一流本科課程建設背景下“虛實”結合的單片機實驗教學模式改革與實踐

成玲

（中國石油大學（華東）計算機科學與技術學院，山東 青島 266580）

0 引言

根據教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號）[1]文件中對線上線下混合式一流課程建設的思路，要求課程的基本實驗教學單元由實體實驗項目和虛擬仿真實驗教學項目組成，以適應線上實驗教學要求[2]。《單片機原理與技術》目前是我校物聯網工程專業的專業必修課，其中實驗教學支撐專業培養方案中三個指標點，而以往實驗都以線下實體實驗為主，迫切需要建設線上虛擬仿真實驗平臺，改革實驗內容，探索能夠適應線上線下“虛實”結合的實驗教學新模式，以滿足學生能力培養的要求。

1 原實驗教學模式存在的問題

單片機開發是一項實用性很強的技術，涉及面廣，其實驗內容的選取、實驗項目的設計要具有實用性和前沿性，但由于專業理論課程內容抽象難理解，學生學不透，容易產生厭倦感，造成“喜軟怕硬”，目前的單片機實驗內容主要以線下驗證性和簡單設計實驗為主，實驗項目內容缺乏創新性，挑戰度不夠，另外傳統實驗臺實驗資源配置可擴展性差，實驗手段單一，導致學生自由發揮空間小，工程能力訓練不足，解決復雜工程問題能力欠缺，實踐教學效果不夠理想。如2020年受疫情影響，學生無法返校，在實驗室開展硬件實驗就無法實現，為了滿足教育部的“停課不停學”要求，單片機硬件類實驗迫切需要探索新的線上線下相結合實驗教學模式。

2 項目改革思路及改革內容

針對單片機傳統實驗教學模式的存在的問題，將虛擬仿真技術運用到單片機實驗教學中，適應目前線上實驗教學要求，探索虛擬仿真與實體實驗相結合的硬件類實驗教學新模式。利用Proteus仿真軟件和KeilC51軟件搭建一個虛擬的單片機實驗室，學生可以不受時間和空間限制通過虛擬實驗平臺來設計單片機系統，進行仿真和驗證電路設計的合理性，從而節省了制作實際電路板的過程，并且可以靈活、高效地修改電路的設計，不會產生元器件的損耗。

整合優化實體實驗項目，同時引入先進的富有挑戰度的虛擬仿真實驗項目，“以興趣為驅動，以能力為重點”制定實驗目標，建立線上線下混合式虛擬仿真實驗項目案例庫，構建“基于典型項目的合作探究型學習模式”，通過科學的過程監控機制，實現考核客觀化，重構現有專業實驗課程體系。

2.1 “虛實”結合的實驗教學新模式

針對不同的教學目標和教學內容，探索線上虛擬仿真與線下實體實驗相結合的實驗教學模式。線上提供豐富的視頻教學資源，線下采用開放性、探究式的問題驅動教學，教學模式由知識和技術講解轉變為問題求解，設置“以所學知識解決專業實際問題”的教學環節，結合專業背景設計單片機應用系統。加速學生的知識轉化、教學響應、知識交流與知識應用[3]。

按照知識點碎片化要求，精心選取單片機課程的知識核心和難點作為在線內容，利用虛擬實驗平臺提供線上實驗；同時精心設置線下開放探究問題，開展以學生為中心的研究性教學，培養學生解決復雜問題的綜合能力。虛擬仿真與實體實驗相結合，并將線上仿真與線下實踐同步互補、學生實驗與課外科技活動同步互補協同推進。線下實驗安排對硬件依賴較強的實驗，包括系統設計實驗等，另外引進“口袋”實驗室概念開展實體實驗；線上利用虛擬實驗平臺拓展實驗環節的內容、時間和空間，既降低了單片機整體設計的風險和難度，調動了學生學習積極性，同時又增加了學生設計過程中的成就感和自信心，從而提升了學生的實踐與創新能力。由于采用的實驗技術與方法不唯一，設定的實驗任務與內容多樣化，拓展了學生自由發揮學習空間，有助于差異化、個性化培養。“虛實結合”的實驗教學新模式的建設，必將重構現有的單片機專業實驗課程體系。

2.2 案例式教學內容資源建設

通過引入符合學校人才培養目標、切合經濟社會產業發展的虛擬仿真實驗教學項目，建立線上線下混合式實驗項目案例資源超市。在支持度、表現力和用戶服務上進行三個舉措，實現對案例庫進行梳理、分類和提升并形成“資源超市”，以充分發揮對學生單片機實驗和實習的支持作用，重構現有專業實驗課程體系。線上虛擬仿真項目開展的流程是首先要求完成單片機實驗方案設計和基礎接口模塊驗證，配合單片機綜合實習課程，在掌握單片機核心技術的基礎上了解單片機系統設計的思路、方法和步驟以及訓練學生解決實際工程問題的能力。通過設計完成一個具備創新性實用性的綜合單片機系統，學生既能自主設計功能模塊，又能夠看到自己設計的模塊在整個系統中的運行效果，使實驗內容富有挑戰性[4]。

根據線上線下混合式一流專業課程建設要求，虛擬仿真實驗教學項目不應少于課程實驗總學時的20%。進一步整合優化實體實驗項目的內容，利用“線上課程空間、時間自由，線下動手實踐性強的各自優勢”特點，選取部分模塊的實驗內容直接在虛擬實驗平臺完成，將對硬件依賴性強的模塊實驗在線下完成，針對整合系統的模塊缺乏獨立性、綜合實習開放程度不夠全面、案例庫利用率偏低這幾個問題，對標金課建設中“兩性一度”的要求，構建優質“資源超市”，保證學生有效結合自主課題和案例資源，提高案例庫的利用率；課題上要求每層構建封閉系統，保證其能夠獨立于系統之外運行，之后進行應用耦合以實現綜合系統。線上和線下有機結合的實驗方式可有效拓展實踐的內容以及實踐的時間和空間，實現線上仿真與線下實踐的互助互補。

根據一流“金課”建設要求中高階性、創新性和挑戰度的特點，構建“總-分-總”的優質單片機綜合系統案例庫，一方面保證學生能第一時間知道看到的案例使用什么技術、具備什么功能，之后根據自己的課題自由選擇需要的技術、設備和理念，從而提高案例庫的利用率，另一方面對前期積累的大量案例進行分析、歸類，標注清楚其技術應用、適用范圍和服務功能。首先注重學生知識、能力和素質的有機融合，將相關培養指標直接落到具體的案例中，確定總目標性，保證其高階性；其次將每個案例進行封閉系統的碎片化處理，確定案例的可分解性，保證其創新性；最后讓學生在開放式題目環境中自由發揮，爭取能夠結合相關模塊融合其他計算機相關知識，進行應用耦合，確定案例再融合性，保證其挑戰度。

為了讓學生有更多的選擇和啟發，也為了應對自由探究模式下沒有邊界的指導需求，課題組成員基于單片機系統進行了大量的開發工作，目前這個學期已經在計算機科學、軟件工程和物聯網工程3個專業2018級本科生中進行初步嘗試，實現了很好的教學反饋。學生利用虛擬仿真平臺自主設計開發了“花樣流水燈”、“十字路口交通燈”、“校園信息發布系統”等十幾個富有創意和想象力的項目，獲得了良好效果。

2.3 構建了多元化激勵性評價考核體系

構建以過程評價與能力培養為導向的多元化、全方位考核評價體系，加強學生學習過程和綜合能力評價，讓創新人才脫穎而出。改革實驗教學手段，建立科學的過程監控和評價機制，真正實現以學生為中心的培養目標。采用分組制，引導學生將實驗項目當作開發“作品”一樣完成。在考核方式上，增加了創新評價和協作能力評價兩部分分值，真正實現以學生為中心的培養目標，激發學生思維創新能力。該階段主要呈現教師與學生對應教學大綱指標點、共同參與被考核和考核、教學相長的實驗效果。其中一組學生進行作品介紹和演示時，其他學生全都作為評委參與該組作品的評價、交流和探討中。演示要求系統整體模型運行無誤，進行現場作品演示和答辯。最后提交報告、開發文檔、用戶使用說明書、源代碼、執行程序、演示視頻和答辯PPT[5]。

分組協作、過程監控使實驗考核方式及評分標準更加合理，實驗教學模式更加科學。實踐說明，重視過程監控、采用分組結題答辯，利用虛擬仿真實驗平臺開展線上實驗教學，克服了硬件與學時上的困難，通過過程性學習評價、課程設計、參加競賽、撰寫課程專題論文和提交單片機作品，實施多元化考核，全方位保障實現人才培養目標。

3 課程實驗改革成效

以“金課”建設為導向，進一步完善課程網絡教學資源，打造一流精品課程，完善和申請正式出版課程教材、電子教材和實驗教材。課程實驗線上線下混合式教學的開展使學生學習主動性和實踐能力明顯提高。采用多層次、立體化項目載體開展創新實踐教學改革，以創新實踐能力為導向著力培養高質量復合型應用人才。探索“實際問題驅動，線上線下結合同步互動”的實驗教學模式，實現多維度協同創新人才培養模式。教學資源建設不斷豐富，包括多媒體課件、課程動畫、實驗指導、案例庫、部分同學作品、虛擬仿真實驗示例等網絡教學資源，將單片機知識立體化、可視化展現。資源超市的構建不僅體現高階性，也為后期學生的單片機綜合實習提供了有力的資源支持。

4 結語

通過虛擬仿真實驗教學改革，推動線上線下混合式實驗教學建設，構建個性化、智能化、泛在化的實驗教學新模式，形成了教學效果優良、專業布局合理和開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系。實驗教學模式的改革與實踐可以支撐高等教育教學質量的全面提高，貫徹立德樹人的教育根本任務，培養學生成為新工科背景下，服務于社會的創新型人才。