教育元宇宙視域下的單片機應用技術課程教學方式研究

摘 要 隨著技術的不斷發(fā)展，信息化教學方式不斷更新?lián)Q代，元宇宙技術，以其沉浸式互動教學優(yōu)勢，可以極大地彌補傳統(tǒng)教學方式的不足。以單片機應用技術課程為例，分析傳統(tǒng)教學方式的優(yōu)缺點，從技術角度總結教育元宇宙的不同教學方式，根據(jù)單片機課程特點探討適合該課程的元宇宙教學方式，并給出案例教學過程。教學實踐表明，情境式教學、游戲化教學、混合式教學、虛擬仿真教學等元宇宙教學方式在各教學環(huán)節(jié)的應用，顛覆了傳統(tǒng)的教學方式，有助于提高學生的知識理解和實踐動手能力。

關鍵詞 教育元宇宙；元宇宙教育；單片機應用技術；混合式教學；虛擬仿真教學；情境化教學；游戲化教學

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0030-04

0 引言

傳統(tǒng)的教學方式有講授、小組合作討論、案例教學、翻轉課堂、角色扮演等，這些教學方式隨著教育的發(fā)展延續(xù)至今，其優(yōu)勢在于能夠直觀呈現(xiàn)知識、增強師生互動、系統(tǒng)傳遞知識等，且成本低；但也存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為知識傳遞方式單一、學習體驗有限、學習效果難以評估、資源不均衡等。隨著教育信息化發(fā)展進程加快，教育元宇宙以其互動性、沉浸感與獲得感等優(yōu)勢成為教育創(chuàng)新的新風口。教育元宇宙是利用虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實、數(shù)字孿生、5G、人工智能、區(qū)塊鏈等新興信息技術塑造的虛實融合教育環(huán)境，是虛擬與現(xiàn)實全面交織、人類與機器全面聯(lián)結、學校與社會全面互動的智慧教育環(huán)境高階形態(tài)[1]。在這種形態(tài)下，學生可以自由地探索和學習，不受物理空間的限制。教育元宇宙能夠提供個性化的學習路徑，滿足不同學生的學習需求。

單片機應用技術課程知識體系復雜、知識點抽象、多領域結合，要求學生具備較強的系統(tǒng)設計能力，給教學帶來一定的難度。本文以教育元宇宙的教學方式作為切入點，以單片機應用技術課程為例，探討教育元宇宙視域下的課程教學方式。

1 教育元宇宙時代

2021年10月，隨著扎克伯格將Facebook更名為Meta，徹底點燃元宇宙。信息化教育從多媒體教育、數(shù)字化教育，到現(xiàn)在的元宇宙教育，都是技術發(fā)展的必然結果。教育元宇宙對教育界的變革吸引了一大批學者對其開展深入研究。鐘正等[2]認為，教育元宇宙在教學環(huán)境構建方面的應用需要明晰其特征及其在不同教學場景中的應用。桑雷[3]重塑教育場景，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的深度融合；重組教育模式，實現(xiàn)線上與線下的一體耦合；重建教育關系，實現(xiàn)教師與學生的最佳契合，重構教育評價，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與證據(jù)的科學整合。于智等[4]認為，面對教育元宇宙下的時空變化帶來的諸多挑戰(zhàn)，學校需要改變時間管理制度以應對時間理念的沖擊，教師需要節(jié)點式參與教學以面對存在危機，學生需要實現(xiàn)主體性學習以脫離時間控制。夏穎[5]認為，元宇宙與虛擬教育有著極高的契合度，元宇宙賦能虛擬教育是元宇宙與虛擬教育的有機結合。周培源等[6]以新聞傳播學為例，討論cn1JRDbg6Mp9J3mIHORwOU334xbjIa9s0qtJS2FSUOI=元宇宙時代相關課程的優(yōu)化建議，從技術與社會互動角度，認為教育元宇宙的推進應當回應社會心態(tài)，從課程到社群再到行業(yè)，小步快走，不斷推動技術、教育、行業(yè)、社會的良性互動。

研究者主要從技術、教學環(huán)境構建、教學時間、虛擬現(xiàn)實、在線教育、課程教學等方面進行闡述，他們認為，教育元宇宙可以為學生提供更加真實和生動的學習體驗，促進學生的互動和參與，增強學生的學習效果，同時提高教學質量，教育元宇宙的時代已經(jīng)來臨。新的元宇宙教育需要教育從業(yè)者不斷地實踐、改進、優(yōu)化。

2 教育元宇宙視域下的單片機應用技術教學方式

元宇宙教育是虛擬與現(xiàn)實的全面交織、人類與機器的全面協(xié)同、學校與社會的全面聯(lián)結，倡導沉浸式的真實感、交互式的社交感、自由式的個性化，從質的飛躍上彌補了傳統(tǒng)教學方式的不足。元宇宙的教學方式根據(jù)元宇宙技術的不同，在教育中有不同的應用場景，如表1所示。

2.1 教學方式

單片機應用技術課程是理實一體化課程，其教學特點為理論知識點晦澀難懂、程序流程復雜抽象、執(zhí)行過程難以理解、電信號無法直接觀測等。結合教育元宇宙應用場景以及學?？陀^存在的技術壁壘，可行的元宇宙單片機應用技術教學方式主要有情境式教學、混合式教學、游戲化教學和虛擬仿真教學。

2.1.1 情境式教學

在學生沒有接觸單片機之前，根本不知道單片機是什么，有什么作用，接觸一段時間的單片機之后，也無法理解如何使用單片機。采用情境式教學，結合元宇宙的虛擬交互式技術，突破物理世界的局限，模擬真實情境，讓學生身臨其境接觸虛擬現(xiàn)實世界，增強學習的體驗感，實現(xiàn)自我精神的構建，讓學習更高效、更自覺。在具體的教學過程中，要遵循“能實不虛”的原則。

2.1.2 混合式教學

在線上自學和線下引導環(huán)節(jié)，采用混合式教學。這種混合式教學有兩種情況：一種是線上知識學習、線下教師引導兩個階段；一種是受地域限制，部分學生線下、部分學生線上，同時在線授課的方式。線上線下混合式教學模式對理實一體化課程非常有幫助。傳統(tǒng)的單片機應用技術教學方式是小班式的邊講邊做，效率低，知識點講解有限，存在學生“吃不了”和“吃不飽”并存的現(xiàn)象，而且只要學生請假，后面的內容很難連貫學習。在元宇宙混合式教學模式下，線上知識性學習和線下團隊協(xié)同項目式學習并行，學生可以通過數(shù)字化平臺隨時提問和進行學習闖關，效率高，知識內容豐富，真正實現(xiàn)個性化學習。

2.1.3 游戲化教學

游戲化教學是基于學生的樂趣化教學，將知識點融入游戲闖關情境，讓學生產(chǎn)生強烈的參與感和成就感。單片機應用技術知識復雜難懂，是一門綜合性很強的課程，游戲化教學可以應用于單片機一個知識點的教學，也可以應用于一個教學單元的教學。

2.1.4 虛擬仿真教學

單片機應用技術有比較成熟的虛擬仿真軟件，可以實現(xiàn)電信號的直接觀測、項目式任務的仿真實現(xiàn)，通過數(shù)字化資源平臺提交仿真實驗結果。

2.2 教學應用

單片機應用技術課程綜合應用性較強，教學設計思路為：將項目化教學模式與混合式教學模式相結合，依據(jù)單片機產(chǎn)品開發(fā)流程，建立創(chuàng)設情境、線上自主學習、線下教師引導、主動探究、多元化評價反饋五個教學環(huán)節(jié)，各教學環(huán)節(jié)采用不同的元宇宙教學方式，如圖1所示。

3 教育元宇宙下的單片機案例教學

根據(jù)單片機教學設計思路，以防盜報警系統(tǒng)設計為項目載體，以學習單片機中斷知識為例進行案例教學。將防盜報警系統(tǒng)設計按照開發(fā)流程劃分為六個子任務，每個子任務對應一個教學環(huán)節(jié)，每個教學環(huán)節(jié)根據(jù)教學內容的不同采用不同的元宇宙教學方式，如圖2所示。

子任務1“防盜報警系統(tǒng)需求分析”采用AR情境式教學；子任務2“防盜報警系統(tǒng)知識積累”、子任務3“防盜報警系統(tǒng)硬件設計”和子任務4“防盜報警系統(tǒng)軟件設計”依托超星學習通平臺自主學習，實施線上線下混合式教學；子任務5“防盜報警系統(tǒng)仿真實現(xiàn)”采用Keil+Proteus軟件進行虛擬仿真教學；子任務6“防盜報警系統(tǒng)系統(tǒng)實現(xiàn)”采用現(xiàn)場演示，并依托超星學習通自評、互評、點評，根據(jù)平臺考核數(shù)據(jù)，得出考核成績。

3.1 AR情境式教學

情境導入是理解單片機設計的關鍵，需要明確任務做什么，分析客戶需求，理順設計邏輯思維的過程。針對防盜報警系統(tǒng)的需求分析，通過課前任務清單的形式，要求學生在單片機模擬實驗室觀察防盜報警模擬系統(tǒng)的硬件電路，擬出硬件清單；試用模擬系統(tǒng)，確定系統(tǒng)功能，理解軟件流程；預習書本，手機掃一掃AR仿真實驗演示。虛實結合，能實不虛，讓學生能手到、眼到、心到，擁有沉浸式的學習體驗。

3.2 混合式教學

依托超星學習通平臺和創(chuàng)壹三維互動教學系統(tǒng)，將混合式教學分為兩個階段：階段一為學生線上自學單片機中斷知識；階段二為線下教師引導學生學習軟硬件設計。線下教學過程中同時存在線上和線下的學生，打破地域邊界，有效實現(xiàn)教學資源人人平等。

階段一的線上學習有三個知識點，分別為單片機中斷的概念、單片機中斷的系統(tǒng)結構以及單片機中斷的程序編寫。其中，單片機中斷的系統(tǒng)結構為重難點，在教學設計時采用游戲化闖關模式，將中斷過程對特殊功能寄存器TCON、IE、IP的設置設計為關卡，將五個中斷設計為人物選擇。學生通過手機進行闖關學習，通關則表示完成中斷的系統(tǒng)結構的全部學習內容。

階段二的線下學習采用分組討論、小組匯報、教師點評的形式。分組討論從硬件角度探討如何設計硬件電路，從軟件角度探討如何畫出程序控制流程圖。根據(jù)討論的結果，利用創(chuàng)壹三維互動教學系統(tǒng)進行設計布局。

3.3 虛擬仿真教學

單片機技術能夠完成各類控制和數(shù)據(jù)采集，被廣泛應用于工程設計，擁有完善的開發(fā)體系。教學中引入崗位對接軟件——用于程序編譯的Keil軟件和用于硬件仿真的Proteus軟件。在主動探究環(huán)節(jié)，學生首先根據(jù)流程圖利用Keil軟件編寫程序；然后根據(jù)電路設計和單片機端口分配，利用Proteus仿真軟件連接電路圖；最后進行軟硬統(tǒng)調，可以直接觀測電信號和控制結果。待仿真調試通過后，再進行實物制作，減少元件的損耗，提高項目的成功率。

4 結束語

從虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實到元宇宙，技術在不斷進步，教學方式也在不斷地改進和創(chuàng)新，讓知識的學習更加具象化、個性化。本文提出的元宇宙單片機教學方式，已經(jīng)在單片機應用技術教學過程中實踐兩個學期，有九個班級的學生參與實踐。結果顯示，學生在主動探究、資料查找、提問難度等方面進步明顯，動手能力得到增強，而且這九個班級的學生參加各類競賽的人數(shù)歷年最高，真正實現(xiàn)了以教促學、以學促賽。然而，由于元宇宙技術尚未成熟，教學設備不夠先進，教學軟件亟待升級，教學方式還有待進一步改進和完善。

5 參考文獻

[1] 劉革平，高楠，胡翰林，等.教育元宇宙：特征、機理及應用場景[J].開放教育研究，2022，28（1）：24-33.

[2] 鐘正，王俊，吳砥，等.教育元宇宙的應用潛力與典型場景探析[J].開放教育研究，2022，28（1）：17-23.

[3] 桑雷.元宇宙賦能教育：認知邏輯、作用機理與實踐走向[J].高等工程教育研究，2023（2）：122-127.

[4] 于智，鄭信軍.教育元宇宙下的未來教學時間：形態(tài)重構、價值澄清與教學應對[J].繼續(xù)教育研究，2023（5）：47-52.

[5] 夏穎.元宇宙賦能虛擬教育的實現(xiàn)路徑研究[J].中國傳媒科技，2023（2）：35-38.

[6] 周培源，劉亞東.教育元宇宙視域下的新聞傳播學課程優(yōu)化與人才培養(yǎng)[J].全媒體探索，2023（1）：29-31.

*項目來源：2022年教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“元宇宙教育下的教學方式改革研究”（編號：220603231214852）。

作者簡介：盧麗君，副教授。