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 隨著技術的不斷發展，信息化教學方式不斷更新換代，元宇宙技術，以其沉浸式互動教學優勢，可以極大地彌補傳統教學方式的不足。以單片機應用技術課程為例，分析傳統教學方式的優缺點，從技術角度總結教育元宇宙的不同教學方式，根據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節的應用，顛覆了傳統的教學方式，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展延續至今，其優勢在于能夠直觀呈現知識、增強師生互動、系統傳遞知識等，且成本低；但也存在一定的局限性，主要表現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。隨著教育信息化發展進程加快，教育元宇宙以其互動性、沉浸感與獲得感等優勢成為教育創新的新風口。教育元宇宙是利用虛擬現實、增強現實、混合現實、數字孿生、5G、人工智能、區塊鏈等新興信息技術塑造的虛實融合教育環境，是虛擬與現實全面交織、人類與機器全面聯結、學校與社會全面互動的智慧教育環境高階形態[1]。在這種形態下，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、數字化教育，到現在的元宇宙教育，都是技術發展的必然結果。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，實現虛擬與現實的深度融合；重組教育模式，實現線上與線下的一體耦合；重建教育關系，實現教師與學生的最佳契合，重構教育評價，實現數據與證據的科學整合。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，學校需要改變時間管理制度以應對時間理念的沖擊，教師需要節點式參與教學以面對存在危機，學生需要實現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，從課程到社群再到行業，小步快走，不斷推動技術、教育、行業、社會的良性互動。

研究者主要從技術、教學環境構建、教學時間、虛擬現實、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來臨。新的元宇宙教育需要教育從業者不斷地實踐、改進、優化。

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實的全面交織、人類與機器的全面協同、學校與社會的全面聯結，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教學方式的不足。元宇宙的教學方式根據元宇宙技術的不同，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校客觀存在的技術壁壘，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實世界，增強學習的體驗感，實現自我精神的構建，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節，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同項目式學習并行，學生可以通過數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，可以實現電信號的直接觀測、項目式任務的仿真實現，通過數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，依據單片機產品開發流程，建立創設情境、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節，各教學環節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

根據單片機教學設計思路，以防盜報警系統設計為項目載體，以學習單片機中斷知識為例進行案例教學。將防盜報警系統設計按照開發流程劃分為六個子任務，每個子任務對應一個教學環節，每個教學環節根據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“防盜報警系統需求分析”采用AR情境式教學；子任務2“防盜報警系統知識積累”、子任務3“防盜報警系統硬件設計”和子任務4“防盜報警系統軟件設計”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“防盜報警系統仿真實現”采用Keil+Proteus軟件進行虛擬仿真教學；子任務6“防盜報警系統系統實現”采用現場演示，并依托超星學習通自評、互評、點評，根據平臺考核數據，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的硬件電路，擬出硬件清單；試用模擬系統，確定系統功能，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壹三維互動教學系統，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、單片機中斷的系統結構以及單片機中斷的程序編寫。其中，單片機中斷的系統結構為重難點，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。根據討論的結果，利用創壹三維互動教學系統進行設計布局。

3.3 虛擬仿真教學

單片機技術能夠完成各類控制和數據采集，被廣泛應用于工程設計，擁有完善的開發體系。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。在主動探究環節，學生首先根據流程圖利用Keil軟件編寫程序；然后根據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

從虛擬現實、增強現實、混合現實到元宇宙，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歷年最高，真正實現了以教促學、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：形態重構、價值澄清與教學應對[J].繼續教育研究，2023（5）：47-52.

[5] 夏穎.元宇宙賦能虛擬教育的實現路徑研究[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化與人才培養[J].全媒體探索，2023（1）：29-31.

*項目來源：2022年教育部產學合作協同育人項目“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。