)點(diǎn)興趣度較低，也可能是該任務(wù)點(diǎn)較為簡(jiǎn)單。反之，若反芻比高于100%，說明學(xué)生重復(fù)觀看了視頻。原因可能在于該任務(wù)點(diǎn)難以理解，或者學(xué)生對(duì)該任務(wù)點(diǎn)興趣度較高。

反芻比這個(gè)指標(biāo)可以反映出學(xué)生學(xué)習(xí)行為特點(diǎn)。在實(shí)踐中，對(duì)于反芻比較低的情況，可以通過設(shè)置視頻防拖拽，規(guī)定必須按時(shí)間順序觀看。

3.2? ?學(xué)情分析

學(xué)情分析是根據(jù)教師組織的課堂活動(dòng)項(xiàng)目對(duì)學(xué)生的參與情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，供教師參考。學(xué)生參與的活動(dòng)主要包括簽到、作業(yè)、章節(jié)學(xué)習(xí)、線下討論。這里對(duì)作業(yè)和章節(jié)學(xué)習(xí)做詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析。

3.2.1? ?作業(yè)統(tǒng)計(jì)

如圖2所示，發(fā)布的作業(yè)數(shù)量與學(xué)生提交的作業(yè)數(shù)量、批閱數(shù)量一致，僅在流水燈設(shè)計(jì)和電子秒表設(shè)計(jì)作業(yè)中，分別有1-2位學(xué)生未能按時(shí)完成。從圖3中的作業(yè)成績(jī)來看，5次作業(yè)最高分均在98分以上，平均分在92分以上，最低分80分以上，作業(yè)完成質(zhì)量較高。

3.2.2? ?章節(jié)學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)

以18計(jì)科1班6月份的章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)為例，章節(jié)學(xué)習(xí)總數(shù)為3580次。由圖4可以看出，學(xué)習(xí)次數(shù)有4次峰值，分別發(fā)生在是6-5，6-13，6-20，6-25，這與本月的4次集中授課時(shí)間（6-6，6-13，6-20，6-27）呈正相關(guān)。另外，在6月下旬的兩次授課之后，在期末考核之前，學(xué)生學(xué)習(xí)頻率峰值高于前期，且波動(dòng)較大。這說明存在一定比例的學(xué)生在臨近期末考試之前突擊觀看課程視頻的現(xiàn)象。

從圖5中6月份的學(xué)習(xí)時(shí)段分布可以看出，在上午8：00-12：00和晚上20：00-24：00這兩個(gè)時(shí)段學(xué)習(xí)次數(shù)較多，說明這兩個(gè)時(shí)段學(xué)習(xí)活躍度較高。具體到某一天的學(xué)習(xí)時(shí)段，以6月20日為例（圖6），當(dāng)天共學(xué)習(xí)356次，說明學(xué)生在這一天的活躍度較高。其中8：00-12：00有116次，20：00-24：00有122次，占當(dāng)天學(xué)習(xí)總次數(shù)的64.04%。這說明學(xué)生能夠利用一天中的黃金時(shí)間來學(xué)習(xí)本課程，反映出學(xué)生對(duì)課程的興趣度和學(xué)習(xí)積極性較高。

通過課程學(xué)習(xí)進(jìn)度和章節(jié)學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)，可以查看到學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度。對(duì)于進(jìn)度較慢或?qū)W習(xí)次數(shù)較少的學(xué)生，任課教師還可以查看這些學(xué)生的訪問日志，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，進(jìn)一步加強(qiáng)過程管理。如圖7所示，以18計(jì)科1班中三位同學(xué)訪問日志為例，王迪、徐睿兩位同學(xué)訪問曲線較為平穩(wěn)，而桑延景同學(xué)訪問日志出現(xiàn)2次明顯峰值，波動(dòng)較大，有可能存在突擊觀看視頻現(xiàn)象。解決辦法一是任課教師根據(jù)學(xué)生的訪問日志曲線有針對(duì)性地督促學(xué)生合理安排課程的預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)，二是任課教師可以限制課程視頻訪問時(shí)間。

3.3? ?課程考核方式與成績(jī)分析

3.3.1? ?課程考核方式

如表3所示，根據(jù)該課程在人才培養(yǎng)方案中所承擔(dān)的培養(yǎng)目標(biāo)，課程組教師討論后決定考核結(jié)構(gòu)分為課程視頻、作業(yè)與測(cè)驗(yàn)、簽到、課堂討論、期末考核五部分。各部分考核要求各有側(cè)重，體現(xiàn)在成績(jī)比例上分別為10%，15%，5%，20%和50%。其中，前四項(xiàng)在超星平臺(tái)中完成，期末考核采取現(xiàn)場(chǎng)考核方式。

《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)》課程強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力培養(yǎng)，以動(dòng)手實(shí)踐為主，故期末考核中沒有采用選擇題、判斷題、填空題等客觀題型進(jìn)行考核。任課教師給出設(shè)計(jì)型或綜合型題目6題以上，學(xué)生從中任選2題，采用現(xiàn)場(chǎng)考核，現(xiàn)場(chǎng)打分的考核方式。在現(xiàn)場(chǎng)考核過程中，學(xué)生首先介紹設(shè)計(jì)思路和主要模塊功能，然后臨場(chǎng)回答教師所提問題。教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)思路、模塊功能的介紹來判斷學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解、掌握程度，再根據(jù)學(xué)生回答問題時(shí)正確性、全面性、流暢度等指標(biāo)進(jìn)行再次判斷后給出成績(jī)。相比傳統(tǒng)的試卷考核，能夠有效避免學(xué)生死記硬背和學(xué)生之間相互抄襲，缺點(diǎn)是所給定的成績(jī)具有一定的主觀性，且對(duì)教師的臨場(chǎng)掌控能力要求較高。

3.3.2? ?課程成績(jī)分析

根據(jù)課程組統(tǒng)一設(shè)置的考核結(jié)構(gòu)和比例，由超星平臺(tái)自動(dòng)計(jì)算出課程的綜合成績(jī)。如表4所示，在考試成績(jī)方面，各班平均分在85分以上，優(yōu)良率均超過50%，及格率超過95%，反映出學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握程度整體較好。另外，課程成績(jī)各分?jǐn)?shù)段基本符合正態(tài)分布，整體分布相對(duì)合理。

4? ? ?結(jié)論

根據(jù)超星平臺(tái)提供的教學(xué)運(yùn)行大數(shù)據(jù)來量化分析學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，提出以下建議。

（1）實(shí)訓(xùn)類課程的教學(xué)目的是提升實(shí)踐能力。在教學(xué)實(shí)踐過程中將教學(xué)內(nèi)容、課程安排時(shí)間、授課方式等與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合，能夠有效深化教學(xué)質(zhì)量，有利于促進(jìn)課程教學(xué)與學(xué)科競(jìng)賽的有機(jī)融合，深化、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

（2）在教學(xué)實(shí)踐中輔之以超星平臺(tái)的教學(xué)運(yùn)行大數(shù)據(jù)和過程考核，有利于任課教師在宏觀上掌握學(xué)習(xí)進(jìn)度，在微觀上精確量化學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)，能夠有效提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性。

（3）加強(qiáng)學(xué)習(xí)過程監(jiān)管，避免學(xué)生突擊看視頻。利用超星平臺(tái)的管理功能，采取合理約束措施，引導(dǎo)學(xué)生利用碎片時(shí)間，循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)。

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