微課在獨立院校數(shù)字電子技術實驗教學中的應用

謝 檬， 王 娟

(西安交通大學 城市學院，西安 710018)

0 引 言

自從2001年麻省理工學院微型視頻課程實施Open Course Ware計劃以來，在高等教育領域掀起了微型教學視頻的熱潮，蘋果公司也在2005年推出面向大學視頻課程iTunes U 頻道，開啟了大學視頻公開課的先河[1-4]。戴維·考維爾與布萊恩·亞歷山大一起塑造了MOOC一詞，即大規(guī)模在線課程。由哈佛大學、斯坦福大學分別開發(fā)的edx、Coursera、Udacity 三大在線平臺，也成了MOOC 發(fā)展現(xiàn)狀的標志?！耙曨l公開課”和“大規(guī)模在線課程”的不斷涌現(xiàn)，促使微視頻和微課程走向大規(guī)模發(fā)展方向。微課是課堂教學的有效補充形式，微課不僅適合于移動學習時代知識的傳播、也適合學習者個性化、深度學習的需求[5-9]。

1 微課與傳統(tǒng)課程的比較

1.1 傳統(tǒng)課程的優(yōu)劣

傳統(tǒng)教學媒體使用歷史悠久，是無數(shù)教育工作者通過開發(fā)、實驗、積累研究出來的一系列行之有效的工具。傳統(tǒng)教學媒體以語言的形式，傳達教學信息，有利于提高學生抽象的思維能力[10]。學生在通過語言和口頭語言接受信息，既用耳又動眼，媒體與教學目標更易靈活匹配，由于教師的教學經(jīng)驗，對教材、板書等的操作得心應手，這也體現(xiàn)了傳統(tǒng)教學媒體簡便易行的優(yōu)點。傳統(tǒng)教學媒體在形象性和信息顯示方面卻存在著明顯的劣勢。受技術程度的限制，傳統(tǒng)教學媒體無法為課堂營造出形象生動的教學情境，在課堂教學中傳播的信息也較少。縱觀國內外教育信息化資源的發(fā)展，經(jīng)歷了CAI課件、專題學習網(wǎng)站、教學資源庫等不同階段。但不論資源如何呈現(xiàn)形式，都沒有對傳統(tǒng)的以教師為中心或以學生為中心的教學結構發(fā)生根本性的變革[11-13]。

1.2 微課程的特點

微課程一般時長5～10 min，將課程按照學生學習規(guī)律，分解成為具有目標、任務、方法、資源、作業(yè)、互動與反思等在內的微型課程體系。其主題突出、情景真實、短小精悍、可以讓學生針對課程的重點、難點、疑點通過各種移動終端利用碎片時間進行移動學習、泛在學習和個性化學習[14-15]。微課程以微型教學視頻為核心，包含與教學相配套的微教案、微課件、微練習、微反思、微點評等相關學習資源，形成一個開放性的資源動態(tài)共享與交互教學的新環(huán)境。在學習過程中，可汗學院創(chuàng)新的翻轉課堂除了教學微型視頻外，還有面對面的互動時間，同學和教師一起發(fā)生有意義的學習活動。微課程更接近完整的教學形式，有參與、有反饋、有作業(yè)、有討論和評價。微課程作為新型教育資源、學習方式和教學模式的變革，實現(xiàn)了對教師“教”的資源和學生“學”的資源的有效補充，成為學生自主學習和教師專業(yè)發(fā)展的重要途徑。

2 獨立院校數(shù)字電子技術實驗教學發(fā)展

近年來，大量先進技術如DSP、SOPC、EDA技術、嵌入式系統(tǒng)、硬件描述語言等出現(xiàn)在高校的課程設置中，這許多技術都是未來電子技術的發(fā)展方向和市場應用的需求方向。所有這一領域的專業(yè)基礎課數(shù)字電子技術的教學和實驗迫切需要改革。國外很多著名高校，不斷跟進數(shù)字電子技術的發(fā)展，在基于新型FPGA的實驗系統(tǒng)上開展數(shù)字電子技術課程的教學和實驗。我院對這門課程實驗教學內容更新較慢，主要體現(xiàn)在：① 實驗核心內容仍然放在中小規(guī)模的組合和時序邏輯電路的分析和設計；② 教材內容較陳舊，知識點連貫性較差；③ 實驗內容與實際應用差距太大，驗證性實驗較多，應用性設計內容要求過低。

如何將這一課程更好地傳授給學生，一線教師需要改革新的教學方式。能不能多講些實用的設計方法？能不能深入淺出，將高深的理論變簡單，簡單的問題變有趣？能不能利用零碎的課余時間完成一次學習？微課程這種新型有效的教學方式帶入實踐教學課程中，利用翻轉課堂的方式，提高學生的學習興趣和實踐動手能力。

本課題區(qū)別于傳統(tǒng)的實驗教學模式，摒棄了學生實驗課前不預習，課中不會做實驗，課后不復習的壞習慣，培養(yǎng)學生課外自主學習、創(chuàng)新思維、知識綜合應用、系統(tǒng)分析與設計、工程實踐等科學研究的基本素養(yǎng)和工程實踐能力。

3 數(shù)字電子技術實驗微課程的設計

3.1 明確培養(yǎng)計劃

根據(jù)我院2016版培養(yǎng)計劃安排，數(shù)字電子技術實驗和數(shù)字電子技術課程設計合并為一門實驗課，安排為24學時。因此，對該課程在實驗教學內容和模式上需要進行大規(guī)模的改進：① 制定圍繞授課重點、知識點突出的基礎實驗內容；② 確定切合實際、符合發(fā)展方向的創(chuàng)新實驗內容；③ 調試適合基礎實驗和創(chuàng)新實驗及深入設計的實驗內容；④ 編寫具有啟發(fā)性和開拓思維特點的實驗指導書；⑤ 確定實驗重點難點，錄制微視頻。

3.2 制定課程實驗大綱

按照課程內容的發(fā)展方向，實驗大綱的制定也需要符合當前數(shù)字電子技術的發(fā)展。我院制定的實驗大綱側重新技術的發(fā)展，減少驗證性實驗的課時，增加數(shù)字系統(tǒng)設計的內容，在我院獨立研制的實驗平臺上，完成EDA系統(tǒng)設計。實驗大綱重點體現(xiàn)基本知識與實際應用的內在聯(lián)系，并盡可能拓展，使學生在后續(xù)的獨立研究過程中，具有創(chuàng)造性思維，創(chuàng)新性能力。

根據(jù)2016版培養(yǎng)計劃，我院數(shù)字電子技術實驗安排課時24學時。內容安排分為數(shù)字電路基礎實驗、FPGA應用實驗和數(shù)字系統(tǒng)專題設計3個模塊，如圖1所示。

這3個模塊循序漸進，在內容上和形式上既有聯(lián)系又相互獨立。其中，數(shù)字電路基礎實驗4個，占8學時；FPGA應用實驗4個，占8學時；數(shù)字系統(tǒng)專題設計2個，占8學時。根據(jù)學生實際水平，教師可以調整授課課時進度，滿足不同層次的學生的實際需求。這樣縮短了驗證性實驗的課時，增加了學生自主設計的課時。意味著同學們自主設計實驗的時代已經(jīng)到來，本科生的專業(yè)基礎課的實驗教學進入了新的時代，學生可以自主調整學習步驟和時間安排。

圖1 數(shù)字電子技術實驗模塊安排

3.3 確定實驗所需的軟硬件

2016版培養(yǎng)計劃對實驗內容的安排作了具體的規(guī)劃，而不同階段的軟硬件要求不一樣。

圖2所示為不同實驗階段，所需掌握的軟硬件平臺。在數(shù)字電子技術實驗課程中，學生剛接觸數(shù)字電路，通過在硬件平臺上搭建數(shù)字電路，對課程內容有一個直觀的認識，主要完成驗證性實驗。第2階段，學習QuartusⅡ軟件搭建仿真電路，完成自主設計數(shù)字電路系統(tǒng)。第3階段，學習EDA設計方法步驟，掌握EDA設計的流程，完成自主設計數(shù)字系統(tǒng)，在我院自主研發(fā)的CPLD硬件平臺上，能實現(xiàn)軟件仿真、硬件測試功能。

圖2 數(shù)字電子技術實驗模塊及支撐軟硬件平臺

3.4 微課程知識點的確定

結合我院應用型本科人才培養(yǎng)方針和數(shù)字電子技術實驗大綱的安排，充分考慮了微課程的特點，將數(shù)字電子技術實驗中的重點及難點做成微視頻，通過“雨課堂”等平臺推送給選課學生，提前讓同學預習和學習。這樣，在實驗學時中，事半功倍，并且提高學生的實踐興趣。

第1階段，錄制數(shù)字電路基礎實驗微課程視頻，實驗1～4，共4個視頻，每個視頻不超過10 min。驗證性實驗的視頻，主要側重于硬件平臺的使用，實驗中所涉及的儀器儀表的使用，比如萬用表，示波器等。另外，還可以根據(jù)實驗的進階，將高階段所解決的實踐問題在錄制低階段的實驗時提出，對知識有一個承前啟后的鞏固作用。

第2階段，錄制FPGA應用實驗微課程視頻，4個視頻，每個視頻時間上控制在10 min之內。FPGA應用實驗的視頻錄制中，側重于介紹QuartusⅡ軟件如何繪制數(shù)字電路圖，實現(xiàn)仿真電路測試的功能。

第3階段，數(shù)字系統(tǒng)專題設計，這個階段的微課程錄制側重點除了介紹自主研制的CPLD實驗箱外，重要內容在數(shù)字系統(tǒng)設計的思路，EDA的實現(xiàn)步驟。至于學生具體搭建的電路和選擇的設計方案，應該是千變萬化，因人而異。而教師根據(jù)學生的設計思路和最后的測試結果給出專題設計的綜合成績。

4 微課程錄制及推送軟硬件

在具體錄制數(shù)字電子技術實驗微課程視頻時，通過調研、討論、比較等，主要選取以下幾種軟、硬件來完成錄制工作。

4.1 錄播室

在學校自建的錄播室錄制數(shù)字電子技術的緒論、發(fā)展和新技術，實驗的要求、安排等內容。錄播室安靜，噪聲干擾小，錄制講課的音頻效果好，在錄制過程中可以PPT和板書相結合，營造逼真的課堂氛圍。

4.2 數(shù)碼攝像機

配合錄播室的錄制，主要錄制人物和實驗平臺，搭建系統(tǒng)過程的近景錄制。數(shù)碼攝像機的優(yōu)點就是方便移動，隨時調整錄制的角度等細節(jié)問題。

4.3 錄屏軟件

采用錄屏軟件錄制實驗原理、方案設計、注意事項等比較方便。采用的器件主要有：電腦；錄入視頻與音頻的硬件，即麥克風、攝像頭；錄制屏幕的軟件，本課題選取Camtasia studio錄屏軟件；展示課程內容的備課軟件，例如Word、PPT等。

4.4 高像素手機

高像素手機相比較數(shù)碼攝像機的特點就是靈活、小巧、移動性靈敏，隨時隨地記錄實驗內容，方便實踐者隨時記錄自己的實驗成果。本課題有一個環(huán)節(jié)是學生在開放實驗室完成自主設計的實驗內容后自己錄制實驗微視頻。所以，在后期的實踐教學環(huán)節(jié)中，會推送一些講得比較典型的學生自主設計的實驗視頻給選課學生觀看，以提高學生的學習興趣。

4.5 微課程推送軟件

在進行“數(shù)字電子技術實驗課程”中，主要采用“雨課堂”軟件進行視頻、課件、習題等教學資源的推送，如圖3所示。

選擇“雨課堂”軟件基于以下幾點：定制，是指雨課堂不像MOOC一樣萬人一面；便捷，表示教師可以最快部署智慧教室；立體，表示教師可以做全周期的數(shù)據(jù)分析；易用，表明教師學生都不需多學直接上手。

“雨課堂”軟件只是應用于Powerpoint中的一個插件，使用者可以便捷地制作PPT和插入視頻。

從雨課堂的實踐出發(fā)，包括雨課堂師生互動、學生實際反饋、學習資料的推送等。對學生而言，課內限時習題的存在使得學生注意力提高，不懂即按鍵、彈幕、課前預習等環(huán)節(jié)有助于提高學生的主動參與意識，而課前課后推送的PPT、微課堂視頻等資料則可以讓學生隨時學習；對老師而言，學生所有的學習行為數(shù)據(jù)均被自動完整采集，有助于量化了解學生學習效果以及把握學生學習軌跡。

因此，微課程視頻結合“雨課堂”軟件的使用，使傳統(tǒng)實驗課實現(xiàn)輕量級的翻轉課堂，是混合式實踐課學習的新型模式。

5 實驗教學效果分析

本課題所設計的教學改革內容，已在我院電信系的學生和電子技術愛好者的實驗教學中實踐1年。這些新的教學方式和環(huán)節(jié)受到選課學生的好評，學生在課程中興趣濃厚，多數(shù)能夠舉一反三，完成電子設計內容的程度比教學計劃更加深遠和寬泛。同時，教師在準備這些新型教學內容時對本課程的內容和新技術的發(fā)展需要及時更新，以便能夠和學生探討更深難度的電子技術問題，以達到教學相長，師生共同進步。

6 結 語

數(shù)字電子技術課程是電氣電子信息類本科生必修的電子技術基礎課，是一門實踐性很強的課程。它以組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析和設計方法為主要內容。數(shù)字電子技術實驗是為了更好地讓學生掌握基礎理論知識，并能夠靈活運用所學知識，培養(yǎng)學生的動手和工程設計能力。本課題完成的實驗內容及其難易程度覆蓋了不同層次的實驗教學要求，其新穎的實驗課程形式深深地吸引學生獲得數(shù)字電子技術方面的基本理論、基本知識和基本技能，建立工程觀點、工程創(chuàng)新意識和實踐觀念。

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