一流本科課程建設(shè)背景下“虛實(shí)”結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革與實(shí)踐

成玲

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引言

根據(jù)教育部《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》（教高〔2019〕8號(hào)）[1]文件中對(duì)線上線下混合式一流課程建設(shè)的思路，要求課程的基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)單元由實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目組成，以適應(yīng)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求[2]?！秵纹瑱C(jī)原理與技術(shù)》目前是我校物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案中三個(gè)指標(biāo)點(diǎn)，而以往實(shí)驗(yàn)都以線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)為主，迫切需要建設(shè)線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，探索能夠適應(yīng)線上線下“虛實(shí)”結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，以滿(mǎn)足學(xué)生能力培養(yǎng)的要求。

1 原實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問(wèn)題

單片機(jī)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，涉及面廣，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要具有實(shí)用性和前沿性，但由于專(zhuān)業(yè)理論課程內(nèi)容抽象難理解，學(xué)生學(xué)不透，容易產(chǎn)生厭倦感，造成“喜軟怕硬”，目前的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以線下驗(yàn)證性和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容缺乏創(chuàng)新性，挑戰(zhàn)度不夠，另外傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)資源配置可擴(kuò)展性差，實(shí)驗(yàn)手段單一，導(dǎo)致學(xué)生自由發(fā)揮空間小，工程能力訓(xùn)練不足，解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力欠缺，實(shí)踐教學(xué)效果不夠理想。如2020年受疫情影響，學(xué)生無(wú)法返校，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展硬件實(shí)驗(yàn)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，為了滿(mǎn)足教育部的“停課不停學(xué)”要求，單片機(jī)硬件類(lèi)實(shí)驗(yàn)迫切需要探索新的線上線下相結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

2 項(xiàng)目改革思路及改革內(nèi)容

針對(duì)單片機(jī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的存在的問(wèn)題，將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，適應(yīng)目前線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，探索虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的硬件類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。利用Proteus仿真軟件和KeilC51軟件搭建一個(gè)虛擬的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以不受時(shí)間和空間限制通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行仿真和驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的合理性，從而節(jié)省了制作實(shí)際電路板的過(guò)程，并且可以靈活、高效地修改電路的設(shè)計(jì)，不會(huì)產(chǎn)生元器件的損耗。

整合優(yōu)化實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)引入先進(jìn)的富有挑戰(zhàn)度的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，“以興趣為驅(qū)動(dòng)，以能力為重點(diǎn)”制定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，建立線上線下混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目案例庫(kù)，構(gòu)建“基于典型項(xiàng)目的合作探究型學(xué)習(xí)模式”，通過(guò)科學(xué)的過(guò)程監(jiān)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)考核客觀化，重構(gòu)現(xiàn)有專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系。

2.1 “虛實(shí)”結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式

針對(duì)不同的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，探索線上虛擬仿真與線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。線上提供豐富的視頻教學(xué)資源，線下采用開(kāi)放性、探究式的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)，教學(xué)模式由知識(shí)和技術(shù)講解轉(zhuǎn)變?yōu)閱?wèn)題求解，設(shè)置“以所學(xué)知識(shí)解決專(zhuān)業(yè)實(shí)際問(wèn)題”的教學(xué)環(huán)節(jié)，結(jié)合專(zhuān)業(yè)背景設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。加速學(xué)生的知識(shí)轉(zhuǎn)化、教學(xué)響應(yīng)、知識(shí)交流與知識(shí)應(yīng)用[3]。

按照知識(shí)點(diǎn)碎片化要求，精心選取單片機(jī)課程的知識(shí)核心和難點(diǎn)作為在線內(nèi)容，利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供線上實(shí)驗(yàn)；同時(shí)精心設(shè)置線下開(kāi)放探究問(wèn)題，開(kāi)展以學(xué)生為中心的研究性教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力。虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，并將線上仿真與線下實(shí)踐同步互補(bǔ)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)與課外科技活動(dòng)同步互補(bǔ)協(xié)同推進(jìn)。線下實(shí)驗(yàn)安排對(duì)硬件依賴(lài)較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等，另外引進(jìn)“口袋”實(shí)驗(yàn)室概念開(kāi)展實(shí)體實(shí)驗(yàn)；線上利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拓展實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的內(nèi)容、時(shí)間和空間，既降低了單片機(jī)整體設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和難度，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)又增加了學(xué)生設(shè)計(jì)過(guò)程中的成就感和自信心，從而提升了學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。由于采用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法不唯一，設(shè)定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)與內(nèi)容多樣化，拓展了學(xué)生自由發(fā)揮學(xué)習(xí)空間，有助于差異化、個(gè)性化培養(yǎng)?！疤搶?shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式的建設(shè)，必將重構(gòu)現(xiàn)有的單片機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系。

2.2 案例式教學(xué)內(nèi)容資源建設(shè)

通過(guò)引入符合學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)、切合經(jīng)濟(jì)社會(huì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，建立線上線下混合式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目案例資源超市。在支持度、表現(xiàn)力和用戶(hù)服務(wù)上進(jìn)行三個(gè)舉措，實(shí)現(xiàn)對(duì)案例庫(kù)進(jìn)行梳理、分類(lèi)和提升并形成“資源超市”，以充分發(fā)揮對(duì)學(xué)生單片機(jī)實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)的支持作用，重構(gòu)現(xiàn)有專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系。線上虛擬仿真項(xiàng)目開(kāi)展的流程是首先要求完成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)接口模塊驗(yàn)證，配合單片機(jī)綜合實(shí)習(xí)課程，在掌握單片機(jī)核心技術(shù)的基礎(chǔ)上了解單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路、方法和步驟以及訓(xùn)練學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。通過(guò)設(shè)計(jì)完成一個(gè)具備創(chuàng)新性實(shí)用性的綜合單片機(jī)系統(tǒng)，學(xué)生既能自主設(shè)計(jì)功能模塊，又能夠看到自己設(shè)計(jì)的模塊在整個(gè)系統(tǒng)中的運(yùn)行效果，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容富有挑戰(zhàn)性[4]。

根據(jù)線上線下混合式一流專(zhuān)業(yè)課程建設(shè)要求，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目不應(yīng)少于課程實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)的20%。進(jìn)一步整合優(yōu)化實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容，利用“線上課程空間、時(shí)間自由，線下動(dòng)手實(shí)踐性強(qiáng)的各自?xún)?yōu)勢(shì)”特點(diǎn)，選取部分模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直接在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成，將對(duì)硬件依賴(lài)性強(qiáng)的模塊實(shí)驗(yàn)在線下完成，針對(duì)整合系統(tǒng)的模塊缺乏獨(dú)立性、綜合實(shí)習(xí)開(kāi)放程度不夠全面、案例庫(kù)利用率偏低這幾個(gè)問(wèn)題，對(duì)標(biāo)金課建設(shè)中“兩性一度”的要求，構(gòu)建優(yōu)質(zhì)“資源超市”，保證學(xué)生有效結(jié)合自主課題和案例資源，提高案例庫(kù)的利用率；課題上要求每層構(gòu)建封閉系統(tǒng)，保證其能夠獨(dú)立于系統(tǒng)之外運(yùn)行，之后進(jìn)行應(yīng)用耦合以實(shí)現(xiàn)綜合系統(tǒng)。線上和線下有機(jī)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式可有效拓展實(shí)踐的內(nèi)容以及實(shí)踐的時(shí)間和空間，實(shí)現(xiàn)線上仿真與線下實(shí)踐的互助互補(bǔ)。

根據(jù)一流“金課”建設(shè)要求中高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的特點(diǎn)，構(gòu)建“總-分-總”的優(yōu)質(zhì)單片機(jī)綜合系統(tǒng)案例庫(kù)，一方面保證學(xué)生能第一時(shí)間知道看到的案例使用什么技術(shù)、具備什么功能，之后根據(jù)自己的課題自由選擇需要的技術(shù)、設(shè)備和理念，從而提高案例庫(kù)的利用率，另一方面對(duì)前期積累的大量案例進(jìn)行分析、歸類(lèi)，標(biāo)注清楚其技術(shù)應(yīng)用、適用范圍和服務(wù)功能。首先注重學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的有機(jī)融合，將相關(guān)培養(yǎng)指標(biāo)直接落到具體的案例中，確定總目標(biāo)性，保證其高階性；其次將每個(gè)案例進(jìn)行封閉系統(tǒng)的碎片化處理，確定案例的可分解性，保證其創(chuàng)新性；最后讓學(xué)生在開(kāi)放式題目環(huán)境中自由發(fā)揮，爭(zhēng)取能夠結(jié)合相關(guān)模塊融合其他計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行應(yīng)用耦合，確定案例再融合性，保證其挑戰(zhàn)度。

為了讓學(xué)生有更多的選擇和啟發(fā)，也為了應(yīng)對(duì)自由探究模式下沒(méi)有邊界的指導(dǎo)需求，課題組成員基于單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的開(kāi)發(fā)工作，目前這個(gè)學(xué)期已經(jīng)在計(jì)算機(jī)科學(xué)、軟件工程和物聯(lián)網(wǎng)工程3個(gè)專(zhuān)業(yè)2018級(jí)本科生中進(jìn)行初步嘗試，實(shí)現(xiàn)了很好的教學(xué)反饋。學(xué)生利用虛擬仿真平臺(tái)自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“花樣流水燈”、“十字路口交通燈”、“校園信息發(fā)布系統(tǒng)”等十幾個(gè)富有創(chuàng)意和想象力的項(xiàng)目，獲得了良好效果。

2.3 構(gòu)建了多元化激勵(lì)性評(píng)價(jià)考核體系

構(gòu)建以過(guò)程評(píng)價(jià)與能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的多元化、全方位考核評(píng)價(jià)體系，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程和綜合能力評(píng)價(jià)，讓創(chuàng)新人才脫穎而出。改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，建立科學(xué)的過(guò)程監(jiān)控和評(píng)價(jià)機(jī)制，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的培養(yǎng)目標(biāo)。采用分組制，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目當(dāng)作開(kāi)發(fā)“作品”一樣完成。在考核方式上，增加了創(chuàng)新評(píng)價(jià)和協(xié)作能力評(píng)價(jià)兩部分分值，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的培養(yǎng)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生思維創(chuàng)新能力。該階段主要呈現(xiàn)教師與學(xué)生對(duì)應(yīng)教學(xué)大綱指標(biāo)點(diǎn)、共同參與被考核和考核、教學(xué)相長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)效果。其中一組學(xué)生進(jìn)行作品介紹和演示時(shí)，其他學(xué)生全都作為評(píng)委參與該組作品的評(píng)價(jià)、交流和探討中。演示要求系統(tǒng)整體模型運(yùn)行無(wú)誤，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作品演示和答辯。最后提交報(bào)告、開(kāi)發(fā)文檔、用戶(hù)使用說(shuō)明書(shū)、源代碼、執(zhí)行程序、演示視頻和答辯PPT[5]。

分組協(xié)作、過(guò)程監(jiān)控使實(shí)驗(yàn)考核方式及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)更加合理，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式更加科學(xué)。實(shí)踐說(shuō)明，重視過(guò)程監(jiān)控、采用分組結(jié)題答辯，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，克服了硬件與學(xué)時(shí)上的困難，通過(guò)過(guò)程性學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)、課程設(shè)計(jì)、參加競(jìng)賽、撰寫(xiě)課程專(zhuān)題論文和提交單片機(jī)作品，實(shí)施多元化考核，全方位保障實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

3 課程實(shí)驗(yàn)改革成效

以“金課”建設(shè)為導(dǎo)向，進(jìn)一步完善課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，打造一流精品課程，完善和申請(qǐng)正式出版課程教材、電子教材和實(shí)驗(yàn)教材。課程實(shí)驗(yàn)線上線下混合式教學(xué)的開(kāi)展使學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和實(shí)踐能力明顯提高。采用多層次、立體化項(xiàng)目載體開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革，以創(chuàng)新實(shí)踐能力為導(dǎo)向著力培養(yǎng)高質(zhì)量復(fù)合型應(yīng)用人才。探索“實(shí)際問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，線上線下結(jié)合同步互動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)多維度協(xié)同創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。教學(xué)資源建設(shè)不斷豐富，包括多媒體課件、課程動(dòng)畫(huà)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、案例庫(kù)、部分同學(xué)作品、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)示例等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，將單片機(jī)知識(shí)立體化、可視化展現(xiàn)。資源超市的構(gòu)建不僅體現(xiàn)高階性，也為后期學(xué)生的單片機(jī)綜合實(shí)習(xí)提供了有力的資源支持。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，推動(dòng)線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，構(gòu)建個(gè)性化、智能化、泛在化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，形成了教學(xué)效果優(yōu)良、專(zhuān)業(yè)布局合理和開(kāi)放共享有效的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目示范新體系。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革與實(shí)踐可以支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量的全面提高，貫徹立德樹(shù)人的教育根本任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生成為新工科背景下，服務(wù)于社會(huì)的創(chuàng)新型人才。