哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心 王亞男 吳 屏 朱雪秦 姜倩倩

2020年初，全國各類學(xué)校的正常教學(xué)秩序被打破。為積極貫徹教育部下發(fā)的“停課不停教，停課不停學(xué)”的教育方針，網(wǎng)上遠(yuǎn)程教學(xué)如火如荼地展開了。數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)作為一門實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，如何能夠在相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的前提下完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，成為嚴(yán)待商榷的問題。數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校電氣類、電子信息類等專業(yè)課程教學(xué)體系中的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，具有極強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性特點(diǎn)，是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技術(shù)技能和邏輯思維、創(chuàng)新思維的重要環(huán)節(jié)之一。課程組教師通過梳理以往的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)次線上會議的詳細(xì)探討，最終確定數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展方式。其中，理論知識內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求部分的授課采取錄播形式，實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容部分主要以FPGA實(shí)驗(yàn)板為載體，輔以軟件仿真來展開實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程上課內(nèi)容主要對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行視頻驗(yàn)收，課前課中課后都有教師答疑引導(dǎo)。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

（一）“填鴨式”教學(xué)

大部分教師只是單方面一味地向?qū)W生傳授和灌輸各種知識，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等進(jìn)行講解，學(xué)生只能是教學(xué)實(shí)施過程的被動(dòng)接受者，根據(jù)教師的講解，對照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的操作步驟，按部就班地完成電路搭建和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，不是自主學(xué)習(xí)、自主管理的主體。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊

大部分院校的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為單一學(xué)科的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容幾乎都缺乏學(xué)生自主發(fā)揮的環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僵化，實(shí)驗(yàn)方法單一。目前，數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)大部分課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法以及實(shí)踐環(huán)節(jié)都跟不上新時(shí)代的步伐?？删幊碳夹g(shù)快速發(fā)展，已經(jīng)將數(shù)千萬個(gè)晶體管組成的、成百上千個(gè)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(gè)十分復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，構(gòu)成所謂的“片上系統(tǒng)”。針對數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，雖然部分高校引入了FPGA的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，但有些院校只不過是在實(shí)驗(yàn)課程里添加了為數(shù)不多的幾個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不能讓學(xué)生更全面更深入地學(xué)習(xí)掌握FPGA技術(shù)。

（三）設(shè)備老舊

大部分院校的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備采用實(shí)驗(yàn)箱，一般體積大，質(zhì)量也比較大，不易便攜，直接限制了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的空間。

二、線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的確定

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的確定

數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是高等工科院校中電氣信息類及相關(guān)專業(yè)的一門主要實(shí)驗(yàn)課程，是一門培養(yǎng)學(xué)生電子技術(shù)基本技能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字電子電路系統(tǒng)的綜合分析能力、綜合設(shè)計(jì)能力等方面占有重要的地位。在人才培養(yǎng)上，數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)的設(shè)置，要滿足具有可持續(xù)競爭力的創(chuàng)新型專業(yè)人才發(fā)展和培養(yǎng)需求。

借著這個(gè)不能線下教學(xué)的契機(jī)，憑借先進(jìn)的信息化教學(xué)輔助手段，決定大膽嘗試進(jìn)行一次學(xué)習(xí)模式與教學(xué)模式的創(chuàng)新探索。給學(xué)生提供一個(gè)開放的、便捷的學(xué)習(xí)互動(dòng)平臺，在課前課中課后與學(xué)生保持隨時(shí)的互動(dòng)引導(dǎo)，設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)內(nèi)容具有差異性的教學(xué)內(nèi)容，將線上學(xué)習(xí)內(nèi)容在同學(xué)們線下的實(shí)驗(yàn)操作過程中進(jìn)一步延伸和強(qiáng)化，以學(xué)生為中心、以教師為引導(dǎo)，充分提高數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性；緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，滿足“新工科”人才培養(yǎng)需求，使學(xué)生熟練使用EDA工具、FPGA和Xilinx Vivado軟件，掌握數(shù)字電子電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)的工程實(shí)踐技能以及獨(dú)立自主學(xué)習(xí)的能力、分析問題和解決問題的邏輯思維。

（二）教學(xué)策略和教學(xué)方法的確定

目前，我國高等教育正處于內(nèi)涵發(fā)展、質(zhì)量提升、改革攻堅(jiān)的關(guān)鍵時(shí)期和全面提高人才培養(yǎng)能力、建設(shè)高等教育強(qiáng)國的關(guān)鍵階段。貫徹“以學(xué)生為本”的教育理念，需要教學(xué)理念的更新以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，尤其是激勵(lì)其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。在定制教學(xué)方案的過程中，充分圍繞“以學(xué)生為中心、以教師為引導(dǎo)”的教學(xué)原則，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，高質(zhì)量地完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案經(jīng)過課程組教師的深思熟慮，保證對教學(xué)細(xì)節(jié)實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，最終確定如下。

第一，理論知識內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求提前一周錄播，上傳到相應(yīng)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)QQ群文件中。學(xué)生可隨時(shí)根據(jù)自己學(xué)習(xí)課程內(nèi)容或線下實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題、疑惑、心得等在QQ群進(jìn)行交流探討，有助于學(xué)生充分利用自己的時(shí)間、空間去學(xué)習(xí)，線下設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

第二，遠(yuǎn)程網(wǎng)上授課環(huán)節(jié)通過騰訊會議App進(jìn)行。首先在線上課堂上針對課前學(xué)生反映的包括理論知識的學(xué)習(xí)和線下實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的問題進(jìn)行重點(diǎn)講解。講解過后要求以視頻的形式，學(xué)生給教師展示實(shí)驗(yàn)成果，要求學(xué)生邊展示邊講解自己的實(shí)驗(yàn)成果以及設(shè)計(jì)思路，最后根據(jù)學(xué)生各自不同的情況，教師提出針對性的實(shí)驗(yàn)問題，有助于學(xué)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(shè)計(jì)數(shù)字技術(shù)電路，使學(xué)生能夠更主動(dòng)專注于基于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)。

第三，課前課中課后，教師會輪流守候在實(shí)驗(yàn)QQ群，以保證在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程中對學(xué)生隨時(shí)提出的問題進(jìn)行及時(shí)答疑、指導(dǎo)，同時(shí)無形中拉近與學(xué)生的距離，有助于消除學(xué)生對自主線下完成實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的焦慮感；并針對每一節(jié)實(shí)驗(yàn)課學(xué)生實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出的種種情況進(jìn)行總結(jié)思考，適時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)錄播內(nèi)容，適時(shí)調(diào)整監(jiān)督策略，達(dá)到對學(xué)生遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的有效監(jiān)督。

第四，所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過Xilinx Vivado設(shè)計(jì)套件及其Artix-7FPGAEGO1實(shí)驗(yàn)板或仿真軟件Multisim進(jìn)行。由于目前PLD的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正在朝著速度快、容量大、體積小、質(zhì)量輕的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的基于原理圖和中小規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)方法，隨著科技的快速發(fā)展，已經(jīng)被EDA工具和FPGA所取代。故本次線上教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)操作平臺的75%采用Xilinx Vivado設(shè)計(jì)套件及其Artix-7FPGAEGO1實(shí)驗(yàn)板，剩余的采用軟件Multisim仿真實(shí)驗(yàn)平臺。通過FPGAEGO1或Multisim仿真軟件進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)，切實(shí)擺脫了時(shí)間與空間的限制，更有助于提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐操作能力。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以項(xiàng)目為導(dǎo)向

將數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)際工程項(xiàng)目相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的深度融合，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為牽引和主線，讓學(xué)生有目的、有深度、有方向地進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。

錄播教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中，本著以學(xué)生為中心、以教師為引導(dǎo)的教學(xué)原則，教師以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為牽引，為學(xué)生搭建理論知識框架，在教學(xué)上適當(dāng)留白做到點(diǎn)到即止，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立解決問題的能力，最大限度地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基本功能要求下，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置了拓展功能環(huán)節(jié)，同學(xué)們可以根據(jù)自己的興趣自主選擇一個(gè)或幾個(gè)拓展功能去完成，作為加分項(xiàng)體現(xiàn)到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績當(dāng)中；在實(shí)驗(yàn)課程的后一部分中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以綜合性和開放性為主，豐富教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步有效地提升學(xué)生參與度和綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

基于Multisim仿真軟件設(shè)計(jì)，用邏輯門電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電路的實(shí)驗(yàn)課項(xiàng)目，不僅能讓學(xué)生很好地掌握EDA工具，又能夠扎實(shí)地掌握電子技術(shù)基礎(chǔ)知識，為將來設(shè)計(jì)性能優(yōu)異、可靠性強(qiáng)、功能強(qiáng)大的復(fù)雜數(shù)字集成電路打下扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

基于Xilinx Vivado設(shè)計(jì)套件以及FPGAEGO1實(shí)驗(yàn)板的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由淺入深、從簡到難、由組合到時(shí)序到系統(tǒng)層層深入，能讓學(xué)生穩(wěn)穩(wěn)地掌握FPGA的設(shè)計(jì)方法。由于Vivado的設(shè)計(jì)輸入主要有原理圖和硬件描述語言兩種，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求，選擇基于IP核的設(shè)計(jì)方式或基于硬件描述語言的設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)一定功能的數(shù)字系統(tǒng)，極大地發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，充分發(fā)揮了學(xué)生的獨(dú)立解決問題和創(chuàng)新能力，自主完成知識遷移，提升應(yīng)用層面和創(chuàng)造層面教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成效果，并在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

三、線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

（一）提升實(shí)驗(yàn)的自由靈活度，拓寬實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、空間，實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)線下實(shí)驗(yàn)

面對停課不停學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考驗(yàn)，數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)、學(xué)生線下實(shí)驗(yàn)的新型教學(xué)模式。由于FPGAEGO1實(shí)驗(yàn)板質(zhì)量輕、體積小，便于攜帶，完全可以成為所謂的口袋實(shí)驗(yàn)，只需要在實(shí)驗(yàn)開課前將實(shí)驗(yàn)板郵寄到每一位學(xué)生的手中（做好管理記錄），幫助學(xué)生安裝好Vivado和Multisim軟件。實(shí)驗(yàn)所采用的FPGAEGO1實(shí)驗(yàn)板便捷易管理，不占用實(shí)驗(yàn)室資源，大大減少了實(shí)驗(yàn)室的管理負(fù)擔(dān)，同時(shí)解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中集成電路芯片價(jià)格較高且采購困難的問題，使數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)緊跟科學(xué)的進(jìn)步和數(shù)字電子技術(shù)的高速發(fā)展。

線下學(xué)生自主學(xué)習(xí)，進(jìn)行數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；線上，教師給予實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收，這樣在整個(gè)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)過程當(dāng)中，線下學(xué)生可以完全按照自己的時(shí)間選擇合適的地點(diǎn)來自主靈活地進(jìn)行學(xué)習(xí)。這樣將傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從教室的定點(diǎn)、定時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殡S時(shí)、隨地可進(jìn)行的移動(dòng)式學(xué)習(xí)，具有可碎片化、不受時(shí)間空間限制、學(xué)習(xí)場景移動(dòng)化的特點(diǎn)，能夠充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)實(shí)現(xiàn)開放的、自主學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，對于提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維具有很大的可行性。

（二）以學(xué)生為本，以教師為引導(dǎo)

上課形式從教師教、學(xué)生學(xué)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生帶著問題來做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題后再詢問教師，極大地提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和思考能力。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程當(dāng)中，教師主要起到引導(dǎo)作用，僅提出對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要完成的功能，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)，對學(xué)生提問的問題進(jìn)行引導(dǎo)而不是正面給出答案，并對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)提問一些關(guān)鍵性的問題，引發(fā)學(xué)生深入全面思考。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的構(gòu)思、策劃、設(shè)計(jì)、調(diào)試、完成、總結(jié)完全由學(xué)生自主完成。實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)了拓展環(huán)節(jié)，學(xué)生可以在原有數(shù)字系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上增加實(shí)現(xiàn)自己想要的功能。整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體的自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有益于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，創(chuàng)造學(xué)生主動(dòng)參與、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。

數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)采用的“錄播理論講解+FPGA線下實(shí)戰(zhàn)，輔以軟件仿真”的線上教學(xué)線下實(shí)驗(yàn)有利于開放、自主學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，對教師有更高的學(xué)術(shù)要求，需要教師不斷地去提高自己的專業(yè)技術(shù)水平和教育教學(xué)水平。通過不斷地更新、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，涵蓋基礎(chǔ)性、綜合性、探究性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；做好對實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度的橫縱向拓展，將思政貫穿其中，從數(shù)字電子技術(shù)的專業(yè)知識上縱向加深，從而實(shí)現(xiàn)對科學(xué)、技術(shù)、工程知識在橫、縱方向的交叉融合，更加符合新工科培養(yǎng)人才的要求；做好對學(xué)生實(shí)驗(yàn)的監(jiān)管、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收工作，起到對學(xué)生的有效監(jiān)督，使教師充分了解掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，對學(xué)生普遍掌握不充分的部分進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充，并可對不同學(xué)生學(xué)習(xí)效果存在的差異進(jìn)行針對性的指導(dǎo)，這樣才能有效地提高數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的線上教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作的實(shí)踐創(chuàng)新能力和邏輯思維能力，進(jìn)而為學(xué)生專業(yè)綜合能力提升、后續(xù)工程的應(yīng)用以及取得更高層次的發(fā)展打下可靠堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。