信息類專業(yè)硬件基礎(chǔ)實踐的項目沉浸式教學(xué)模式

方愷晴　張洪杰　劉峰　錢彭飛

摘要：以“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實驗”為例，根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃教學(xué)，探討一種以工程項目為驅(qū)動的沉浸式教學(xué)模式，讓學(xué)生能靈活掌握和運用所學(xué)的知識，體驗一個工程項目完成的過程。再結(jié)合信息類相關(guān)硬件實驗中遇到的問題，逐步解決問題，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工程教育專業(yè)認(rèn)證；沉浸式教學(xué)模式；便攜式實驗設(shè)備

0.引言

我國的工程教育專業(yè)認(rèn)證是由行業(yè)協(xié)會、專業(yè)學(xué)會與該領(lǐng)域的教育專家、行業(yè)專家和企業(yè)專家針對高等教育本科工程專業(yè)的一種合格評價。工程教育認(rèn)證的目的是構(gòu)建工程教育的質(zhì)量監(jiān)控體系，推進(jìn)教育改革，進(jìn)一步提高教育質(zhì)量。對于信息類專業(yè)，要求培養(yǎng)的學(xué)生不僅具有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，更重要的是要有提出問題并解決問題的實踐能力。現(xiàn)階段，信息類專業(yè)的畢業(yè)生并不能滿足企事業(yè)單位對相關(guān)專業(yè)人才的要求，導(dǎo)致這一問題的主要原因是高校教育與企業(yè)需求存在著較大的差異，高校更偏重于理論教學(xué)，而沒有足夠重視學(xué)生工程實踐技能的培養(yǎng)。

“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實驗”是信息類所有專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)實踐課，對這門課的學(xué)習(xí)將直接影響到學(xué)生對“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”理論知識的掌握，以及后續(xù)“計算機組成與結(jié)構(gòu)”“微計算機系統(tǒng)”“嵌入式系統(tǒng)”“ASIC電路設(shè)計”“DSP技術(shù)”等眾多課程的學(xué)習(xí)。工程教育專業(yè)認(rèn)證是國家對高校人才培養(yǎng)的一種認(rèn)可，認(rèn)證過程就是對專業(yè)建設(shè)不斷學(xué)習(xí)、不斷完善、不斷創(chuàng)新的提升過程。專業(yè)認(rèn)證可以使我們更進(jìn)一步地明確培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)具有綜合分析能力、溝通能力、實際動手能力和科研開發(fā)能力的應(yīng)用型人才。如何以專業(yè)認(rèn)證為契機，以項目為驅(qū)動，以“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實驗”為硬件基礎(chǔ)，從人才培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法等方面進(jìn)行全面改革，探索一種沉浸式的教學(xué)模式。

1.項目沉浸式教學(xué)模式的探討

1.1沉浸式教學(xué)模式的理念

沉浸式教學(xué)模式是通過多種方式引導(dǎo)學(xué)生，以“做”為主，以應(yīng)用為本，讓學(xué)生寓學(xué)于做，進(jìn)入一種“沉浸”體驗的學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而提高教學(xué)質(zhì)量與成效。該模式通過多種自制教學(xué)實驗板，以項目為驅(qū)動，涵蓋認(rèn)知型、設(shè)計型和綜合型的實驗內(nèi)容，為學(xué)生提供全方位的實驗資料（大綱、運行圖、實驗視頻、課程網(wǎng)站等）。同時能夠給學(xué)生創(chuàng)造良好的教學(xué)環(huán)境和學(xué)習(xí)氛圍，學(xué)生能夠自主地完成各個基本模塊的學(xué)習(xí)，能夠充分體驗整個團隊完成工程項目的全過程。

1.2研究目標(biāo)

在培養(yǎng)目標(biāo)的指導(dǎo)下，根據(jù)專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的12條畢業(yè)要求，對課程教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行修正，重新確定教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)。以學(xué)生為中心，在工程項目為驅(qū)動的沉浸式教學(xué)模式下，培養(yǎng)學(xué)生在執(zhí)行項目過程中發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力，使其養(yǎng)成能夠按照工程原則與規(guī)范進(jìn)行實驗項目的分析、設(shè)計、開發(fā)、測試和協(xié)同管理的良好習(xí)慣。

1.3研究內(nèi)容與實施方案

1）課程目標(biāo)與課程分析。

“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實驗”是針對計算機信息類專業(yè)開設(shè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)實踐課。以該課程為示范，依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，確定教學(xué)目標(biāo)，并以教學(xué)目標(biāo)確定學(xué)生課程學(xué)習(xí)與畢業(yè)要求達(dá)成度的指標(biāo)點（見表1）。該課程通過設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)來拓展學(xué)生視野，讓學(xué)生了解一個工程項目的設(shè)計過程，掌握FPGA開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，EDA技術(shù)輔助設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)及分析方法；理解數(shù)字電路與邏輯設(shè)計的相關(guān)知識。設(shè)計過程中學(xué)生需要自制實驗板，通過項目讓學(xué)生沉浸于動手實驗來學(xué)習(xí)理論知識，使其自主獲取知識，能有效地提高學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力。本課程的任務(wù)是傳授實驗知識、實驗方法，培養(yǎng)實驗技能。課程預(yù)期效果見表1。

2）確定實驗內(nèi)容及實驗環(huán)節(jié)。

依據(jù)課程目標(biāo)、課程特點以及學(xué)生經(jīng)過課程學(xué)習(xí)后與畢業(yè)要求達(dá)成度的指標(biāo)點確定實驗內(nèi)容。本期實驗分為基礎(chǔ)模塊與綜合設(shè)計2部分，基礎(chǔ)模塊涵蓋數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的各種方法與基本知識點，綜合設(shè)計部分則是針對各種實驗方法及知識點的應(yīng)用?；A(chǔ)模塊之間相互銜接，知識點可多次嵌套運用。學(xué)生利用參考資料依次完成實驗，將“聽”“閱讀”學(xué)到的知識運用到實踐中從而達(dá)到沉浸式寓學(xué)于做的效果。在實驗教學(xué)中我們依據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)定相應(yīng)的5個實驗環(huán)節(jié)，具體如下：

（1）教學(xué)活動1（實驗基本項目）：基本實驗項目旨在促進(jìn)學(xué)生思考和應(yīng)用知識的基本訓(xùn)練。

（2）教學(xué)活動2（綜合項目設(shè)計）：綜合項目設(shè)計旨在促進(jìn)學(xué)生在團隊合作下，綜合運用工程知識及現(xiàn)代工具，設(shè)計完成特定需求的系統(tǒng)或部件，設(shè)計實驗，分析并解析數(shù)據(jù)，完成報告。

針對認(rèn)證過程中如何體現(xiàn)學(xué)生分析、解決復(fù)雜工程等問題的能力，就綜合設(shè)計的選題和操作過程有著完整的項目分解做指導(dǎo)，最大化地幫助學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)。學(xué)生在綜合項目中的團隊具體執(zhí)行過程已經(jīng)可以遵循項目控制表（見表2）的指導(dǎo)全程檢驗。

（3）教學(xué)活動3（文檔報告）：書寫報告是為了促進(jìn)學(xué)生獲得對相關(guān)內(nèi)容的深刻理解和展示歸納總結(jié)概念的訓(xùn)練。

（4）教學(xué)活動4（日志）：日志的目的是增強學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力訓(xùn)練。

（5）教學(xué)活動5（測試）：針對認(rèn)證過程中如何體現(xiàn)學(xué)生分析、解決復(fù)雜工程等問題，確定測試內(nèi)容與測試方式，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步掌握相關(guān)工程知識、學(xué)會設(shè)計實驗、分析解釋數(shù)據(jù)，快速完成分析報告的訓(xùn)練。

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)引入現(xiàn)代EDA技術(shù)達(dá)十多年，近兩年來對技能培訓(xùn)方面積累了一定的改革基礎(chǔ)，如仿真驗證專項訓(xùn)練，訓(xùn)練時提供給學(xué)生專項實驗視頻及注釋，訓(xùn)練測試則是對仿真基本技能及方法的歸納與總結(jié)，以及考核其是否能夠?qū)ζ浞椒ㄟ\用自如（見表3）。

在工程專業(yè)認(rèn)證指導(dǎo)下，我們加深對復(fù)雜工程的理解，持續(xù)性改進(jìn)原來實踐教學(xué)內(nèi)容，如VHDL結(jié)構(gòu)式描述與LPM定制方法的項目設(shè)計和測試（見表4）。

3）綜合項目驅(qū)動的沉浸式教學(xué)管理方法。

教學(xué)方法總的指導(dǎo)思想是以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實驗為主，教師干預(yù)為輔，讓學(xué)生寓學(xué)于做完成實驗。在具體教學(xué)過程中，教師利用自制實驗板，為學(xué)生自主實驗提供充分的實驗條件，在第一次實驗課堂上教師會把本實驗課的相關(guān)事宜（內(nèi)容、組織方法、要求、考核等）以及每周的實驗安排（課程運行圖）告之學(xué)生，用FPGA進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的實驗方法涵蓋在前期基礎(chǔ)實驗?zāi)K中，為了讓學(xué)生掌握這些方法，每個實驗?zāi)K給學(xué)生提供豐富的實驗資源（講稿、要求、實驗視頻），并有相關(guān)的課程網(wǎng)站，方便學(xué)生能獨立完成基礎(chǔ)實驗。學(xué)生每班按照強弱搭配的原則分為4組，各班挑選4名動手能力強，學(xué)習(xí)能力強，并熱心富有奉獻(xiàn)精神的學(xué)生為小組長，在組長的帶領(lǐng)下，小組成員一起學(xué)習(xí)共同完成實驗任務(wù)。

在完成涵蓋基本實驗方法和知識點的模塊后，安排學(xué)生以小組為單位完成一個綜合工程項目。該項目是實驗教師精心選擇，具有實用性、應(yīng)用性的一個案例，依據(jù)每組人數(shù)精心劃分了功能模塊，以及每個模塊要完成的任務(wù)，并寫好任務(wù)書，以及規(guī)劃好項目執(zhí)行控制時間表，讓小組長帶領(lǐng)組員依據(jù)各自能力選擇認(rèn)領(lǐng)相應(yīng)任務(wù)，并在組長的帶領(lǐng)下，用4周時間完成該項目，要求在實驗板上看到實驗結(jié)果，實驗板不是學(xué)生平時實驗用的便攜板，而是具有功能更強大的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計III型實驗板，學(xué)生靈活運用學(xué)到的知識，在新的實驗板上做出各自的實驗結(jié)果。該項目的完成占學(xué)生本課程成績的40%，學(xué)生要完成該項目，需小組成員共同協(xié)作，在實驗室用實驗板調(diào)試儀器，經(jīng)過多模塊、多次調(diào)試才能最終完成任務(wù)。

在教學(xué)中，通過選擇合適的綜合工程項目，以項目為驅(qū)動，讓學(xué)生能夠沉浸在實驗中，以綜合工程項目驅(qū)動貫穿整個學(xué)期。整個實驗過程，我們是以自制便攜式實驗平臺為依托，從第一周開始學(xué)生就可借用此便攜板，方便學(xué)生在課堂以外使用與學(xué)習(xí)，從而激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，以引導(dǎo)學(xué)生迅速入門，并在實驗教學(xué)中充分利用上述各種實驗指導(dǎo)方法，讓學(xué)生能順利開展實驗教學(xué)活動。

2.結(jié)語

本文以工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)思想，重新規(guī)劃教學(xué)，對信息類硬件基礎(chǔ)實踐的教學(xué)模式進(jìn)行了初步的改革和實踐，提出以工程項目為驅(qū)動的沉浸式教學(xué)模式，讓學(xué)生能靈活掌握和運用所學(xué)的知識，體驗一個工程項目的團隊合作完成過程，以此來解決信息類相關(guān)硬件實驗特別是綜合實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中的相關(guān)問題。雖然得了初步的成效，但這僅僅是開始，我們的目標(biāo)是以專業(yè)認(rèn)證為契機，用專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范實驗教學(xué)，提高畢業(yè)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)更優(yōu)秀的專業(yè)人才。