“單片機原理與應用”精品在線開放課程建設與應用

黃 峰，林國漢，李 亞，汪 超

（湖南工程學院 電氣與信息工程學院，湖南 湘潭411104）

2018年，教育部高等教育司司長吳巖在第十一屆“中國大學教學論壇”上提出：人才培養(yǎng)的關鍵核心是課程，課程本身是微觀的普通問題，但解決的卻是宏觀上的戰(zhàn)略問題，要充分利用課堂教學這個主陣地、主渠道、主戰(zhàn)場，建設“金課”，淘汰“水課”。［1］隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”深入教育領域，“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下學生的學習和思維方式、學習習慣不斷改變，對課堂的教學形式和教學內(nèi)容也有了更多、更新的要求。新時期的大學課堂要求有新的教學場域、新的教學和學習范式，大學課堂以學生為中心，是學生能夠自主探究與交流、充分展示有深度和維度的課堂；是以信息技術為先導，培養(yǎng)學生獲取信息數(shù)據(jù)能力的課堂，是以創(chuàng)新為導向，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的課堂；是以適應市場需求能力評價為核心的多元化考核評價的課堂。［2-3］

一 在線開放課程建設的意義

在線開放課程是高等院校適應新時代信息技術發(fā)展進行教學改革工程的重要組成部分，其宗旨是以提高教學質(zhì)量為抓手，把教師、學生及社會學習者在內(nèi)的群體當作服務的目標，通過教學素材聚合、開發(fā)以及開放共享，為所有求知者提供一個可以進行終身學習的渠道，促進高校轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教育教學觀念，通過混合教學、翻轉(zhuǎn)課堂、碎片化學習、自主與互動學習、線上線下教學等新的教學與學習方式，以及全新的綜合評價考核機制，提高學習者的學習質(zhì)量和效率。與傳統(tǒng)線下課程不同，在線開放課程可讓知識索求過程脫離空間和時間的限制，線上大量的優(yōu)質(zhì)教學素材可供在校大學生及社會學習者隨心利用。在線開放課程的建設可以改變“以教師為中心、知識灌輸為主”的教學模式，形成以“成果導向教育”為引領，確立“以學習者為中心、以自主學習為主”的新模式。

“單片機原理與應用”是一門應用性非常強的電子信息類專業(yè)基礎課程。課程目標是提高學生的單片機系統(tǒng)實踐能力和利用單片機解決應用問題的能力，但由于教學課時有限，所學內(nèi)容的深度和廣度就受到一定約束，如何建設“單片機原理與應用”在線開放精品課程，最大限度發(fā)揮在線開放課程共享資源的作用，對拓寬師生互動交流渠道具有現(xiàn)實意義。

二 在線開放課程建設與實施

根據(jù)“單片機原理與應用”課程特點和應用型人才培養(yǎng)目標，結(jié)合學習通平臺的運行特點，在線開放課程建設包括教學隊伍、教學資源、學生學習、師生互動、綜合評價等方面，按照實用性、兼容性原則進行建設，在建設過程中充分考慮移動互聯(lián)網(wǎng)工具的特征，設計碎片化的知識點與“互聯(lián)網(wǎng)+”融合，讓課程更好地服務所有學習者。［4］

（一）課程團隊建設

按照課程思政原則，“單片機原理與應用”在線開放課程建設的教學團隊中有三類人員。一是責任老師，為教學團隊固定成員，所有成員均有多年單片機課程教學經(jīng)驗，確保能夠制訂實用性和使用性更強的教學方案。按照團隊成員分工，主要負責方案腳本設計、視頻錄制、編輯和制作，資料收集整理、歸類。二是輔導老師，邀請剛從教師崗位退休、教學經(jīng)驗豐富、教學效果好的老師，不定期參加教學團隊的教學研討活動。三是助教，從研究生和學校創(chuàng)新實驗室選拔3～4 名學生，這部分學生具備扎實的單片機基礎知識和項目設計經(jīng)驗，主要承擔線上輔助答疑、輔助實驗指導、討論學習組織、平臺維護、數(shù)據(jù)收集整理等工作。

（二）課程資源建設

“單片機原理與應用”教學素材構(gòu)建主要包括課程簡介、課程優(yōu)勢與特色、教學安排、教師隊伍、主要教學內(nèi)容、課程教學大綱、課程考試大綱、課程課件、主要教學方式方法等基本信息，而課程資源主要由基礎部分與擴展部分組成，各部分資源詳細信息如表一所示。

表一 課程信息表

基礎資源主要是課程模塊建設，知識體系需要適應教學模式的變化，通過調(diào)研與分析，根據(jù)單片機技術發(fā)展及課程特點，我們對課程知識點進行了梳理，梳理出適合錄制視頻的知識點。教學主要內(nèi)容共分單片機硬件基礎、單片機軟件基礎、人機接口技術、單片機擴展技術、單片機系統(tǒng)設計五個大項目，每個項目又劃分為若干子項目，每個子項目設置若干學習任務。以人機接口技術項目為例，知識點分解如圖1 所示。［5］

圖1 項目知識點劃分

根據(jù)項目知識點進行學習任務分解，并根據(jù)每個任務的內(nèi)容特點，設置對應的學習指導、課件腳本、微課視頻、線上線下任務等。

擴展資源建設主要是課程建設的輔助資源，“單片機原理與應用”涉及電子、電氣、自動化等信息類專業(yè)，需要有不同的擴展資源，以滿足不同專業(yè)學習者對專業(yè)領域知識的需求，例如：電機驅(qū)動技術、無線/有線通信技術、圖像處理技術、課程發(fā)展前沿、微控器專題講座、仿真實驗實訓、單片機熱點問題及技術發(fā)展等。［6］

通過精心設計，“單片機原理與應用”的課程資源體現(xiàn)了在線開放課程的特色。

1.教學課件微型化、碎片化。根據(jù)單片機課程特點，以項目為單位，對教學內(nèi)容進行細化，將設計與學習融為一體，把每一個項目分解為項目要求、項目設計方案、軟件和硬件設計、項目總結(jié)，每個部分若干知識點，用于考核學習者各方面能力，每個知識點都有對應的PPT、背景資料、10 分鐘左右的教學視頻。在學完每個知識點后，設置了對應的線上/線下習題和作業(yè)進行鞏固，在項目學習完成后，通過分組進行交流互動。

2.針對單片機及相關技術的發(fā)展趨勢，結(jié)合教學團隊工程實踐經(jīng)驗，遴選一些對單片機有濃厚學習興趣的同學組成學習小組，通過實際項目或者案例的設計提高學生電子系統(tǒng)設計能力、單片機系統(tǒng)綜合設計與應用能力，線上展示全國大學生電子設計大賽、湖南省電子設計大賽、校級電子設計大賽和各類電子創(chuàng)新設計大賽等專業(yè)競賽的照片、視頻以及相關素材。

（三）師生互動資源建設

師生互動資源是影響課程教學效果的重要因素，互動的途徑是多樣的。在“單片機原理與應用”課程中，學生可先預習學習通平臺上提供的大量教學資源，了解每個知識環(huán)節(jié)的任務需求，并通過針對每個項目或者知識點的練習和測試題對學習效果進行自我測試，學習者在任何情況下都可以與其他學習者及老師、助教進行實時互動聯(lián)系，學習者可以不受空間和時間的限制，通過平臺與老師或者其他學習者互相交流。［7］

1.在線學習是學習者通過平臺提供的賬號登錄網(wǎng)絡平臺進行自主學習。根據(jù)每個項目，設計不同的學習單元，以單片機直流電機控制項目為例，整個項目分成CPU、時鐘電路、復位電路、驅(qū)動電路、顯示電路、按鍵電路、PWM、速度反饋、PID 控制九個單元，每個單元都有若干個知識點，學習者根據(jù)所選單元進行學習，學習驅(qū)動電路方案設計、PWM 波形產(chǎn)生方法、PWM 波形調(diào)整方案，掌握不同產(chǎn)生及調(diào)整方法各自的優(yōu)缺點，并可通過選定單元模擬測試檢驗學習效果。

2.學習者與教師和助教的互動交流也分成線上交流和線下交流兩種途徑，與一般的課程線上交流方式不同，“單片機原理與應用”課程的線上交流參與者既包括學生和授課教師，又包括在各級別電子設計大賽中取得良好成績以及在學校創(chuàng)新實驗室有過較長實踐經(jīng)驗的高年級學生，還有來自相關企業(yè)精通電子產(chǎn)品設計的技術骨干。通過線上交流，學生既可以解決課程學習遇到的各類問題，同時也可以通過行業(yè)精英了解到單片機技術在企業(yè)產(chǎn)品設計中遇到的挑戰(zhàn)及解決的辦法，更有助于提高學生對掌握單片機技術的興趣。

（四）學習方式構(gòu)建

在線開放課程可以從根本上改變學習者的學習方式，除了課堂學習以及課外自學，學習者還可以采取自學、聽學、探究、體驗和問題解決等多種學習方式。

1.線上/線下學習深度融合。在新冠肺炎疫情防控進入常態(tài)化的情況下，充分利用網(wǎng)絡平臺，經(jīng)過精心建設，設計合理的平臺既有助于學生學習方式的改變，也有利于培養(yǎng)學生自主學習的習慣。

2.以項目小組為單位的協(xié)作學習。以項目為紐帶，每3~5 個學生組成一個項目小組，小組內(nèi)由學生當小組長，每個助教參與2~3 個小組，指導小組在規(guī)定時間內(nèi)完成項目設計任務。在項目完成過程中，通過一段時間的學習和協(xié)作，助教可以從組員中挑選出1~2 名學生，通過這種傳幫帶學習機制，培養(yǎng)學生在項目的方案設計、項目分工、方案討論、定型中培養(yǎng)單片機應用系統(tǒng)設計的能力，同時亦可培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神。

3.每班學生分為4 個小組，每組8 人，在課余時間，學生以小組為單位，針對課程的每一個學習單元，由助教提出若干問題，所有組員學習后對問題進行解答，然后進行小組討論。通過“主題設置→解答→分組討論→反饋”這種互動方式，學生可以在一定程度上克服對單片機課程的畏難情緒，鍛煉學生利用所學知識針對具體問題進行分析、找到解決問題方法的能力及對整個過程的總結(jié)能力。

（五）課程綜合評價模塊

課程評價是課程實施的重要環(huán)節(jié)，好的課程評價能全面真實地反映課程實施的效果，針對“單片機原理與應用”課程的特點，在課程實施過程中，建立了可行性較強的過程化考核體系。課程評價主要從過程評價和結(jié)果評價兩個方面建立評價標準。培養(yǎng)過程與培養(yǎng)質(zhì)量具有密切的內(nèi)在聯(lián)系，以此為基礎構(gòu)建全學習過程評價：過程性評價（50%）+總結(jié)性評價（50%）=綜合成績，其中過程性評價采用多種形式、多個階段、多種類型的評價方式，由學習交互情況、資源利用情況、線上/線下作業(yè)情況、線上/線下測驗情況、線上/線下考試情況等組成。通過結(jié)合各種評價方式，學生的每個學習階段都嵌入到課程考核體系中，過程考核體現(xiàn)得更加具體，利用課程教學平臺，可實時掌握學生的各階段學習情況。具體的考核內(nèi)容、形式及評價方式如表二所示。

表二 在線開放課程建設綜合評價表 單位：%

（六）課程實施管理

老師和助教定期對課程實施進行管理：包括課程資源的補充與更新、課程運行機制有效性反饋、課程任務和通知發(fā)布、學生使用學習平臺進行學習情況反饋、學生的學習行為和學習效果數(shù)據(jù)收集反饋，老師依據(jù)系統(tǒng)收集的學生學習數(shù)據(jù)，對學生的學習情況進行分析，根據(jù)分析結(jié)果對教學方法及學習進度進行對應調(diào)整，整個管理過程形成一個信息充分反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，有助于提高教學質(zhì)量。［8］

三 基于學習通的混合式教學設計

線上線下混合式教學是高校課堂改革的方向，其融合傳統(tǒng)課堂教學與和網(wǎng)絡信息化學習的優(yōu)點，通過信息技術將課程知識點進行串聯(lián)，能充分發(fā)揮教師的引導功能，能充分激發(fā)學生的學習興趣，體現(xiàn)其作為學習主體的主動性、積極性和創(chuàng)造性?！皢纹瑱C原理與應用”課程混合教學是將慕課、翻轉(zhuǎn)課堂和項目式案例教學進行整合，采用“教-學-做”的教學模式。［9］

（一）教學準備

在實施教學之前，需要完成的準備工作包括：（1）進行精品在線課程建設，為線上學習提供豐富多樣、可操作性強的教學資源；（2）根據(jù)“單片機原理與應用”課程體系構(gòu)建項目案例教學庫。

（二）教學模式設計

與傳統(tǒng)課堂的“以教師為中心”不同，混合式教學更注重教師主導與學生主體的結(jié)合。需要科學合理地設計線上和線下教學環(huán)節(jié)，才能讓老師既能關注“如何教”，也能關注“學生如何學”。

1.線上教學環(huán)節(jié)：（1）課前教師組老師根據(jù)學習知識點給學生設計若干問題；（2）學生通過學習通在線觀看微視頻，自主完成課程單元知識點的學習；（3）由老師或者助教定期組織學生通過學習通、QQ學習群、微信群等進行線上自由討論、進行答疑解惑；（4）每個單元都設置對應的作業(yè)、測試及思考題，用于檢驗學生對所學單元知識的理解和掌握程度。

通過科學設計教學環(huán)節(jié)，合理分配線上線下的教學內(nèi)容，保證混合教學能夠取得良好效果。

2.課堂教學環(huán)節(jié)：（1）以預設問題為切入點，啟發(fā)引導學生分組討論；（2）以課程基本知識點為基點，進行擴展知識講解，引導學生拓展學習范圍和深度；（3）結(jié)合小項目進行知識點總結(jié)；（4）綜合項目設計講解。

3.課后實踐環(huán)節(jié)。在學生完成線上自學、線下課堂學習后，通過學習通平臺布置每個知識點的鞏固或拓展任務，由學生利用自制單片機開發(fā)板或者單片機仿真軟件進行線下仿真調(diào)試實踐。實踐過程中遇到的所有問題皆可隨時在學習通平臺討論區(qū)進行互動交流。

四 精品在線開放課程建設的效果

（一）教學團隊分工合理

相對傳統(tǒng)的課程教學，在線開放課程包括教學腳本設計、教學內(nèi)容細分、視頻加工及制作、教學資源收集分類及更新維護、學教互動、案例規(guī)劃、綜合考核、效果反饋等。其時間和空間跨度、對信息技術的合理利用等都對教學團隊提出了與傳統(tǒng)教學團隊完全不一樣的要求。通過課程建設，“單片機原理與應用”教學團隊由多位既有多年單片機原理課程教學經(jīng)驗，又具備扎實的計算機基礎知識的教師組成，團隊成員年齡、學歷結(jié)構(gòu)合理，對教學方法及教學理念都有深刻的體會，有助于實現(xiàn)教師不同教學理念取長補短，促進教學效果提升。

（二）學習興趣提高，學習方式多樣

學習興趣決定學習效果，通過在線開放課程教學平臺，學生“學“的主體作用相對強化，而教師傳統(tǒng)意義上“教”的功能相對弱化，更多地充當引導者和答疑者的角色。通過興趣小組、項目小組、助教的傳幫帶等，可以緩解部分學生畏難情緒，學生通過在線教學平臺提供的豐富多樣的學習資源，進行線上學習和課后鞏固。

（三）教學方法更加開放

傳統(tǒng)的“單片機原理與應用”課程教學采取的一般是在課上進行理論教學，然后再安排時間統(tǒng)一或者分批在實驗室進行實踐教學，這種理論教學和實踐教學分開的模式難以充分激發(fā)學習者的學習興趣。匯編語言、C51 語言、程序設計、電路設計、系統(tǒng)設計等專業(yè)知識常使學生產(chǎn)生畏難情緒，主動性和積極性不高，不能滿足該課程的實踐性要求。在教學過程中，根據(jù)教學內(nèi)容的難易程度及教學目標，交叉運用各種教學方法，如在講授定時器/計數(shù)器時，采用案例法、分組討論、啟發(fā)式和探究式進行教學，先以啤酒廠打包生產(chǎn)線案例引入，組織學生們對生產(chǎn)線上哪些環(huán)節(jié)需要使用到定時器/計數(shù)器進行討論，討論結(jié)束后，再講解如何使用定時器/計數(shù)器。

（四）考核評價方式更加合理

傳統(tǒng)的“單片機原理與應用”考核成績一般是由“考試成績+實驗成績+平時成績”組成，其中考試成績一般占比最大，這種成績構(gòu)成具有其合理性，但對課程學習的過程性考核不夠全面。在線開放課程的考核形式及考核內(nèi)容更加豐富，分布更加合理，其中網(wǎng)絡資源利用情況、師生互動情況、小組討論等幾種情況很好地彌補了傳統(tǒng)課程考核的不足。線上開放課程的考核也更加多元化，教師、學生、助教及企業(yè)專業(yè)技術人員都可以參與到課程考核中，通過互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了課程過程性考核、應用性考核和實踐能力考核。

五 結(jié)語

在線開放課程合理融合了現(xiàn)代信息技術與新時期的教育教學，如被有效利用，既能提高學生培養(yǎng)質(zhì)量，又能讓包括社會學習者在內(nèi)的

學習群體共享其豐富資源，促進教育公平，更是未來教學手段發(fā)展的必然方向。以培養(yǎng)適應社會需求的應用型本科人才為目的，本文以建設高質(zhì)量的“單片機原理與應用”在線開放課程為例，介紹了教師團隊、教學資源及教學方法、教學過程綜合評價等環(huán)節(jié)的具體建設過程。［10］“單片機原理與應用”是電子信息類專業(yè)的重要主干課程，在后續(xù)的課程建設中，根據(jù)新工科建設要求，結(jié)合單片機技術發(fā)展趨勢，將進一步優(yōu)化課程體系結(jié)構(gòu)，拓展教學內(nèi)容，探討教與學方法，使課程教學質(zhì)量進一步提高。