常郝 徐勇 倪天明 李东勤 陈晓玲 梁后军

【摘   要】   数字系统设计旨在培养学生分析解决复杂工程问题、提升工程实践的能力。从实践能力培养与创新能力培养的课程目标出发，对课程内容、授课方式等方面进行优化以促进实践与创新能力培养。针对线下教学过程考核复杂、教学质量难以监控等问题，依据超星平台提供的线上教学运行数据，从课程、学情、成绩三方面量化分析，根据分析结果提出提升实训类课程教学质量的建议。

【关键词】   超星平台;实训课程;教学质量;量化分析

Quantitative Analysis of Teaching Quality for Practical Training

Course Based on Chao-Xing Platform

Chang Hao1， Xu Yong1， Ni Tianming2， Li Dongqin1， Chen Xiaoling1， Liang Houjun1

（1. Anhui Finance and Economics University， Bengbu 233030， China;

2 .Anhui Polytechnic University， Wuhu 241000， China）

【Abstract】    The design of digital system aims to cultivate students to analyze and solve a complex engineering problem， so as to enhance practical engineering ability. Starting from the curriculum objectives of cultivating practical ability and innovative ability， the contents and methods of the curriculum are optimized. Moreover， aiming at the difficulty in assessment of teaching process and monitoring teaching quality， the quantitative analysis of curriculum， learning situation and performance are carried out according to the online data provided by Chao-Xing platform. Finally， some suggestions are proposed to improve the teaching quality， especially for the practical training courses.

【Key words】     Chao-Xing platform; practical training course; teaching quality; quantitative analysis

〔中图分类号〕  G712             〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2021）01- 0112 - 05

0     引言

数字系统设计综合实训是一门融合了程序设计、数字电子技术、FPGA技术的实践性课程，旨在培养学生分析解决复杂工程问题、提升工程实践的能力[1]。

实训类课程在实际教学过程中存在的难点主要有：（1）实践环节不够夯实，动手能力不足，存在理论与实践脱节的现象[2]。（2）未能有效支撑学科竞赛，存在课程与学科竞赛脱节的现象。学科竞赛与课程实验、课程设计相比，在课程目标、技术平台、能力培养上具有显著区别。学科竞赛面向社会热点问题，使用前沿技术平台，注重跨专业跨年级的创新能力互补[3]。将学科竞赛融入实训课程教学，能够切实提高教学质量。（3）教学过程考核复杂，教学质量无法定量评价。线上教学学生自律性不强、缺乏自我约束，教学效果难以保证[4-5]。如何利用线上教学平台提供的学习日志来分析学习行为，监控教学质量，是目前实训课程教学亟待解决的难题之一[6-7]。

针对以上问题，基于课程的目标与任务，本研究从开发环境的选择、课程安排、授课方式和教学内容改革等方面进行了讨论，同时根据超星平台提供的教学运行数据全面跟踪、统计、分析、反馈学生的学习行为，促进了教学质量的提升。

1     课程目标与任务

提高学生实践动手能力和创新能力是数字系统设计综合实训课程的主要目标。本课程要求学生能够熟练使用Verilog语言描述数字系统;掌握Xilinx Vivado設计套件的开发流程;熟悉Xilinx Nexys4 DDR FPGA开发板的基本组成和使用方法;熟悉复杂数字系统设计流程并能够进行中大规模数字系统设计。

2     教学运行与实践

为有效支撑学科竞赛，实现实训课程与学科竞赛的高效衔接，顺利实现以赛促教，在教学实践中对数字系统设计综合实训课程的开发环境、教学内容、课程安排、授课方式均做了大幅优化。

本课程所用开发环境是Vivado+Nexys4 DDR。Vivado能够完成数字系统设计、仿真、综合、约束、实现、下载比特流、编程等FPGA实践的完整流程。开发板是Xilinx Artix 7系列的Nexys4 DDR，属于中高端配置。更重要的是，本课程的开发环境与全国大学生计算机系统能力培养大赛、安徽省机器人大赛——C平台（FPGA）所用的软硬件配套，能够实现课程到学科竞赛的无缝转换。

在课程教学内容上，如表1所示，主要分为五大部分。基于Artix 7系列FPGA开发板，首先介绍Verilog语言和Vivado开发环境，然后再介绍设计型、综合型实训项目。最后，结合历届全国大学生计算机系统能力培养大赛的竞赛题目，特别增加了基于MIPS指令集的CPU设计实训内容，设计与仿真单周期、多周期和流水线CPU。项目涵盖验证、设计、综合三大类型，由浅至深，比例安排恰当，符合学习规律。在课程讲解过程中穿插历年竞赛试题，有利于深化教学内容，提高学生参加学科竞赛积极性。

在课程安排上，本课程安排在第四学期开设。一方面，本课程安排在C语言程序设计、数字电子技术之后，计算机组成原理之前开设，便于课程群知识体系的衔接。Verilog语言与C语言具有较高的相似度，同时数字电子技术等基础知识为本课程提供了必要的知识储备，也能够有效衔接第五学期的计算机组成原理课程。另一方面，安徽省机器人大赛——C平台（FPGA）在每年的5月份开展。学完本课程之后，有利于学生参加下一年的学科竞赛。

授课方式采用类似于学科竞赛培训的集中式授课。在第13周至第17周，每周8学时，合计40学时。采用专题教学模式，例如，在完成组合电路设计专题后，趁热打铁，完成上板调试、讨论。

3     教学质量分析

超星平台可以记录学习过程中师生活动的详细日志，形成教学运行大数据，为教师提供学情分析报告，也可以为过程考核提供依据。

超星平台课程门户“统计”功能主要包括的教学数据有：课程报告、学情分析和成绩分析。课程报告提供课程资源统计、课程学习进度统计和任务点完成情况统计。学情分析是指对教学运行过程中学生的学习过程数据做详细分析。同时，超星平台支持平时测试、讨论、期末考核成绩的权重分配，提供了详细的成绩分析功能。

3.1   课程报告

3.1.1   课程资源统计

如表2所示，本课程资源以视频为主，文档为辅。视频资源主要包括实验项目课程视频，用于学生提前预习课程内容。文档资源主要包括教学大纲、教学方案、教学日历、PPT课件等。由于在课件中已经包含丰富的音频、动画、图片，故没有单独上传音频、动画、图片等教学资源。

3.1.2   课程学习进度统计

超星平台提供了课程进度和观看时长统计。任课教师可以查看平均进度、最快进度、最慢进度以及最短观看时长、最长观看时长和平均观看时长，从宏观层面掌握学生的学习进度。对于最慢进度、最短观看时长的学生，任课教师需要督促提醒该生跟上学习进度。

3.1.3   任务点完成情况统计

除了总体进度，任课教师还可以查看某任务点的学习情况，在微观层面把握学生对于任务点的学习情况。图1给出了10名学生在“数码管动态显示原理与设计”这个任务点的完成情况。反刍比定义为：视频观看时长/视频实际时长。举例来说，若以2倍速看完视频，反刍比会降到50%。若重复观看视频，反刍比会超过100%。一般来说，若个别学生该任务点视频的反刍比低于100%，说明该生未能看完任务点视频，或者该生以超过1倍速观看视频。如果大量学生的该视频的反刍比低于50%，说明学生对该任务点兴趣度较低，也可能是该任务点较为简单。反之，若反刍比高于100%，说明学生重复观看了视频。原因可能在于该任务点难以理解，或者学生对该任务点兴趣度较高。

反刍比这个指标可以反映出学生学习行为特点。在实践中，对于反刍比较低的情况，可以通过设置视频防拖拽，规定必须按时间顺序观看。

3.2   学情分析

学情分析是根据教师组织的课堂活动项目对学生的参与情况进行统计分析，供教师参考。学生参与的活动主要包括签到、作业、章节学习、线下讨论。这里对作业和章节学习做详细统计分析。

3.2.1   作业统计

如图2所示，发布的作业数量与学生提交的作业数量、批阅数量一致，仅在流水灯设计和电子秒表设计作业中，分别有1-2位学生未能按时完成。从图3中的作业成绩来看，5次作业最高分均在98分以上，平均分在92分以上，最低分80分以上，作业完成质量较高。

3.2.2   章节学习统计

以18计科1班6月份的章节学习次数为例，章节学习总数为3580次。由图4可以看出，学习次数有4次峰值，分别发生在是6-5，6-13，6-20，6-25，这与本月的4次集中授课时间（6-6，6-13，6-20，6-27）呈正相关。另外，在6月下旬的两次授课之后，在期末考核之前，学生学习频率峰值高于前期，且波动较大。这说明存在一定比例的学生在临近期末考试之前突击观看课程视频的现象。

从图5中6月份的学习时段分布可以看出，在上午8：00-12：00和晚上20：00-24：00这两个时段学习次数较多，說明这两个时段学习活跃度较高。具体到某一天的学习时段，以6月20日为例（图6），当天共学习356次，说明学生在这一天的活跃度较高。其中8：00-12：00有116次，20：00-24：00有122次，占当天学习总次数的64.04%。这说明学生能够利用一天中的黄金时间来学习本课程，反映出学生对课程的兴趣度和学习积极性较高。

通过课程学习进度和章节学习统计，可以查看到学生的学习进度。对于进度较慢或学习次数较少的学生，任课教师还可以查看这些学生的访问日志，掌握学生学习状态，进一步加强过程管理。如图7所示，以18计科1班中三位同学访问日志为例，王迪、徐睿两位同学访问曲线较为平稳，而桑延景同学访问日志出现2次明显峰值，波动较大，有可能存在突击观看视频现象。解决办法一是任课教师根据学生的访问日志曲线有针对性地督促学生合理安排课程的预习与复习，二是任课教师可以限制课程视频访问时间。

3.3   课程考核方式与成绩分析

3.3.1   课程考核方式

如表3所示，根据该课程在人才培养方案中所承担的培养目标，课程组教师讨论后决定考核结构分为课程视频、作业与测验、签到、课堂讨论、期末考核五部分。各部分考核要求各有侧重，体现在成绩比例上分别为10%，15%，5%，20%和50%。其中，前四项在超星平台中完成，期末考核采取现场考核方式。

《数字系统设计综合实训》课程强调实践能力培养，以动手实践为主，故期末考核中没有采用选择题、判断题、填空题等客观题型进行考核。任课教师给出设计型或综合型题目6题以上，学生从中任选2题，采用现场考核，現场打分的考核方式。在现场考核过程中，学生首先介绍设计思路和主要模块功能，然后临场回答教师所提问题。教师可以根据学生对设计思路、模块功能的介绍来判断学生对课程内容的理解、掌握程度，再根据学生回答问题时正确性、全面性、流畅度等指标进行再次判断后给出成绩。相比传统的试卷考核，能够有效避免学生死记硬背和学生之间相互抄袭，缺点是所给定的成绩具有一定的主观性，且对教师的临场掌控能力要求较高。

3.3.2   课程成绩分析

根据课程组统一设置的考核结构和比例，由超星平台自动计算出课程的综合成绩。如表4所示，在考试成绩方面，各班平均分在85分以上，优良率均超过50%，及格率超过95%，反映出学生对课程内容的掌握程度整体较好。另外，课程成绩各分数段基本符合正态分布，整体分布相对合理。

4     结论

根据超星平台提供的教学运行大数据来量化分析学习行为数据，提出以下建议。

（1）实训类课程的教学目的是提升实践能力。在教学实践过程中将教学内容、课程安排时间、授课方式等与学科竞赛相结合，能够有效深化教学质量，有利于促进课程教学与学科竞赛的有机融合，深化、优化教学内容。

（2）在教学实践中辅之以超星平台的教学运行大数据和过程考核，有利于任课教师在宏观上掌握学习进度，在微观上精确量化学习过程数据，能够有效提高教学质量，增强学习积极性。

（3）加强学习过程监管，避免学生突击看视频。利用超星平台的管理功能，采取合理约束措施，引导学生利用碎片时间，循序渐进地学习。

[参考文献]

[1] 李宇波，叶德信，卓成，等. “数字系统设计”课程的实践教学改革初探[J]. 工业和信息化教育， 2020（3）： 39-42+48.

[2] 虞亚军，贡毅，詹陈长. 探索“数字系统设计”课程的“任务型”教学模式[J]. 中国电子教育，2019（4）： 22-28.

[3] 姚利花，郭刚，张占东， 等. 学科竞赛和实践教学相融合培养新工科人才的研究[J]. 大学教育，2020（6）： 38-40+53.

[4] 刘燚，张辉蓉. 高校线上教学调查研究[J]. 重庆高等教育，2020（5）： 1-15.

[5] 张兴旺，丁建华，宋运贤，等. 基于移动互联网平台的线上教学评价体系构建[J]. 廊坊师范学院学报（自然科学版）， 2020， 20（3）： 108-112.

[6] 卓碧玲，王翠玲，殷知越. 疫情期间线上教学质量监控探析[J]. 教育教学研究，2020（4）： 161-162.

[7] 陈劲松. 新工科背景下电子类专业计算机类课程体系探索[J]. 廊坊师范学院学报（自然科学版）， 2018，18（3）： 108-111.