雙創(chuàng)教育生態(tài)視域下實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究與實(shí)踐

張文倩，孟 潔

（1.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710077；2.太原工業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系，山西 太原 030008）

引言

隨著新時(shí)期高校“雙創(chuàng)”教育（創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育）改革的不斷深化，教育生態(tài)系統(tǒng)逐步向創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)推進(jìn)和演進(jìn)。創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)是一種開放式且與外界存在廣泛聯(lián)系的系統(tǒng)組織，其涵蓋校內(nèi)教學(xué)和校外科研資源及產(chǎn)教融合等諸多方面的內(nèi)容［1］。

高等教育是一個(gè)涉及多利益相關(guān)者的領(lǐng)域。教師群體、學(xué)生群體、高校管理人員、業(yè)界用人單位等都屬于相關(guān)利益群體。狹義的高校是教育生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)有如下關(guān)鍵元素：（1）生產(chǎn)者：高校師生；（2）消費(fèi)者：高校學(xué)科競(jìng)賽、產(chǎn)教融合項(xiàng)目、業(yè)界用人單位；（3）分解者：社會(huì)組織、教育主管部門、就業(yè)的學(xué)生；（4）外部環(huán)境：高等教育發(fā)展環(huán)境、金融環(huán)境、社會(huì)文化環(huán)境。

在“雙創(chuàng)”視域下，多數(shù)應(yīng)用型高等院校對(duì)教育生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的認(rèn)識(shí)還不夠深入，以應(yīng)用型本科電類專業(yè)課程為例，目前的專業(yè)課程內(nèi)容體系具有知識(shí)內(nèi)容陳舊、教學(xué)中用過時(shí)或淘汰的硬件產(chǎn)品作為案例、無法及時(shí)與業(yè)界接軌等，從而導(dǎo)致整個(gè)教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)不暢甚至停滯。如何及時(shí)更新課程教學(xué)內(nèi)容？如何將先修課程和后續(xù)專業(yè)課程有機(jī)結(jié)合［2］，形成具有高階性、創(chuàng)新性、實(shí)用性等特色的課程？這是應(yīng)用型本科院校亟須解決的問題。

本文以“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)改革為例，融合相關(guān)電類基礎(chǔ)課和專業(yè)課的教學(xué)，完成多門課程教學(xué)內(nèi)容的更新與融合，構(gòu)建全新的電類專業(yè)課程內(nèi)容體系，初步打造符合“雙創(chuàng)”要求的專業(yè)課程系列，與學(xué)科競(jìng)賽實(shí)踐及產(chǎn)業(yè)界生產(chǎn)實(shí)踐接軌，在教育生態(tài)系統(tǒng)中形成良好的閉環(huán)反饋。

“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程是高等院校電子工程學(xué)院各專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，也是一門應(yīng)用性極強(qiáng)的綜合性課程，是硬件設(shè)計(jì)與軟件編程的有機(jī)結(jié)合，其包含理論和實(shí)踐兩部分。為了適應(yīng)工程領(lǐng)域?qū)?chuàng)新應(yīng)用型人才的迫切需求，如何強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)、培養(yǎng)動(dòng)手能力強(qiáng)的人才，是高等教育面臨的重要課題。

傳統(tǒng)的教學(xué)方式多為先理論、后實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)課與理論課無法同步進(jìn)行，這不僅與“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程的特點(diǎn)嚴(yán)重不符，也會(huì)讓學(xué)生感覺理論知識(shí)內(nèi)容抽象晦澀、乏味難懂，導(dǎo)致學(xué)習(xí)動(dòng)力不足、學(xué)習(xí)興趣低下。

高校實(shí)驗(yàn)室資源豐富，但普遍存在利用率偏低的問題，而且驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)少，總體實(shí)驗(yàn)效果不佳，其原因在于多數(shù)專業(yè)基礎(chǔ)課的理論講授和實(shí)踐教學(xué)是分開進(jìn)行的，即在教室里上理論課，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，理論課和實(shí)驗(yàn)課不同步，學(xué)生在課后無法及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)，沒有足夠的機(jī)會(huì)在實(shí)踐中理解與提高。這不僅造成了教學(xué)資源的分散，也使教學(xué)效果大打折扣。學(xué)生在理論課后需要去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，但是由于實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間和設(shè)備數(shù)量的限制，等到做實(shí)驗(yàn)時(shí)，必定會(huì)有一定時(shí)間的延遲，從學(xué)習(xí)和記憶規(guī)律上來講，這樣做并不科學(xué)。

根據(jù)艾賓浩斯記憶保持曲線，人們?cè)趯W(xué)習(xí)中的遺忘是有規(guī)律的，遺忘的進(jìn)程開始很快，以后逐漸減慢。學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)之后若不能趁熱打鐵馬上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生理論和實(shí)踐結(jié)合的學(xué)習(xí)熱情會(huì)被沖淡，學(xué)習(xí)效率也會(huì)急劇下降。如何在黃金學(xué)習(xí)時(shí)間（學(xué)習(xí)理論知識(shí)后的1～2小時(shí)）內(nèi)，讓學(xué)生迅速通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)鞏固學(xué)習(xí)效果呢？“碎片化實(shí)驗(yàn)”創(chuàng)新教學(xué)模式是本文的研究與實(shí)踐重點(diǎn)。

一、“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程“碎片化實(shí)驗(yàn)”創(chuàng)新教學(xué)模式

（一）“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程“碎片化實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)目標(biāo)

我們通過“碎片化實(shí)驗(yàn)”創(chuàng)新教學(xué)模式改革，希望學(xué)生能達(dá)到如下教學(xué)要求：有較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力，有較高的學(xué)習(xí)參與度，有層次有計(jì)劃地加深學(xué)習(xí)深度，將理論知識(shí)點(diǎn)靈活應(yīng)用于實(shí)踐，從強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)思考。

（二）“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程“碎片化實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)設(shè)計(jì)

“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程“碎片化實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)設(shè)計(jì)可拆分成若干個(gè)子單元，配合相應(yīng)理論內(nèi)容分為課上實(shí)驗(yàn)和課下實(shí)驗(yàn)兩部分。在課堂教學(xué)內(nèi)容中，隨著理論內(nèi)容的講授，可隨時(shí)切換到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，要求學(xué)生當(dāng)堂用實(shí)驗(yàn)完成相應(yīng)的驗(yàn)證和推論。比如，在講授單片機(jī)I/O口的理論內(nèi)容時(shí)，插入“點(diǎn)亮一個(gè)LED”的實(shí)驗(yàn)（課上實(shí)驗(yàn)），讓學(xué)生很快領(lǐng)悟如何控制單片機(jī)I/O口輸出高低電平，進(jìn)而控制各種外設(shè)。

遞進(jìn)交互式課件（PPT）設(shè)計(jì)：添加新的教學(xué)元素。將課堂作為演示性教學(xué)資料的PPT課件，進(jìn)行遞進(jìn)交互式設(shè)計(jì)，在每堂課的前一天分發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生預(yù)習(xí)，并在適當(dāng)?shù)牡胤搅舫隹瞻?，讓學(xué)生在次日上完課后思考總結(jié)并填寫，從而形成完整的PPT資料。比如，在講授LED閃爍時(shí)，其理論重點(diǎn)是延時(shí)語(yǔ)句（或函數(shù)）的構(gòu)建，在此處設(shè)置一張空白PPT，要求學(xué)生課后總結(jié)各種延時(shí)方法，并且比較其特點(diǎn)。

（三）創(chuàng)建“碎片化實(shí)驗(yàn)箱”

1.單片機(jī)開發(fā)板“分體化”。每位學(xué)生上課需要攜帶自己的筆記本電腦和實(shí)驗(yàn)開發(fā)板。開發(fā)板來源有三：一是隨教材配套的開發(fā)板，適用于初次學(xué)習(xí)單片機(jī)且學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較普通的學(xué)生。二是學(xué)生按學(xué)習(xí)進(jìn)度，用面包板和分立元件自己搭接，適用于模擬電子實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)較強(qiáng)和動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生。三是學(xué)生自己焊接制作開發(fā)板，適用于有一定焊接經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生。課程改革實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生大多使用第一種來源的開發(fā)板，即隨書配套的開發(fā)板。

2.實(shí)驗(yàn)耗材“隨身化”。實(shí)驗(yàn)耗材有兩個(gè)來源：一是學(xué)生自行購(gòu)買。既可以在網(wǎng)上購(gòu)買，也可以去電子市場(chǎng)購(gòu)買，無論哪種購(gòu)買方式，都需要學(xué)生正確識(shí)別各種元器件，區(qū)分同種元器件不同參數(shù)的細(xì)微差別，使學(xué)生在無形中加深了實(shí)物印象，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的接軌。二是實(shí)驗(yàn)室提供常見耗材，如焊錫、導(dǎo)線、電容、電阻等。學(xué)生如需使用大型測(cè)試儀器設(shè)備（如示波器）時(shí)，可向?qū)W校實(shí)驗(yàn)室提前預(yù)約。

（四）課后學(xué)習(xí)模式跟蹤與設(shè)計(jì)

1.建立學(xué)習(xí)小組。三人一組構(gòu)建課程學(xué)習(xí)小組，可在任意課后時(shí)間自行組織學(xué)習(xí)和討論。分組是按學(xué)生意愿自由組合，旨在提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。學(xué)習(xí)內(nèi)容由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)，每周在固定時(shí)間向任課教師匯報(bào)。

2.使用QQ群跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度。由任課教師在課程開始時(shí)構(gòu)建QQ群，學(xué)生自愿入群，主要在群內(nèi)針對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行自由討論和教師在線答疑，也可由教師布置相應(yīng)問題或話題，學(xué)生回答。利用QQ群答疑或提問，任課教師能在第一時(shí)間掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。

3.小組大作業(yè)（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和總結(jié)報(bào)告）。要求學(xué)生定期按授課內(nèi)容進(jìn)行階段性實(shí)驗(yàn)總結(jié)，一般一次大作業(yè)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)主題，內(nèi)含多個(gè)略有差異的遞進(jìn)型小實(shí)驗(yàn)，要求完成整理實(shí)驗(yàn)代碼、添加注釋和分類歸檔等，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)資料保存習(xí)慣，形成易讀、易改的代碼編寫風(fēng)格。

二、“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程“碎片化實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式的成績(jī)?cè)u(píng)估與效果評(píng)價(jià)

在“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程的教學(xué)改革過程中，學(xué)生可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)和做實(shí)驗(yàn)，課上實(shí)驗(yàn)成績(jī)作為平時(shí)成績(jī)的一部分納入期末考核之中。

（一）學(xué)生的總體感受

匿名問卷調(diào)查旨在得到實(shí)驗(yàn)組學(xué)生關(guān)于學(xué)習(xí)憂慮與收獲的信息與想法。在匿名問卷調(diào)查中，學(xué)生的回答情況統(tǒng)計(jì)如下：總體學(xué)習(xí)感受有六個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目?jī)?nèi)容和學(xué)生回答“是”的人數(shù)百分比如下：學(xué)習(xí)興趣濃厚（66%）、實(shí)驗(yàn)時(shí)間自由（52%）、課堂互動(dòng)性強(qiáng)（41%）、知識(shí)易于理解（38%）、學(xué)習(xí)進(jìn)度更快（15%）。另外，部分學(xué)生感覺課堂教學(xué)進(jìn)度快，之后詳細(xì)詢問其原因，大致可歸納為三點(diǎn)：一是課后復(fù)習(xí)和課前預(yù)習(xí)投入時(shí)間不足；二是C語(yǔ)言基礎(chǔ)薄弱，對(duì)C語(yǔ)言編程不熟練；三是學(xué)生對(duì)Keil IDE操作環(huán)境及開發(fā)板的硬件電路使用不熟悉。歸根結(jié)底就一點(diǎn)，學(xué)生投入學(xué)習(xí)的時(shí)間不夠。通常建議課堂1小時(shí)的授課內(nèi)容，學(xué)生在課后至少用4小時(shí)的時(shí)間來復(fù)習(xí)理論和實(shí)驗(yàn)練習(xí)。

（二）實(shí)驗(yàn)完成情況統(tǒng)計(jì)

基本實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及的知識(shí)點(diǎn)單一，一般是任課教師本節(jié)課授課的理論內(nèi)容，程序代碼簡(jiǎn)短，絕大多數(shù)學(xué)生在熟練操作實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的前提下用3～5分鐘即可完成。

引申（拓展）實(shí)驗(yàn)是在基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，每次只改動(dòng)一處，涉及一個(gè)新知識(shí)點(diǎn)，其理論內(nèi)容并未事先告知學(xué)生，需要學(xué)生在思考之后修改相應(yīng)代碼等，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析歸納出新的知識(shí)點(diǎn)。通常需要10～15分鐘完成，當(dāng)有學(xué)生正確完成之后，任課教師引導(dǎo)學(xué)生推論和歸納知識(shí)點(diǎn)。對(duì)于該部分實(shí)驗(yàn)未在課堂內(nèi)完成的學(xué)生，可在課后繼續(xù)完成引申實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生在課堂中基本實(shí)驗(yàn)和引申實(shí)驗(yàn)的完成情況統(tǒng)計(jì)如下：課堂限時(shí)完成時(shí)間分為四個(gè)檔，依次是3分鐘內(nèi)完成、5分鐘內(nèi)完成、10分鐘內(nèi)完成和15分鐘以上完成。在上述四個(gè)時(shí)間段內(nèi)，完成基本實(shí)驗(yàn)的人數(shù)百分比依次是2%、5%、15%和42%，而完成引申實(shí)驗(yàn)人數(shù)的百分比依次是2%、3%、5%和15%。如果上述相同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改為課后不限時(shí)完成，則完成基本實(shí)驗(yàn)的人數(shù)百分比為89%，完成引申實(shí)驗(yàn)的人數(shù)百分比為72%。最終，基本實(shí)驗(yàn)未完成人數(shù)的百分比為11%，引申實(shí)驗(yàn)未完成人數(shù)的百分比為18%。

上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，只有極少數(shù)學(xué)生可以在課堂上完成基本實(shí)驗(yàn)和引申實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)生需要在課后不限時(shí)完成基本實(shí)驗(yàn)和引申實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要在課后投入相當(dāng)一部分學(xué)習(xí)時(shí)間才能掌握所學(xué)知識(shí)。

（三）考試情況對(duì)比

為檢驗(yàn)改革效果，以同一位教師授課的同一專業(yè)不同班級(jí)的學(xué)生為對(duì)象進(jìn)行跟蹤研究，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生兩個(gè)學(xué)期的考試情況。在兩個(gè)學(xué)期的期末考試中，共有150 名學(xué)生參加了考試，其中碎片化實(shí)驗(yàn)教學(xué)班（實(shí)驗(yàn)組）102 人，普通教學(xué)班（對(duì)照組）48 人。選用不同學(xué)期相同專業(yè)的學(xué)生作為樣本，假設(shè)學(xué)生的總體特征不變，兩組學(xué)生考試成績(jī)的描述性統(tǒng)計(jì)詳見表1。如表1 所示，team 1 為實(shí)驗(yàn)組（采用碎片化實(shí)驗(yàn)的組），team 2 為對(duì)照組（不采用碎片化實(shí)驗(yàn)的組）。從調(diào)查數(shù)據(jù)來看，實(shí)驗(yàn)組的平均成績(jī)優(yōu)于對(duì)照組。

表1 組統(tǒng)計(jì)

如表2所示，首先利用F統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)team 1與team 2的方差是否相等，由于F（0.632）對(duì)應(yīng)的P值為0.428，大于顯著性水平0.05，所以不能拒絕兩組成績(jī)方差相等的假設(shè)，認(rèn)為兩組學(xué)生成績(jī)具有相同的方差。然后進(jìn)行均值的一致性檢驗(yàn)，當(dāng)方差相等時(shí)，t=2.802，顯著性水平0.006＜0.05，故認(rèn)為team 1與team 2 的成績(jī)差異是顯著的，說明實(shí)驗(yàn)組（team 1）的成績(jī)明顯優(yōu)于對(duì)照組（team 2）。

三、后續(xù)改革構(gòu)想

“碎片化實(shí)驗(yàn)”教學(xué)法的研究結(jié)果表明，創(chuàng)新教學(xué)模式提高了學(xué)生對(duì)“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)興趣，課堂中學(xué)生的參與度和獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力有所提高，學(xué)生總體反映良好。實(shí)驗(yàn)完成情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，近一半學(xué)生在課堂無法完成所要求的全部實(shí)驗(yàn)，需要在課后繼續(xù)完成。經(jīng)調(diào)查表明，這部分學(xué)生通常在課程內(nèi)容的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)上投入的時(shí)間較少，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足。如何進(jìn)一步提高學(xué)生的課后學(xué)習(xí)效率將會(huì)成為我們的后續(xù)研究?jī)?nèi)容。期末考試情況統(tǒng)計(jì)（表1和表2）顯示，實(shí)驗(yàn)組的成績(jī)明顯優(yōu)于對(duì)照組，這說明“碎片化實(shí)驗(yàn)”教學(xué)法的效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)法。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓我們有信心將該教學(xué)法推廣到其他課程中。我們的后續(xù)改革構(gòu)想如下：（1）建設(shè)教學(xué)網(wǎng)站或在線學(xué)習(xí)資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)大課程的受益面。（2）組建跨年級(jí)學(xué)習(xí)小組，選拔學(xué)習(xí)興趣濃厚且動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生組建跨年級(jí)學(xué)習(xí)小組，為參加各級(jí)各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽或完成實(shí)際工程項(xiàng)目提供人選。

表2 獨(dú)立樣本檢驗(yàn)

綜上所述，此方法的實(shí)施效果（反饋、總結(jié)和評(píng)價(jià)）良好，“碎片化實(shí)驗(yàn)”創(chuàng)新教學(xué)模式具有普適性，可在其他電類專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課中繼續(xù)推廣。