基于MOOC平台的数字逻辑实验教学模式
文章编号：1672-5913（2017）07-0131-04
中图分类号：G642
0 引 言
数字逻辑课程是电子信息类学科的专业基础课，是一门实践性很强的课程。对数字技术专业学生来说，它是必修的硬件基础课，学懂该课程的内容才能打开数字技术的大门，为后续课程的理论教学和实践教学打好基础，并将受用终身。
1 数字逻辑实验教学中存在的主要问题
当前，数字逻辑实验教学主要存在以下问题。
1）实验内容没有创新。
国内大多数高校设计的实验内容基本相同，长期没有更新，如电子钟、出租车计价器和交通灯等，学生在实验过程中不主动学习，经常拷贝其他同学的答案，或在网上找答案。
2）实验环境重复建设，实验资源得不到充分利用。
大多数高校各专业针对数字逻辑实验课程单独设置环境，相互间缺少有效沟通，各实验室常常在一个学期里仅使用二、三十个小时，重复建设相同的实验环境造成了教学资源的极大浪费。
3）实验平台没有创新，没有考虑前导课程和后续课程的衔接，课程系统性不足。
计算机学科的课程内容具有很强的交叉性和相关性。在教学过程中，教师很难使学生对其前导课程完成的基础能力做要求，也很难兼顾其后续课程的学习。由于课程衔接不够充分，学生在实验后很难扎实掌握学过的知识。
4）实验教学模式及管理方式多种多样，没有博采众长。
教学模式的研究层出不穷，虽然众多研究在理论和实践上都付出了诸多努力，但近年来学生的创新能力并没有明显改善。当前国内主要的实验模式有：传统的封闭实验室教学模式、开放实验室教学模式、虚拟实验室教学模式等，但这些模式都有不足之处。
使用封闭实验室，学生在实验室花费很多时间进行设计，实际动手时间很少，占用实验资源时间较长，学生不能充分、灵活利用时间。使用开放实验室，存在仪器损坏率高、指导教师力量不足、实验经费不足等问题，也存在学生主动性不够的问题；利用虚拟实验室，学习缺少监管，学生主动性不够，遇到问题也不能得到教师的及时指点。这3类硬件实验教学模式均存在较严重的问题。
2 创新数字逻辑实验教学的研究思路
（1）研究有趣味性的实验教学内容，实验内容必须不断更新。比如，教师与学生交流、探讨有意思的实验内容，共同确定实验题目。
（2）研究、使用新的实验平台。实际上，通过EDA工具软件设计各种规模的数字电子系统是目前工程师的设计潮流。通过EDA和CPLD/FPGA仿真器就能完成数字技术硬件课程的各类实验，硬件课程实验平台完全能够在考虑系统性的基础上做到统一[1]。
（3）研究新的管理模式、运行模式及相关制度。适当增加室外课程，培养学生发现问题的思维方式，激发其求知欲；创新能力来自坚持不懈的精神，其核心是创新思维。因此，如何通过建立科学的实验教学管理模式和运行模式，培养学生的创新思维，是主要的研究方向。
（4）研究实验室教师队伍建设，研究如何配备高水平的数字逻辑实验高技术人才。建立一支高水平的师资队伍是开放实验室的前提，严格规范的管理是开放的必要条件，良好的实验室硬件是开放的基础。教师队伍直接影响实验教学的成效，因此，教师不仅要掌握先进数字技术，而且要具有计算机专业课程的系统性知识，掌握数字技术的发展方向。
（5）研究创新实验教学的考核机制。在MOOC教学实验平台上，通过在线回答问题的方式对学生进行考核。综合设计实验需要单独进行面对面考核，或以答辩方式考核。
3 MOOC数字逻辑实验教学模式
针对实验教学中存在的问题，相关研究已为计算机专业的创新实验教学模式指明了方向，但要真正??施这些方式，还需要深入研究具体内容，探讨行之有效的方法。比如，由于多种因素的影响，开放实验室的建设与实践尚无固定模式可循，各高校都在探索。因此，基于当今相关研究及现代教学MOOC平台，建立一种数字逻辑创新实验教学模式成为当务之急。
大型开放式在线课程MOOC（massive open online courses）是2012年美国顶尖大学创立的在线学习平台。MOOC平台的课程针对高等教育提供免费课程，有一套自己的学习和管理系统。我国积极响应世界潮流发展趋势，也创立了自己的MOOC平台。MOOC在国内各高校掀起了创新教学模式的热潮，让教育者重新构想高等教育[2-3]。如何进行大规模在线数字逻辑实验是教育者面对的难题。为了避免重复建设和不必要的浪费，基于硬件实验模式的研究，通过分析和比较，笔者给出一个思路：基于MOOC教学平台，借鉴国内外的先进技术与经验，探讨和建立自己的创新实验平台和管理模式。
近年来，西安交通大学数字逻辑电路教学团队，基于学校2014年与2015年度的教改项目，首先在学校的课程中心建立了数字逻辑电路MOOC课程，得到了本校学生的积极响应，数字逻辑电路课程的点击率多年来一直保持在学校所有课程的前十名。基于该平台，在2015年的教学过程中，我们尝试对在校学生采用线上线下混合教学方式，发现教学效果明显提高，该课程学生对教师的评价从2013年的87.74分、2014年的88.15分提升到93.49分。为了真正了解MOOC教学的成效，在2016年的教学过程中没有使用线上线下混合教学方式，学生对教师的评价又降到了87.33分。在2015年底，该课程被中国高校计算机MOOC联盟列为首批建设课程，2016年度，本课程组在智慧树工作人员的积极配合和支持下，在智慧树MOOC平台重新建立了数字逻辑电路MOOC教学课程，并把数字逻辑实验的相关内容融入其中，开启了创新数字逻辑实验教学的新模式。 这种数字逻辑实验教学模式是基于MOOC的虚拟实验室、口袋实验室、开放实验室等的多方位实验教学模式，见图1。
虚拟实验室通过MOOC平台连接虚拟机，在虚拟机中运行实验配套软件，并按照实验要求设计、模拟、仿真实现实验内容。传统实验项目移植至MOOC平台后，可能会存在兼容性问题，需要适当调整实验内容以适应虚拟实验环境和MOOC平台。在该平台，学生主要完成以下实验任务：
（1）通过在线方式完成基础知识的学习，了解实验室的规章制度。
（2）预习实验过程，熟悉实验操作规范和常见故障检查方法。
（3）掌握数字集成电路的特点和使用须知。
（4）学习实验中使用的硬件描述语言VHDL等。
（5）熟悉实验工具，如VIVADO、QUANTUS软件。
（6）模拟实验结果。
学生通过在线方式完成理论内容的学习，也可以进行模拟实验，在本地根据实验要求完成实验内容。模拟实验的结果是模拟出来的，可以使用软件直接检验实验结果是否正确，从而达到在线自动评测的目的，这也为大规模在线课程实验教学提供了便利。
口袋实验室为数字逻辑电路实验提供了多样化的实验实体环境。为了帮助学生在硬件课程实验中找到相应的实验设备，西安交通大学电子与信息工程学院为本院每位学生购买了Xilinx公司提供的支持在线实验的硬件设备――口袋大小的Zynq系列实验板。在校学生可以到实验室实验，也可以与非在校学生一样利用口袋实验室在本地根据实验要求完成实验内容。学生自己搭建实验环境，配置相关实验硬件设备参数，实验完成后根据在线实验指导自行检验实验结果，并对实验进行改进。该软件既可以安装在MOOC平台的虚拟机中，也可以安装在本地机器上，还可在互联网上免费下载和使用。
开放实验室是在实体实验室的基础上灵活安排实验教师、实验时间的一种实验方式。该方式将实验室定时开放，学生通过MOOC平台申请实验时间，教师根据学生的要求安排实验时间及时间长度。通过MOOC平台上的互动实现教学资源的合理安排和使用，使教师和学生实验时间更灵活，达到节约实验资源的目的。开放实验室是虚拟实验室、口袋实验室的补充，还可用于教师对学生进行的现场考核。
总之，基于MOOC平台的多方位实验教学是基于一种远程虚拟实验平台的教学方式，为学生提供了多点接入实验平台的环境，极大地便利了学生。实验虽然允许相互讨论，但必须严格完成合格、规范的实验报告。学生所需的实验设备并不多，且由于实验结果由软件采集，实验检查也可以在线完成，并在线上传实验结果。通过远程视频监控等方式，教师可以掌握学生的实验进度，检验学生是否真正完成实验内容，很好地保证实验课程的教学效果。
MOOC平台适合大规模在线实验，并能很好地适应各种课程的各种实验方案[4]。教师必须进一步加强学生的管理，考核必须更加严格。实验的平时考核在线进行，作为平时成绩；在MOOC教学实验平台上学习的基础理论知识和要求做的验证性实验，教师通过在线回答问题的方式进行考核；综合设计实验需要单独面对面考核，或以答辩的方式进行。期末考核学生可以随机选择考核题目，灵活安排自己的时间，可在实验室或以在线监控方式进行。课程教学团队制定了一套严格完善的管理制度，考试过程中不允许讨论；学生要在规定时间内在实验室完成要求的内容和实验报告；实行答辩机制；还可以通过学生讲解、演示，教师提问、学生回答的方式进行线下考核。
通过使用这种新的教学模式，教师在MOOC平台中开放相关实验课程内容，学生自主学习实验的相关知识，并随时在MOOC平台上查询知识；学生通过口袋实验室随时实验，不受时间地点限制，灵活安排实验时间；学生在虚拟实验室进行虚拟仿真，并将最终结果提交给教师。教师在MOOC平台为学生提供问答渠道，学生在实验过程中遇见问题可随时与教师交互。最后由教师自行组织在线测验或线下答辩，并通过MOOC平台统一通知安排，方便快捷。
基于MOOC平台的“虚拟实验室+口袋实验室+开放实验室”的实验教学模式解决了在线课程无法进行实验的困难，达到与真实硬件实验一样的效果，能在一定程度上解决“三类硬件实验”存在的主要问题[5]。
4 结 语
计算机课程硬件实验作为课程教学的一个重要组成部分，需要不断创新和改革。国内各高校已经在在线实验教学方面进行了很多有益的尝试，西安交通大学也取得了一定的成果，但还有很多需要完善的地方。
笔者在详细分析传统3种实验模式的不足后，从创新性、管理模式、师资建设、考核制度等方面考虑，结合MOOC平台提出了一种基于MOOC平台的“虚拟实验室+口袋实验室+开放实验室”的多方位实验教学模式。这种大规模在线实验解决方案，使在线知识学习与相关实验的同步进行，很好地解决了传统实验模式下的相关缺点。显然，随着MOOC的不断改进与发展，大规模在线实验也将作为 MOOC 的一个重要组成部分服务于高校实践教育，随时随地提升学生的创新思维及动手能力，更好地服务于社会。
