MOOC在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

劉小花 唐貴進(jìn) 劉艷

摘 要： 為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力及進(jìn)一步提升數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，針對(duì)目前數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，探討將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與MOOC結(jié)合起來(lái)。提出新的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和評(píng)價(jià)體系，并將其應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，使得MOOC能夠很好地輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)融合。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以學(xué)生為主體，教師作為輔助角色引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)MOOC自主學(xué)習(xí)，能促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建自己的知識(shí)體系，并有效培養(yǎng)其實(shí)踐創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞： 慕課； 數(shù)字電路； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 自主學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）10-83-04

Abstract： In order to cultivate the students' creative ability in engineering practice and solve the existing problems in the experiment teaching of digital circuits， and further improve the teaching quality of digital circuits experiment courses， the combination of traditional experiment teaching methods with MOOC is discussed. And a new model of digital circuits experiment teaching and its evaluation system are proposed and applied to practice. This model regards MOOC as a good supplement to experiment teaching， and can well integrate theory teaching and experiment teaching. In the experiment teaching， taking students as a principal role and teachers as an auxiliary role to guide students' active learning by MOOC， can promote students to build their own knowledge system and effectively cultivate their innovative ability in practice.

Key words： MOOC； digital circuits； experiment teaching； active learning

0 引言

MOOC（Massive Open Online Course，大規(guī)模開(kāi)放在線課程，簡(jiǎn)稱“慕課”），起源于開(kāi)放教育資源運(yùn)動(dòng)和連通主義思潮。美國(guó)麻省理工學(xué)院2002年面向全球?qū)W習(xí)者開(kāi)放的OpenCourse是開(kāi)放教育資源運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志性事件。2012年出現(xiàn)了三大最知名的MOOC平臺(tái)，分別是Coursera、Udacity和edx，稱為全球MOOC元年。之后MOOC迅速席卷全球。目前，國(guó)內(nèi)較為知名的MOOC平臺(tái)有學(xué)堂在線、育網(wǎng)ewant、好大學(xué)在線、中國(guó)大學(xué)MOOC等[1]。MOOC憑借著推動(dòng)教育信息化發(fā)展的諸多力量，迅速席卷全球，影響著人們的工作、學(xué)習(xí)與生活。MOOC在理論課教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中被廣泛應(yīng)用[2-5]。本文將具體討論其在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的運(yùn)用。

1 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生深入理解理論知識(shí)，提高動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)使學(xué)生鞏固和加深對(duì)數(shù)字邏輯電路理論課程的理解，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)所學(xué)的理論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路、擬訂實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行電路參數(shù)的測(cè)量。培養(yǎng)學(xué)生掌握數(shù)字邏輯電路、數(shù)字綜合電路和小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、裝配、電路調(diào)測(cè)等工程設(shè)計(jì)方法。掌握電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）開(kāi)發(fā)軟件對(duì)數(shù)字邏輯電路進(jìn)行分析與仿真。而數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式還存在一些問(wèn)題。

⑴ 實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容單一，層次不分明，沒(méi)有考慮學(xué)生的水平差異性。學(xué)生的成績(jī)水平通常呈現(xiàn)正態(tài)分布，但是教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式的設(shè)計(jì)不能滿足所有學(xué)生的需求。特別是基礎(chǔ)較差的同學(xué)，實(shí)驗(yàn)經(jīng)常不能按時(shí)完成，這樣會(huì)挫傷其實(shí)踐學(xué)習(xí)的積極性，從而影響教學(xué)質(zhì)量。

⑵ 實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與理論課程內(nèi)容脫節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生在理論課沒(méi)有學(xué)到某個(gè)知識(shí)點(diǎn)而實(shí)驗(yàn)課已經(jīng)用到這知識(shí)點(diǎn)的現(xiàn)象。電子信息類實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與理論課程內(nèi)容具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性與交叉性。在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過(guò)程中，教師很難對(duì)學(xué)生的理論基礎(chǔ)做要求，這就導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后也難以理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的情況。

⑶ 雖然眾多研究對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行多種嘗試，但學(xué)生的創(chuàng)新能力并沒(méi)有得到明顯的改善。當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接校簜鹘y(tǒng)的封閉實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式、虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式等，但這些模式都存在一定的缺陷[6]。

⑷ 高校評(píng)定學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的方法多以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的工整程度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主，忽視了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程與創(chuàng)新思維的重要性。

2 運(yùn)用MOOC優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析

2.1 MOOC融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

MOOC的發(fā)展給予了教育工作者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面新的思路。使用MOOC平臺(tái)主要有以下幾個(gè)方面的意義：一是為提高學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，增加學(xué)習(xí)的交互性。MOOC上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容豐富而且免費(fèi)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛(ài)好自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿足學(xué)生的個(gè)性化需求，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，同時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中可給老師留言或相互討論。二是MOOC的每集課程視頻時(shí)長(zhǎng)通?？蓜澐?0-45min（網(wǎng)上公開(kāi)課）、20-25min、5-10min（微課）等幾種。而每集視頻都有一個(gè)核心的主題，而不是傳統(tǒng)課程視頻內(nèi)容的簡(jiǎn)單剪輯[7]。MOOC短小精悍的特點(diǎn)使得MOOC很適合作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)課前對(duì)理論知識(shí)預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)過(guò)程，連接實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論知識(shí)。

2.2 教學(xué)模式上的改革

將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)與MOOC結(jié)合起來(lái)，教師通過(guò)各種教學(xué)資源的綜合利用，有效處理各種課時(shí)、知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)理論課程和實(shí)踐知識(shí)體系的有機(jī)融合[8]。將MOOC合理地運(yùn)用到數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，改變了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。我們將簡(jiǎn)單的課前預(yù)習(xí)、課上老師講解實(shí)驗(yàn)步驟，然后學(xué)生按部就班完成實(shí)驗(yàn)操作，最后老師驗(yàn)收的教學(xué)模式變成課前學(xué)生主動(dòng)獲取實(shí)驗(yàn)及相關(guān)理論知識(shí)、課堂學(xué)生為中心列出設(shè)計(jì)方案老師補(bǔ)充知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)模式，如圖1所示。

⑴ 課前知識(shí)預(yù)習(xí)

根據(jù)授課計(jì)劃表，老師每次實(shí)驗(yàn)課前將每次實(shí)驗(yàn)課需要完成的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)內(nèi)容做成文檔布置給學(xué)生，并將實(shí)驗(yàn)涉及到的理論課的知識(shí)點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)課操作的重要環(huán)節(jié)的MOOC資源提供給學(xué)生學(xué)習(xí)；這樣即使理論課上沒(méi)有吃透的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生通過(guò)MOOC進(jìn)行學(xué)習(xí)，能自主地完成預(yù)習(xí)任務(wù)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，預(yù)習(xí)是非常重要的，它直接影響課堂上的學(xué)習(xí)效率和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。

對(duì)基礎(chǔ)較弱的學(xué)生，可以分配預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)小組，小組內(nèi)同學(xué)相互交流，好的學(xué)生將帶領(lǐng)整個(gè)小組進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的預(yù)習(xí)并完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。

⑵ 課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在課堂上，教學(xué)的主體是學(xué)生，課堂內(nèi)學(xué)生上臺(tái)在黑板上板書(shū)并講解自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，老師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)報(bào)告及板書(shū)講解的內(nèi)容了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，并根據(jù)其預(yù)習(xí)情況，對(duì)學(xué)生普遍遇到的問(wèn)題做一個(gè)統(tǒng)計(jì)講解，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充和串聯(lián)并強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)；學(xué)生在老師講解過(guò)程中，隨時(shí)提出自己的疑問(wèn)及見(jiàn)解。

由于課前預(yù)習(xí)工作準(zhǔn)備充分，對(duì)于一些設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)時(shí)，預(yù)先設(shè)計(jì)出電路，再對(duì)實(shí)驗(yàn)電路應(yīng)用Multisim軟件進(jìn)行仿真，因此在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，學(xué)生能夠得心應(yīng)手，快速高效地完成實(shí)驗(yàn)。對(duì)于部分動(dòng)手能力稍強(qiáng)的學(xué)生，老師會(huì)機(jī)動(dòng)地給部分學(xué)生添加擴(kuò)展操作題。

⑶ 課后鞏固練習(xí)

數(shù)字電路是一門(mén)工程性課程，而數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)是獲取工程經(jīng)驗(yàn)的有效途徑，它幫助學(xué)生理解所設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)的性質(zhì)及性能。學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，課后需認(rèn)真撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在報(bào)告中對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)。此外，老師在課后還會(huì)給學(xué)生補(bǔ)充一些MOOC學(xué)習(xí)資源以拓展學(xué)生的思維。針對(duì)接收能力強(qiáng)的學(xué)生，提供一些開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生選擇，利用課后在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例分析

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程中，教師先給學(xué)生講解相關(guān)理論知識(shí)，講解電路實(shí)現(xiàn)原理圖。學(xué)生根據(jù)老師所講的電路原理圖，連線操作實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果并不理想。作為教師，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，老師的角色應(yīng)該改變，從傳播知識(shí)者轉(zhuǎn)變?yōu)閹椭?，引?dǎo)和支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)、操作。學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)自己學(xué)習(xí)技能、探索以及反思來(lái)構(gòu)建自己的知識(shí)，老師講授則為輔助角色。我們以寄存器與移位寄存器電路實(shí)驗(yàn)課為例，展示如何應(yīng)用MOOC設(shè)計(jì)課前知識(shí)預(yù)習(xí)、課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課后知識(shí)鞏固與拓展。

2.3.1 課前知識(shí)預(yù)習(xí)

在課前預(yù)習(xí)階段，教師需要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)整理，提供一系列知識(shí)點(diǎn)及MOOC視頻，讓學(xué)生能夠自行學(xué)習(xí)。以移位寄存器電路實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)該實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的知識(shí)進(jìn)行提取，知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生在看過(guò)書(shū)本后，教師提供一段10分鐘左右的MOOC，并輔助PPT，幫助學(xué)生加深理解，同時(shí)留意學(xué)生在系統(tǒng)中對(duì)哪些難點(diǎn)進(jìn)行了提問(wèn)。

在圖2中，將移位寄存器實(shí)現(xiàn)序列信號(hào)發(fā)生器根據(jù)移位寄存器原理和設(shè)計(jì)方法分兩個(gè)大知識(shí)點(diǎn)：

⑴ 移存器的原理。分兩個(gè)MOOC來(lái)講解，首先介紹移存器的原理，分左移和右移及其主要應(yīng)用；隨后主要介紹實(shí)驗(yàn)課堂上用到的芯片74LS194四位雙向移存器的邏輯功能。

⑵ 設(shè)計(jì)移存型信號(hào)發(fā)生器主要是通過(guò)實(shí)際用例來(lái)介紹，這里我們以產(chǎn)生“0001101”這樣一個(gè)序列號(hào)為例，設(shè)計(jì)步驟概括如下：

（a） 由給定序列信號(hào)的循環(huán)長(zhǎng)度P=7，確定所需移存器的最少位數(shù)。根據(jù)，確定n=3，即我們使用74LS194中的三位。然后選定移動(dòng)方式（這里選擇左移），根據(jù)序列信號(hào)“0001101”的移存規(guī)律列出狀態(tài)圖即真值表。

（b） 確定反饋函數(shù)表達(dá)式。由真值表畫(huà)出卡洛圖求得；

（c） 檢查自啟動(dòng)性。n=3時(shí)，3個(gè)觸發(fā)器可組成8種狀態(tài)，而序列信號(hào)只用到7種狀態(tài)，正常工作時(shí)，111狀態(tài)是不會(huì)出現(xiàn)的，稱之為偏離狀態(tài)。所有偏離態(tài)若在時(shí)鐘脈沖作用下能自動(dòng)轉(zhuǎn)入到有效序列中來(lái)，我們就稱之為具有自啟動(dòng)性。

（d） 畫(huà)出邏輯電路圖。通過(guò)上述內(nèi)容的講解，學(xué)生基本掌握了移存器的原理及移位寄存器實(shí)現(xiàn)序列信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。接著就可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容：要求應(yīng)用74LS194移位寄存器附加74151或74LS194移位寄存器附加74138來(lái)設(shè)計(jì)“101001”序列信號(hào)發(fā)生器。

2.3.2 課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師逐一檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告，同時(shí)抽取2-4位學(xué)生到黑板上寫(xiě)出自己的設(shè)計(jì)過(guò)程，并簡(jiǎn)要講解自己的設(shè)計(jì)思路。隨后，老師根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告以及設(shè)計(jì)講解情況，基本了解學(xué)生的預(yù)習(xí)成果以及知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，并對(duì)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的難點(diǎn)及學(xué)生出錯(cuò)部分針對(duì)性做出講解。

在儀器設(shè)備操作方面，播放1-2個(gè)MOOC，如移存器邏輯功能測(cè)試演示，“序列碼”信號(hào)穩(wěn)定顯示的示波器設(shè)置過(guò)程。最后學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)，用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并用示波器觀察記錄時(shí)鐘和輸出波形。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生作為主要角色，老師轉(zhuǎn)為引導(dǎo)者，使實(shí)踐練習(xí)成為工程訓(xùn)練的重要組成部分，而講授則為輔助角色。

2.3.3 課后知識(shí)鞏固與拓展

通過(guò)上述兩個(gè)環(huán)節(jié)，老師根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)知識(shí)體系，根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)情況設(shè)置實(shí)驗(yàn)課堂講解部分，通過(guò)前面兩個(gè)教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生基本掌握了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，具備理論結(jié)合實(shí)踐操作。在課后，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)是對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容知識(shí)進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的總結(jié)。利用MOOC，學(xué)生實(shí)驗(yàn)課后對(duì)應(yīng)的復(fù)習(xí)檢測(cè)也方便快捷。對(duì)于學(xué)習(xí)熱情高的學(xué)生，老師可提供開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供其選做；通過(guò)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將實(shí)驗(yàn)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際問(wèn)題中，加深學(xué)生對(duì)數(shù)字電路相關(guān)知識(shí)的理解。

3 考核與評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)教學(xué)與MOOC教學(xué)都有各自的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系[9]，為了合理評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，我們?cè)O(shè)計(jì)了全面的評(píng)價(jià)體系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三個(gè)環(huán)節(jié)及期末測(cè)試（操作加筆試的形式）環(huán)節(jié)，考核與評(píng)價(jià)各環(huán)節(jié)的參考比重如表1所示：其中，預(yù)習(xí)報(bào)告評(píng)價(jià)是教師根據(jù)學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)MOOC，預(yù)習(xí)課本知識(shí)完成預(yù)習(xí)報(bào)告的情況來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，學(xué)習(xí)預(yù)習(xí)過(guò)程中有問(wèn)題可以在線留言，預(yù)習(xí)報(bào)告包含查閱的資料目錄、MOOC目錄、電路設(shè)計(jì)過(guò)程、電路草圖及實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果。而實(shí)驗(yàn)課堂評(píng)價(jià)，由三部分組成：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法講解、實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在學(xué)生電路設(shè)計(jì)及操作實(shí)現(xiàn)的新穎性。實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要是考察學(xué)生科技論文的撰寫(xiě)和文檔整理能力。為突出學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作能力培養(yǎng)的重要性，我們會(huì)適當(dāng)增加平時(shí)成績(jī)所占比重。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于MOOC的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，是信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代對(duì)教學(xué)方式的革新。MOOC的使用，是可以更好地完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，兼顧各個(gè)層次的學(xué)生，提高教學(xué)質(zhì)量?；贛OOC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，以啟發(fā)式案例教學(xué)及開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣；課堂上，通過(guò)學(xué)生講述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容和老師補(bǔ)充知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方式，讓學(xué)生鞏固所學(xué)理論知識(shí)并構(gòu)建自己的知識(shí)體系，同時(shí)提高工程實(shí)踐能力及其創(chuàng)新能力。

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