信息类专业硬件基础实践的项目沉浸式教学模式

方恺晴　张洪杰　刘峰　钱彭飞

摘要：以“数字系统设计实验”为例，根据工程教育专业认证标准规划教学，探讨一种以工程项目为驱动的沉浸式教学模式，让学生能灵活掌握和运用所学的知识，体验一个工程项目完成的过程。再结合信息类相关硬件实验中遇到的问题，逐步解决问题，提高教学质量。

关键词：工程教育专业认证；沉浸式教学模式；便携式实验设备

0.引言

我国的工程教育专业认证是由行业协会、专业学会与该领域的教育专家、行业专家和企业专家针对高等教育本科工程专业的一种合格评价。工程教育认证的目的是构建工程教育的质量监控体系，推进教育改革，进一步提高教育质量。对于信息类专业，要求培养的学生不仅具有扎实的专业基础，更重要的是要有提出问题并解决问题的实践能力。现阶段，信息类专业的毕业生并不能满足企事业单位对相关专业人才的要求，导致这一问题的主要原因是高校教育与企业需求存在着较大的差异，高校更偏重于理论教学，而没有足够重视学生工程实践技能的培养。

“数字系统设计实验”是信息类所有专业必修的一门专业基础实践课，对这门课的学习将直接影响到学生对“数字电路与逻辑设计”理论知识的掌握，以及后续“计算机组成与结构”“微计算机系统”“嵌入式系统”“ASIC电路设计”“DSP技术”等众多课程的学习。工程教育专业认证是国家对高校人才培养的一种认可，认证过程就是对专业建设不断学习、不断完善、不断创新的提升过程。专业认证可以使我们更进一步地明确培养目标，培养具有综合分析能力、沟通能力、实际动手能力和科研开发能力的应用型人才。如何以专业认证为契机，以项目为驱动，以“数字系统设计实验”为硬件基础，从人才培养目标、教学内容、教学环节、教学方法等方面进行全面改革，探索一种沉浸式的教学模式。

1.项目沉浸式教学模式的探讨

1.1沉浸式教学模式的理念

沉浸式教学模式是通过多种方式引导学生，以“做”为主，以应用为本，让学生寓学于做，进入一种“沉浸”体验的学习状态，从而提高教学质量与成效。该模式通过多种自制教学实验板，以项目为驱动，涵盖认知型、设计型和综合型的实验内容，为学生提供全方位的实验资料（大纲、运行图、实验视频、课程网站等）。同时能够给学生创造良好的教学环境和学习氛围，学生能够自主地完成各个基本模块的学习，能够充分体验整个团队完成工程项目的全过程。

1.2研究目标

在培养目标的指导下，根据专业认证标准中的12条毕业要求，对课程教学目标进行修正，重新确定教学内容、设计等教学环节。以学生为中心，在工程项目为驱动的沉浸式教学模式下，培养学生在执行项目过程中发现问题与解决问题的能力，使其养成能够按照工程原则与规范进行实验项目的分析、设计、开发、测试和协同管理的良好习惯。

1.3研究内容与实施方案

1）课程目标与课程分析。

“数字系统设计实验”是针对计算机信息类专业开设的一门技术基础实践课。以该课程为示范，依据工程教育专业认证标准，确定教学目标，并以教学目标确定学生课程学习与毕业要求达成度的指标点（见表1）。该课程通过设计一个数字系统来拓展学生视野，让学生了解一个工程项目的设计过程，掌握FPGA开发应用技术，EDA技术辅助设计数字系统及分析方法；理解数字电路与逻辑设计的相关知识。设计过程中学生需要自制实验板，通过项目让学生沉浸于动手实验来学习理论知识，使其自主获取知识，能有效地提高学生综合分析问题和解决问题的能力。本课程的任务是传授实验知识、实验方法，培养实验技能。课程预期效果见表1。

2）确定实验内容及实验环节。

依据课程目标、课程特点以及学生经过课程学习后与毕业要求达成度的指标点确定实验内容。本期实验分为基础模块与综合设计2部分，基础模块涵盖数字系统设计的各种方法与基本知识点，综合设计部分则是针对各种实验方法及知识点的应用。基础模块之间相互衔接，知识点可多次嵌套运用。学生利用参考资料依次完成实验，将“听”“阅读”学到的知识运用到实践中从而达到沉浸式寓学于做的效果。在实验教学中我们依据教学目标设定相应的5个实验环节，具体如下：

（1）教学活动1（实验基本项目）：基本实验项目旨在促进学生思考和应用知识的基本训练。

（2）教学活动2（综合项目设计）：综合项目设计旨在促进学生在团队合作下，综合运用工程知识及现代工具，设计完成特定需求的系统或部件，设计实验，分析并解析数据，完成报告。

针对认证过程中如何体现学生分析、解决复杂工程等问题的能力，就综合设计的选题和操作过程有着完整的项目分解做指导，最大化地帮助学生完成自主学习。学生在综合项目中的团队具体执行过程已经可以遵循项目控制表（见表2）的指导全程检验。

（3）教学活动3（文档报告）：书写报告是为了促进学生获得对相关内容的深刻理解和展示归纳总结概念的训练。

（4）教学活动4（日志）：日志的目的是增强学生自己发现问题、分析问题和解决问题的能力训练。

（5）教学活动5（测试）：针对认证过程中如何体现学生分析、解决复杂工程等问题，确定测试内容与测试方式，促进学生进一步掌握相关工程知识、学会设计实验、分析解释数据，快速完成分析报告的训练。

数字系统设计已经引入现代EDA技术达十多年，近两年来对技能培训方面积累了一定的改革基础，如仿真验证专项训练，训练时提供给学生专项实验视频及注释，训练测试则是对仿真基本技能及方法的归纳与总结，以及考核其是否能够对其方法运用自如（见表3）。

在工程专业认证指导下，我们加深对复杂工程的理解，持续性改进原来实践教学内容，如VHDL结构式描述与LPM定制方法的项目设计和测试（见表4）。

3）综合项目驱动的沉浸式教学管理方法。

教学方法总的指导思想是以学生自主学习、自主实验为主，教师干预为辅，让学生寓学于做完成实验。在具体教学过程中，教师利用自制实验板，为学生自主实验提供充分的实验条件，在第一次实验课堂上教师会把本实验课的相关事宜（内容、组织方法、要求、考核等）以及每周的实验安排（课程运行图）告之学生，用FPGA进行数字系统设计的实验方法涵盖在前期基础实验模块中，为了让学生掌握这些方法，每个实验模块给学生提供丰富的实验资源（讲稿、要求、实验视频），并有相关的课程网站，方便学生能独立完成基础实验。学生每班按照强弱搭配的原则分为4组，各班挑选4名动手能力强，学习能力强，并热心富有奉献精神的学生为小组长，在组长的带领下，小组成员一起学习共同完成实验任务。

在完成涵盖基本实验方法和知识点的模块后，安排学生以小组为单位完成一个综合工程项目。该项目是实验教师精心选择，具有实用性、应用性的一个案例，依据每组人数精心划分了功能模块，以及每个模块要完成的任务，并写好任务书，以及规划好项目执行控制时间表，让小组长带领组员依据各自能力选择认领相应任务，并在组长的带领下，用4周时间完成该项目，要求在实验板上看到实验结果，实验板不是学生平时实验用的便携板，而是具有功能更强大的数字系统设计III型实验板，学生灵活运用学到的知识，在新的实验板上做出各自的实验结果。该项目的完成占学生本课程成绩的40%，学生要完成该项目，需小组成员共同协作，在实验室用实验板调试仪器，经过多模块、多次调试才能最终完成任务。

在教学中，通过选择合适的综合工程项目，以项目为驱动，让学生能够沉浸在实验中，以综合工程项目驱动贯穿整个学期。整个实验过程，我们是以自制便携式实验平台为依托，从第一周开始学生就可借用此便携板，方便学生在课堂以外使用与学习，从而激发学生的自主创新能力，以引导学生迅速入门，并在实验教学中充分利用上述各种实验指导方法，让学生能顺利开展实验教学活动。

2.结语

本文以工程教育专业认证标准为指导思想，重新规划教学，对信息类硬件基础实践的教学模式进行了初步的改革和实践，提出以工程项目为驱动的沉浸式教学模式，让学生能灵活掌握和运用所学的知识，体验一个工程项目的团队合作完成过程，以此来解决信息类相关硬件实验特别是综合实验教学环节中的相关问题。虽然得了初步的成效，但这仅仅是开始，我们的目标是以专业认证为契机，用专业认证的标准来规范实验教学，提高毕业生的综合素质，培养更优秀的专业人才。