基于QSPM 矩陣的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果評價探討

鄧鶴鳴

（湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062）

引言

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)是自動化、電子信息和通信等若干專業(yè)的必修課程之一，是理論結(jié)合實(shí)踐、軟件結(jié)合硬件的綜合性課程。這種與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合緊密的工科課程，學(xué)生需要大量的實(shí)踐應(yīng)用，以提升其創(chuàng)新能力。大數(shù)據(jù)、云平臺和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，研究者設(shè)計了單片機(jī)課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)流程，探討了虛擬仿真與實(shí)踐結(jié)合的模式，并設(shè)計了多種課程教學(xué)效果評價方法，但涉及單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程考核評價，僅給出評價原則，且以學(xué)生為唯一對象的評價，不夠全面。教學(xué)效果的評價影響因素較多，本文采用QSPM 矩陣法和模糊數(shù)學(xué)法相結(jié)合的方法，建立了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果的評價模型，對課程進(jìn)行量化評估，分析了教學(xué)過程性和實(shí)驗(yàn)過程性的評估數(shù)據(jù)，對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程考核評價定量與定性分析，梳理教學(xué)及實(shí)驗(yàn)過程的各種因素，通過教學(xué)反饋來提升教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實(shí)踐能力。

1 評價模型

單片機(jī)教學(xué)涉及理論部分和實(shí)驗(yàn)部分，這兩部分的評價差異很大。理論部分教學(xué)評價受到主觀判斷影響，實(shí)驗(yàn)部分教學(xué)評價相對客觀，單片機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)是重要的評價指標(biāo)。教學(xué)效果的評價影響因素涉及學(xué)生和教師兩大主要因素，包括學(xué)生的理論基礎(chǔ)、軟件功能設(shè)計及硬件能力，以及教師的理論水平和實(shí)踐水平。這種多因素的教學(xué)評價，可以采用定量規(guī)劃矩陣法（Quantitative Strategic Planning Matrix，QSPM）、數(shù)據(jù)流聚類算法、層次分析法等。QSPM 矩陣一直被認(rèn)為能夠定量地分析影響因素，梁偉等采用QSPM矩陣對線路金具進(jìn)行定量評估，獲取了金具壽命評估的結(jié)果，給金具研制提供了很好的建議。結(jié)合QSPM 矩陣法和模糊數(shù)學(xué)法，本文建立了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果的評價模型。

1.1 評價指標(biāo)

參考文獻(xiàn)[4]，建立了基于QSPM 矩陣的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果評價模型，分析單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)評價指標(biāo)，主要包括教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境、學(xué)生基本素質(zhì)、教師教學(xué)水平、學(xué)生協(xié)作水平、現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果等5 部分，各部分的詳細(xì)評估指標(biāo)因素表示為，，…，，單片機(jī)試驗(yàn)包括計數(shù)顯示器、指示燈/開關(guān)控制器、指示燈的循環(huán)控制、指示燈/數(shù)碼管的中斷控制、電子秒表顯示器、雙機(jī)通信及PCB 設(shè)計、直流數(shù)字電壓表設(shè)計和步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計等，表示為，，…，U；建立單片機(jī)實(shí)驗(yàn)評價的QSPM 矩陣。

1.2 評價指標(biāo)因素

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果評價因素較多，包括教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境、學(xué)生基本情況、教師教學(xué)水平和學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作水平等。教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境屬于典型客觀因素，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境采用的平臺不同，給教學(xué)帶來的體驗(yàn)略有不同，如互動式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)會有直接相互評價的環(huán)節(jié)，給教學(xué)評估帶來便利；學(xué)生個體差異較大，基礎(chǔ)知識掌握情況、單片機(jī)基本技能以及學(xué)習(xí)風(fēng)格等是了解學(xué)生基本學(xué)習(xí)情況的重要指標(biāo)；教師的理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)水平影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；采用分組形式進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，可以提升學(xué)生協(xié)作水平；利用教學(xué)過程性和實(shí)驗(yàn)過程性數(shù)據(jù)，識別學(xué)生單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)效果，對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行量化評估，通過教學(xué)反饋來提升教學(xué)質(zhì)量。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果評價因素具體指標(biāo)描述如下：

（1）教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括現(xiàn)場教學(xué)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境、仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)際操作環(huán)境，評價指標(biāo)表示為~；

（2）學(xué)生基本情況，包括基本知識水平、課程理論水平、實(shí)踐能力和動手能力，評價指標(biāo)表示為~；

（3）教師教學(xué)水平，包括理論水平、實(shí)踐水平、指導(dǎo)能力，評價指標(biāo)表示為~；

（4）學(xué)生協(xié)作水平，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)理解水平、協(xié)同分工水平和分工實(shí)施水平，評價指標(biāo)表示為~；

（5）現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括軟件水平評估、硬件水平評估和功能實(shí)現(xiàn)程度，評價指標(biāo)表示為~；

評價流程參考如圖1 所示，該流程參考文獻(xiàn)[4]，具體如下：

圖1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果的評價流程

（2）采用9 分制對評價等級進(jìn)行賦值，評價等級分別對應(yīng)9、7、5、3 四個分值，建立實(shí)驗(yàn)課程效果評估的評價等級集合P，結(jié)合P，選取常用白化權(quán)函數(shù)f(a)，其中，=1,2,3,4，=9，=7，=5，=3，分別對應(yīng)P 的四個等級。

（3）在步驟（2）的基礎(chǔ)上，獲取矩陣灰色評估權(quán)值n，然后獲取效果評估的灰色權(quán)矩陣R。

（4）獲取效果評估的模糊綜合評判矩陣B，B由判斷矩陣綜合權(quán)重w和灰色權(quán)矩陣R 的復(fù)合矩陣運(yùn)算獲取，其中w由步驟（1）獲得，灰色權(quán)矩陣R 由步驟（3）獲得。

（5）矩陣B 和評價P 的復(fù)合矩陣運(yùn)算，可獲得結(jié)果S。

2 評價結(jié)果分析

對計數(shù)顯示器、指示燈/開關(guān)控制器、指示燈的循環(huán)控制、指示燈/數(shù)碼管的中斷控制、電子秒表顯示器、雙機(jī)通信及PCB設(shè)計、直流數(shù)字電壓表設(shè)計和步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計等8 次單片機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行了教學(xué)效果評價?？紤]到學(xué)生的具體情況，采用“好、中、差”進(jìn)行搭配，將28 個學(xué)生分成10 個團(tuán)隊(duì)，獲取了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果的評價結(jié)果，其中某次現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果分析詳細(xì)見表1（p72）所示。根據(jù)表1 結(jié)果，分析教學(xué)過程性和實(shí)驗(yàn)過程性數(shù)據(jù)，梳理教學(xué)過程中的各種因素。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)以報告的形式進(jìn)行說明，包括實(shí)現(xiàn)原理、設(shè)計思路和技術(shù)總結(jié)，并交付單片機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)物。

表1 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果分析表

根據(jù)表1 可知，軟件水平評估分析如下：

（1）10 個團(tuán)隊(duì)均完成了學(xué)習(xí)目標(biāo)，設(shè)計的軟件，大部分功能可以實(shí)現(xiàn)；（2）團(tuán)隊(duì)2 和團(tuán)隊(duì)7 低于8 分，軟件功能，未能清楚說明，但程序代碼較為完整；（3）9 分以上的團(tuán)隊(duì)，程序代碼簡潔、語句流暢。

仿真水平分析如下：

（1）10 個團(tuán)隊(duì)均完成了學(xué)習(xí)目標(biāo)，采用proteus 軟件進(jìn)行了仿真分析，基本實(shí)現(xiàn)了仿真分析；（2）團(tuán)隊(duì)2 和團(tuán)隊(duì)7低于8 分，基本完整；（3）9 分以上的團(tuán)隊(duì)，仿真完整，功能完善。

功能實(shí)現(xiàn)分析如下：

（1）10 個團(tuán)隊(duì)均完成了學(xué)習(xí)目標(biāo)，基本實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計以及焊接，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的功能；（2）團(tuán)隊(duì)2 和團(tuán)隊(duì)7 低于8 分，硬件基本完整，焊接零亂，分區(qū)混亂；（3）9 分以上的團(tuán)隊(duì)采用多種結(jié)構(gòu)分區(qū)，焊接美觀，布局簡潔。

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果的總評分及特點(diǎn)評價分析如下：

（1）10 個團(tuán)隊(duì)均完成了學(xué)習(xí)目標(biāo)，9 分以上為50%，70~80 僅占20%；（2）這些團(tuán)隊(duì)能夠充分理解單片機(jī)原理、設(shè)計方法和仿真實(shí)驗(yàn)，并完成硬件設(shè)計，初步實(shí)現(xiàn)功能，可以將理論結(jié)合實(shí)際，完成實(shí)驗(yàn)課程安排內(nèi)容；（3）9 分以上的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力強(qiáng)，教學(xué)互動頻繁，軟件設(shè)計條理清楚，代碼簡潔，與實(shí)際相結(jié)合，圓滿完成單片機(jī)的焊接，并實(shí)現(xiàn)功能，這些團(tuán)隊(duì)以團(tuán)隊(duì)1 為代表；7 分~8 分的團(tuán)隊(duì)協(xié)作較弱，分工不明確，教學(xué)互動差，軟件未能清楚說明，程序代碼，格式完整，硬件功能分區(qū)較弱，基本完成硬件設(shè)計，以團(tuán)隊(duì)7 為代表。

3 改進(jìn)措施

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程屬于典型的工科課程，需要將實(shí)踐深度融入單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，來提升學(xué)生單片機(jī)的動手能力，根據(jù)前面的結(jié)果，本文建議的改進(jìn)措施如下：

（1）建設(shè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程信息庫，包括優(yōu)秀的教學(xué)課件、教學(xué)參考的視頻、網(wǎng)絡(luò)視頻和教學(xué)互動研討視頻等；建立單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫，收集優(yōu)秀學(xué)生的代表性作品、工業(yè)產(chǎn)品以及典型實(shí)驗(yàn)案例等，建設(shè)課程教學(xué)的互動和反饋，包括理論學(xué)習(xí)分析、教學(xué)過程性和實(shí)驗(yàn)過程性數(shù)據(jù)分析和教學(xué)評價分析。

（2）改進(jìn)課程考核方式。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)需要充分鍛煉學(xué)生的處理能力，并通過檢驗(yàn)學(xué)生的科學(xué)技能以及動手能力，提高自我責(zé)任感、主觀能動性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；需要交付實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計思路和技術(shù)總結(jié)，并交付單片機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)物；需要根據(jù)學(xué)生的個體差異來安排個性化教學(xué)服務(wù)，協(xié)助較差的學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識，并掌握單片機(jī)所需的技能。

根據(jù)這些改進(jìn)措施，調(diào)整了教學(xué)思路。該課程的期末考試成績80 分以上占78.6%，平均分86.5%，學(xué)生基本掌握單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程。

4 總結(jié)

本文建立了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果的評價模型，獲取了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果的評價結(jié)果，分析了教學(xué)過程性和實(shí)驗(yàn)過程性數(shù)據(jù)，梳理教學(xué)過程的各種影響因素，主要結(jié)論如下：（1）根據(jù)流程，對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程效果進(jìn)行了評價，10 個團(tuán)隊(duì)均完成了學(xué)習(xí)目標(biāo)，9 分以上為50%，7 分~8 分僅占20%；（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)理解充分的團(tuán)隊(duì)，分工協(xié)作水平和實(shí)施水平相對較高；教師和學(xué)生的互動交流，可提升學(xué)生試驗(yàn)理解水平，說明教學(xué)反饋的重要性；（3）提出了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的改進(jìn)措施，包括建設(shè)實(shí)驗(yàn)課程信息庫和改進(jìn)課程考核方式，獲得了很好的教學(xué)效果。