混合式教学在“集成电路测试与可测性设计”课程中的实践与探究

张颖，陈鑫  

南京航空航天大学电子信息工程学院 南京211106

 

[摘  要]面临着“互联网+教育”的新时代背景和新工科所提出的高阶性和创新性要求下，如何激发教师与学生的积极性和创造力，进而可以有效提升“教”与“学”的效率，是教学改革迫切要解决的问题。在专业选修课“集成电路测试与可测性设计”课程中应用线上线下相结合的混合式教学策略，借助智慧教学工具“雨课堂”，通过合理的教学设计、改进的教学评估方式、线上线下教学的交织和相互推进，教学效果获得明显提升。

[关键词]混合式教学；集成电路测试；雨课堂；实证研究

[基金项目]国家级新工科研究与实践项目“面向新工科的教师跨界发展与评价激励机制研究”（教高厅函【2018】17号），南京航空航天大学2019年教师教学能力提升研究课题“混合式教学的课程实践探索与研究”（1901JF0402）

[作者简介]张颖，(1977-)，女，江苏南京、博士，南京航空航天大学电子信息工程学院，讲师，集成电路设计、验证与测试。

 

[分类号]G642.4  

 

新工科建设提出要构建工程专业新结构，更新知识体系，创新工程教育方式与手段，营造卓越教育的新生态，“集成电路测试与可测性设计”课程是面向电子信息类学生的专业选修课，其课程内容涉及最新的集成电路验证、测试和可靠性设计等，具有学科前沿的知识背景，是我校微电子专业新工科教学建设中的主干课程之一。考虑到课程具有较多的专业知识和工程应用背景，学生学习中存在一定的难度，采用线上线下混合式教学，引入线上的预习机制、在线讨论和互评等方法，配合线下的重点内容讲授、案例分析、评价体系优化等，实际课堂数据分析表明，该教学方式有效地提升了学生主动学习的驱动力，优化了教学效果。

 

一． 混合式教学模式概述

混合式学习理论是指将数字学习方式和传统课堂教学方式相结合，该概念最早提出是在上个世纪90年代，现在主要是指面对面的课堂讲授和多样的线上学习两种教学方式的有机融合[1]。从学习理论的角度出发，行为主义认为学习是刺激与反应之间的连接，认知主义认为学习是加工信息形成认知结构的过程，建构主义认为学习是学习者主动建构知识结构及在教师与同学的帮助下建构知识的过程。这些传统的学习理论始于技术并不怎么突出的时期，体现不出技术对学习的重要地位，George Siemens[2]认为技术对我们的生活、学习和交流方式进行了重组，技术正在改变我们的头脑，我们使用的工具日益决定我们的思维。他还提出学习就是建立网络的过程，这个网络一方面是创建大脑内部和外部的知识网络，另一方面是创建人际网络。可以获知，在互联网+的时代，知道知识在哪里比知道知识本身更重要。这催生了多种形式的创新教学方式、方法，其中，慕课MOOC这种形式在全世界广泛被推广[3,4]。虽然慕课对于教学资源的共享具有重要的意义，但是对于大学教育而言，它只是辅助资源并不能完全替代面对面教学环节[5]。2010年9月，美国教育部发布了一份在线学习的研究报告，开展了45个关于在线和面对面学习的比较研究，分析结果表明：在线学习和面对面学习效果基本一致，但是采用线上线下混合式的学习方法，学习效果优于单独使用任何一种。

混合式教学体系的教与学活动分布在线上和线下。线上的学习包括预习、复习和在线交流，将原本在课堂讲授的部分基础内容制作成微课，或使用现有的慕课资源，供学生在课堂外的时间自行学习。这种方式的优势在于两点，第一是学生具备更多的主动性，可以根据自己的时间安排和学习进度来进行自主学习，避免了传统课堂上由教师单方面决定教学的进度安排，无法兼顾学生的个性需求；第二是课堂讲授将具有更高的效率，因为基本概念和背景知识的理解在线上完成，线下的课堂时间可以高效地加以利用，专注于讲解重点案例、开展分组讨论等实践性的课堂活动、提供针对性的指导等，这种教学活动的组织方式将激发教师和学生参与教学活动的积极性。混合式教学中的评价机制也具备更多的灵活性，线上的各个环节可以配合相应平台的支撑进行考核方式的设计，线下的课堂活动可以采用自评、互评和教师打分相组合的方式，多样和均衡的评价方式将合理、公正地评定学生的学习效果，也有利于提升学生学习的主动性和积极性。

相比于传统的教学方式，混合式教学中的师生互动会更加丰富，线上的预习、复习阶段，学生可以通过在线交流或后台投稿、留言等方式和老师沟通；线下的课堂面对面环节，教师可以根据预习情况和相应的反馈信息进行针对性的教学，而师生会有更充分的时间和多样的形式进行沟通，从学生那获取的反馈也会更加及时。混合式教学中可配合使用多种数字学习资源，包括视频（微课、慕课、其他相关网络资源），学习资料（课件、习题、参考文献）等，这些资源既可以用于线上的课前预习、课后复习等环节，也可使用于面对面的授课中。可借用智慧教学平台来实现数字资源的高效管理。

在混合模式的教学过程中，学习内容由知识的讲解和传授转变为问题的探索和研究，学生由被动的接受者变换为主动研究者，成为教学活动中真正的“主角”，可以根据自己的学习习惯和学习效果，调整学习的节奏。而教师则由知识传授者和课堂管理者转换为学生学习的指导者和促进者，由课堂的主角转换为课堂的观察者，或者更直观地说，由“主演”变换为“导演”和“编剧”，负责线上线下混合式教学活动的具体设计和执行。针对性的教学设计和教学环节的合理设置对教学效果的影响是毋庸置疑的，而合适的教学工具会起到事半功倍的作用。清华大学在线教育办公室研发的“雨课堂”将教学控制和管理融于PowerPoint与微信，是使用便捷的混合式教学工具[6]，本文的混合式教学实践正是依托该平台实现的。

 

二． “集成电路测试与可测性设计”课程混合式教学实践

集成电路测试课程混合式教学的各个阶段中教师和学生的任务如图1所示。线上的学习分为课前和课后两个阶段，其中，课前阶段中，教师主要负责发布预习任务，推送学习资料和检查学生的预习情况。学习资料的预习内容要根据课程进度和当前主要掌握的知识点特性来定。比如，如果是课程刚开始的绪论部分，推送的资料可以是集成电路测试的应用背景、测试实例和测试过程的视频、动画等，用生动的呈现方式来激发学生的学习兴趣；而进入重要的基本概念部分，例如电路的故障模型部分，则通过引例的微课，让学生初步理解模型的含义，在线下的课堂上再深入阐述相关概念；而课程的后半部分，主要讲授现有的集成电路测试的方法，则以抛出问题的方式，引发学生的思考，在课堂上则开展相关的讨论。课前阶段学生需要学习推送的学习资料，完成测试题目，有疑问可以在线上与同学、老师交流。课后阶段，师生的任务主要围绕着拓展作业和课程内容的总结回顾，并不是每节课都会带有拓展作业，但是师生的课后总结则是不可以被遗漏的，对教与学中的经验和不足进行归纳，可以有助于教学设计的优化和教学效果的进一步提升。

 

 

 

线下的面对面教学环节则主要以课堂讨论和案例分析为主，教师选定讨论主题并组织讨论，学生们通过线上的预习活动，对课堂内容已具备初步的了解，可自行组队并开展所定题目的组内讨论，对相关内容的汇报可通过自评、互评和授课老师打分等方式进行评价。线下教学环节还包含课程中重点概念的讲解，这部分与分组讨论的比重应该依据课程的特性和课程推进的节奏而定。一般来说，必修课的课堂讲授中知识点的重点讲解和应用实例的分析较多，而选修课中则是分组讨论的环节更多，而同一门课程的讲授中，前期是基本概念和知识结构的构建阶段，课堂讲解比重会略多，而后期为理论的深入理解和关注于应用的知识综合阶段，课堂活动以讨论和交流为主。以集成电路测试课为例，在前两章主要讲解测试电路的组成和故障模型时，线下的课堂主要是讲授为主；三、四章的测试生成方法则是课堂讲授和EDA软件应用实例的分组讨论兼重；而课程后半部分的可测性设计部分则是以分组讨论和汇报为主。

下面以测试课程中的边界扫描测试为例，具体说明混合式教学的实施情况，如图2所示。边界扫描测试是一种相对成熟的可测性设计，已有相关的国际标准，广泛应用于电子系统的板级互连测试和芯片自测等。因为前期课程中已讲解过全扫描电路的特性，所以预习的重点是希望学生自行掌握相类似但有区别的边界扫描结构。教师发布给学生的学习资料包括边界扫描电路的基本知识、边界扫描的国际标准IEEE 1149.1白皮书、边界扫描电路的基本结构等，同时配合有相应的练习题以便让学生测试自己的掌握程度，在线上的学习过程中，遇到困难和疑问的时候，学生们可以在讨论版块中在线提问或留言，主讲教师和其他同学将给予解答。最终，可以做到在线下的面对面教学开展之前，学生均已理解标准的边界扫描测试电路结构以及它所支持的内测试、外测试过程。

 

 

课堂上以边界扫描测试系统的设计为题，组织学生们进行分组（3-5人）讨论，针对典型芯片和电路板进行边界扫描电路的添加、测试指令的调用、上位机软件程序的编写等。命题的讨论是分步推进的，首先要求给出系统设计，这个阶段中教师将查阅每组的设计框图（手写或雨课堂中的投稿），确保总体思路的方向无误；然后由各组学生们进行细化的硬件和软件细节的设计，教师将随机参与或解答相关的疑问；在限定时间（45分钟左右）结束后，每个小组将以PPT的形式汇报所设计的边界扫描测试系统，分组汇报的成绩将由教师评定、组内自评、小组互评三部分按40%、30%、30%的比例最终获得，并计入课程的平时分。

通过课后学生们的反馈以及网络评教的结果来看，学生们普通反映这种混合式教学模式激发了他们的学习主动性，在课前课后中与老师、同学们的交流令他们获益匪浅，而课堂上的实例设计不仅提高了他们解决实际问题的能力，还充分锻炼和提升了小组协作的能力。

 

三． 混合式教学的未来

今天，我们生活在一个信息饱和的时代，通过网络，学生们可以容易地获取任何学科的基础知识，借由慕课的资源，可以跟随相关视频学习任何他们感兴趣的知识，那么我们可能会有这样的疑问或者是担忧，教师会不会在人工智能的时代被替代。答案肯定是否定的，在混合式教学过程中，教师是不可替代的一部分，因为只有一个知识领域和学习领域的专家才会了解学生在哪里会遇到困难，也只能他们才能带领学生去深入地探索话题。远离纯粹的知识传授的角色，教师将成为学习的促进者、观察者，将为学生的学习过程中增加更多的价值。

 

[参考文献]

[1] 何克抗 . 从 BlendingLearning 看教育技术理论的新发展（上）［J］.电化教育研究，2004（3）：1-6.

[2] Siemens, George. Knowing knowledge. Lulu. com, 2006.

[3] Coursera, http://www.coursera.org/

[4] edX, http://www.edx.org/course

[5] 桑新民, 谢阳斌, 杨满福. “慕课” 潮流对大学影响的深层解读与未来展望[J]. 中国高等教育, 2014, 3: 12-15.

[6] 雨课堂, https://www.yuketang.cn/

 

Practice and Inquiry of Hybrid Teaching in the Course of "Integrated Circuit Testing and Design for Testing"

 

                                  Zhang Ying, Chen Xin

 

 College of Electronic Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 南京211106

 

 Abstract: facing the new era background of "Internet education" and the high-level and innovative requirements put forward by the new engineering department, how to stimulate the enthusiasm and creativity of teachers and students, and then can effectively improve the efficiency of "teaching" and "learning ", is an urgent problem to be solved in teaching reform. In the course of "integrated circuit testing and design for testing", the mixed teaching strategy of combining online and offline is applied, and the teaching effect is obviously improved through reasonable teaching design, improved teaching evaluation method, interweaving and mutual promotion of online and offline teaching with the help of intelligent teaching tool" rain classroom ".

 

Keywords: hybrid teaching; integrated circuit testing; rain classroom; empirical research