MOOC在数字电路实验教学中的应用研究

刘小花 唐贵进 刘艳

摘 要： 为了培养学生的工程实践创新能力及进一步提升数字电路实验课程的教学质量，针对目前数字电路实验教学中存在的问题，探讨将传统的实验教学与MOOC结合起来。提出新的数字电路实验教学模式和评价体系，并将其应用到实际教学中，使得MOOC能够很好地辅助实验教学，从而实现理论教学与实践教学的有机融合。在实验教学中，以学生为主体，教师作为辅助角色引导学生通过MOOC自主学习，能促进学生构建自己的知识体系，并有效培养其实践创新能力。

关键词： 慕课； 数字电路； 实验教学； 自主学习

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：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，大规模开放在线课程，简称“慕课”），起源于开放教育资源运动和连通主义思潮。美国麻省理工学院2002年面向全球学习者开放的OpenCourse是开放教育资源运动的标志性事件。2012年出现了三大最知名的MOOC平台，分别是Coursera、Udacity和edx，称为全球MOOC元年。之后MOOC迅速席卷全球。目前，国内较为知名的MOOC平台有学堂在线、育网ewant、好大学在线、中国大学MOOC等[1]。MOOC凭借着推动教育信息化发展的诸多力量，迅速席卷全球，影响着人们的工作、学习与生活。MOOC在理论课教学以及实验教学中被广泛应用[2-5]。本文将具体讨论其在数字电路实验教学上的运用。

1 数字电路实验教学的现状

实验教学是学生深入理解理论知识，提高动手能力与创新能力的重要环节，数字电路实验使学生巩固和加深对数字逻辑电路理论课程的理解，培养学生根据所学的理论，设计实验电路、拟订实验方案、进行电路参数的测量。培养学生掌握数字逻辑电路、数字综合电路和小型数字系统的设计、装配、电路调测等工程设计方法。掌握电子设计自动化（EDA）开发软件对数字逻辑电路进行分析与仿真。而数字电路实验教学模式还存在一些问题。

⑴ 实验课程内容单一，层次不分明，没有考虑学生的水平差异性。学生的成绩水平通常呈现正态分布，但是教学内容、教学方式的设计不能满足所有学生的需求。特别是基础较差的同学，实验经常不能按时完成，这样会挫伤其实践学习的积极性，从而影响教学质量。

⑵ 实验课程内容与理论课程内容脱节，经常出现学生在理论课没有学到某个知识点而实验课已经用到这知识点的现象。电子信息类实验课程内容与理论课程内容具有较强的关联性与交叉性。在实验课教学过程中，教师很难对学生的理论基础做要求，这就导致学生在实验后也难以理解实验内容的情况。

⑶ 虽然众多研究对实验教学模式进行多种尝试，但学生的创新能力并没有得到明显的改善。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，但这些模式都存在一定的缺陷[6]。

⑷ 高校評定学生实验成绩的方法多以实验报告的工整程度和实验结果为主，忽视了学生实验过程与创新思维的重要性。

2 运用MOOC优化实验教学分析

2.1 MOOC融入实验教学的意义

MOOC的发展给予了教育工作者在实验教学改革方面新的思路。使用MOOC平台主要有以下几个方面的意义：一是为提高学生对于实验课程的兴趣，培养学生的自主学习能力，增加学习的交互性。MOOC上的实验教学内容丰富而且免费，学生可以根据自己的兴趣爱好自主选择实验项目，满足学生的个性化需求，促进学生自主学习，同时学习过程中可给老师留言或相互讨论。二是MOOC的每集课程视频时长通常可划分40-45min（网上公开课）、20-25min、5-10min（微课）等几种。而每集视频都有一个核心的主题，而不是传统课程视频内容的简单剪辑[7]。MOOC短小精悍的特点使得MOOC很适合作为学生实验课前对理论知识预习或复习过程，连接实验内容与理论知识。

2.2 教学模式上的改革

将传统的课堂教学与MOOC结合起来，教师通过各种教学资源的综合利用，有效处理各种课时、知识点之间的相互关系，实现理论课程和实践知识体系的有机融合[8]。将MOOC合理地运用到数字电路实验中，改变了数字电路实验教学模式。我们将简单的课前预习、课上老师讲解实验步骤，然后学生按部就班完成实验操作，最后老师验收的教学模式变成课前学生主动获取实验及相关理论知识、课堂学生为中心列出设计方案老师补充知识点的教学模式，如图1所示。

⑴ 课前知识预习

根据授课计划表，老师每次实验课前将每次实验课需要完成的实验预习内容做成文档布置给学生，并将实验涉及到的理论课的知识点以及实验课操作的重要环节的MOOC资源提供给学生学习；这样即使理论课上没有吃透的知识点，学生通过MOOC进行学习，能自主地完成预习任务。在实验教学中，预习是非常重要的，它直接影响课堂上的学习效率和实验进度。

对基础较弱的学生，可以分配预习学习小组，小组内同学相互交流，好的学生将带领整个小组进行知识点的预习并完成实验预习报告。

⑵ 课堂实验教学

在课堂上，教學的主体是学生，课堂内学生上台在黑板上板书并讲解自己的实验设计思想，老师根据学生预习报告及板书讲解的内容了解学生的预习情况，并根据其预习情况，对学生普遍遇到的问题做一个统计讲解，对知识点进行补充和串联并强调实验操作要点；学生在老师讲解过程中，随时提出自己的疑问及见解。

由于课前预习工作准备充分，对于一些设计实验，要求学生在实验预习时，预先设计出电路，再对实验电路应用Multisim软件进行仿真，因此在实验操作过程中，学生能够得心应手，快速高效地完成实验。对于部分动手能力稍强的学生，老师会机动地给部分学生添加扩展操作题。

⑶ 课后巩固练习

数字电路是一门工程性课程，而数字电路实验是获取工程经验的有效途径，它帮助学生理解所设计电路系统的性质及性能。学生在完成实验任务后，课后需认真撰写实验报告，在报告中对实验中出现的问题以及实验数据进行分析总结。此外，老师在课后还会给学生补充一些MOOC学习资源以拓展学生的思维。针对接收能力强的学生，提供一些开放实验项目供学生选择，利用课后在开放实验室内完成。

2.3 实验教学案例分析

在传统实验课程中，教师先给学生讲解相关理论知识，讲解电路实现原理图。学生根据老师所讲的电路原理图，连线操作实现实验内容，这种实验教学效果并不理想。作为教师，特别是实验教学，老师的角色应该改变，从传播知识者转变为帮助者，引导和支持学生自主学习、操作。学生根据自己的经验，通过自己学习技能、探索以及反思来构建自己的知识，老师讲授则为辅助角色。我们以寄存器与移位寄存器电路实验课为例，展示如何应用MOOC设计课前知识预习、课堂实验教学以及课后知识巩固与拓展。

2.3.1 课前知识预习

在课前预习阶段，教师需要对实验内容进行知识点整理，提供一系列知识点及MOOC视频，让学生能够自行学习。以移位寄存器电路实验为例，对该实验课内容的知识进行提取，知识结构框图如图2所示。对每个知识点，学生在看过书本后，教师提供一段10分钟左右的MOOC，并辅助PPT，帮助学生加深理解，同时留意学生在系统中对哪些难点进行了提问。

在图2中，将移位寄存器实现序列信号发生器根据移位寄存器原理和设计方法分两个大知识点：

⑴ 移存器的原理。分两个MOOC来讲解，首先介绍移存器的原理，分左移和右移及其主要应用；随后主要介绍实验课堂上用到的芯片74LS194四位双向移存器的逻辑功能。

⑵ 设计移存型信号发生器主要是通过实际用例来介绍，这里我们以产生“0001101”这样一个序列号为例，设计步骤概括如下：

（a） 由给定序列信号的循环长度P=7，确定所需移存器的最少位数。根据，确定n=3，即我们使用74LS194中的三位。然后选定移动方式（这里选择左移），根据序列信号“0001101”的移存规律列出状态图即真值表。

（b） 确定反馈函数表达式。由真值表画出卡洛图求得；

（c） 检查自启动性。n=3时，3个触发器可组成8种状态，而序列信号只用到7种状态，正常工作时，111状态是不会出现的，称之为偏离状态。所有偏离态若在时钟脉冲作用下能自动转入到有效序列中来，我们就称之为具有自启动性。

（d） 画出逻辑电路图。通过上述内容的讲解，学生基本掌握了移存器的原理及移位寄存器实现序列信号发生器的设计方法。接着就可以设计实验课的内容：要求应用74LS194移位寄存器附加74151或74LS194移位寄存器附加74138来设计“101001”序列信号发生器。

2.3.2 课堂实验教学

在实验课教学中，针对实验内容，教师逐一检查学生的预习报告，同时抽取2-4位学生到黑板上写出自己的设计过程，并简要讲解自己的设计思路。随后，老师根据学生的预习报告以及设计讲解情况，基本了解学生的预习成果以及知识点的掌握情况，并对实验课内容的难点及学生出错部分针对性做出讲解。

在仪器设备操作方面，播放1-2个MOOC，如移存器逻辑功能测试演示，“序列码”信号稳定显示的示波器设置过程。最后学生根据设计，用实验进行验证，并用示波器观察记录时钟和输出波形。

整个实验教学过程中，学生作为主要角色，老师转为引导者，使实践练习成为工程训练的重要组成部分，而讲授则为辅助角色。

2.3.3 课后知识巩固与拓展

通过上述两个环节，老师根据实验内容设计知识体系，根据学生预习情况设置实验课堂讲解部分，通过前面两个教学活动，学生基本掌握了实验教学内容，具备理论结合实践操作。在课后，学生通过实验报告的撰写是对实验内容知识进行一个系统的总结。利用MOOC，学生实验课后对应的复习检测也方便快捷。对于学习热情高的学生，老师可提供开放实验项目供其选做；通过开放实验项目，将实验知识运用于实际问题中，加深学生对数字电路相关知识的理解。

3 考核与评价

传统教学与MOOC教学都有各自的学习评价体系[9]，为了合理评价实验教学模式下学生的学习效果，我们设计了全面的评价体系。根据实验教学的三个环节及期末测试（操作加笔试的形式）环节，考核与评价各环节的参考比重如表1所示：其中，预习报告评价是教师根据学生通过自主学习MOOC，预习课本知识完成预习报告的情况来进行评价，学习预习过程中有问题可以在线留言，预习报告包含查阅的资料目录、MOOC目录、电路设计过程、电路草图及实验预期结果。而实验课堂评价，由三部分组成：实验设计方法讲解、实验操作及实验创新；实验创新主要体现在学生电路设计及操作实现的新颖性。实验报告主要是考察学生科技论文的撰写和文档整理能力。为突出学生自主学习和实践操作能力培养的重要性，我们会适当增加平时成绩所占比重。

4 结束语

基于MOOC的数字电路实验的教学模式，是信息网络时代对教学方式的革新。MOOC的使用，是可以更好地完成实验教学，兼顾各个层次的学生，提高教学质量。基于MOOC的实验教学模式注重学生自主学习能力的培养，以启发式案例教学及开放实验项目培养学生自主学习兴趣；课堂上，通过学生讲述实验设计内容和老师补充知识点的教学方式，让学生巩固所学理论知识并构建自己的知识体系，同时提高工程实践能力及其创新能力。

参考文献（References）：

[1] 杨特育，杜奕智.MOOC自主学习平台在高校实验教学中的应用研究[J].扬州大学学报，2017.3：92-95

[2] 潘晟旻，田春瑾，方嬌莉.MOOC学习特征分析及其在C语言教学中的应用[J].计算机教育，2016.258（6）：90-93

[3] 方小坤.基于MOOC在线新型混合式实验教学模式研究[J].教育教学论坛，2016.6：258-259

[4] 姜丽，卫春芳，陈志雄.基于MOOC的三位一体高校实验教学模式的研究[J].实验技术与管理，2017.4：182-184

[5] 李鸣，蔡榆榕，李蓉蓉.“慕课”在实验教学改革中应用[J].实验室研究与探索，2016.35（9）：204-208

[6] 朱正东，郭如意，田靖轩等.基于MOOC平台的数字逻辑实验教学模式[J].计算机教育，2017.7：131-134

[7] 赵玉新，刘伟.MOOC的多种授课模式比较分析[J].计算机教育，2016.254（2）：147-149

[8] 陈正宇.MOOC理念下电子信息工程专业课程“软件化”建设的思考[J].计算机教育，2016.254（2）：172-175

[9] 雷军程.基于MOOC的混合教学模式学习评价设计[J].计算机时代，2015.12：82-84