線上線下混合式實驗教學(xué)改革研究
——以“微處理器與接口技術(shù)”為例

汪文蝶,何 巍

(四川師范大學(xué),四川 成都 610000)

0 引言

人工智能、萬物互聯(lián)等新興技術(shù)的出現(xiàn),對工程人員的知識和能力提出了新要求。 實踐和實驗教學(xué)是高校培養(yǎng)學(xué)生工程能力的重要環(huán)節(jié),也是新工科建設(shè)過程中被廣泛倡導(dǎo)的教學(xué)模式[1]。 “微處理器與接口技術(shù)”是我校通信工程、電子信息工程專業(yè)開設(shè)的專業(yè)核心課程,是一門實踐性很強(qiáng)的應(yīng)用課程,著重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力、實踐動力能力和創(chuàng)新能力,因此,實驗教學(xué)在此課程中占據(jù)了重要的地位。 為順應(yīng)新形勢,自2017 年開始,教學(xué)團(tuán)隊對“微處理器與接口技術(shù)”進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革,特別是利用信息化和虛擬仿真技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式。 本文將主要介紹實驗教學(xué)改革方面的進(jìn)展,討論如何在實驗教學(xué)過程中采用虛擬仿真技術(shù)+實驗平臺進(jìn)行線上線下混合式“微處理器與接口技術(shù)”實驗教學(xué)改革。

1 重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的“微處理器與接口技術(shù)”實驗課程一共20個學(xué)時,5 個實驗項目,每次實驗3 個小時,主要在學(xué)校的實驗室里面基于實驗箱完成。 實驗安排如下:首先提出實驗任務(wù),教師進(jìn)行實驗原理、實驗電路的講解,然后學(xué)生編寫程序、連接電路進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試,最終在實驗箱上觀察實驗結(jié)果。 因該門實驗課程對編程和電路的要求較高,綜合性較強(qiáng),大部分同學(xué)在編寫和調(diào)試程序上需要花費(fèi)大量時間。 在限定的地點(diǎn)、有限的時間內(nèi),只有個別優(yōu)秀的學(xué)生能順利地完成實驗任務(wù)。 考慮到傳統(tǒng)實驗教學(xué)的局限性,為了打破實驗地點(diǎn)和時間的限制,教學(xué)團(tuán)隊引入了虛擬仿真技術(shù)和線上教學(xué)平臺對實驗教學(xué)進(jìn)行了一系列的改革。

虛擬仿真軟件Proteus 是英國Labcenter 公司研發(fā)的嵌入式系統(tǒng)仿真開發(fā)軟件。 Keil uVision4 是KEIL Software 公司出品的單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境,集編輯、編譯、仿真等功能于一體。 基于Proteus + Keil uVision4可構(gòu)造虛擬仿真實驗平臺,在此平臺上建設(shè)豐富的單片機(jī)虛擬仿真實驗項目[2]。 根據(jù)教學(xué)大綱,我校“微處理器與接口技術(shù)”主要以C51 單片機(jī)為例,講授此類微處理器的硬件結(jié)構(gòu)和常見接口技術(shù)。 實驗教學(xué)的重點(diǎn)是學(xué)生掌握常見的單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境,利用C51 語言編寫程序控制各功能部件,學(xué)會軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試,達(dá)到靈活使用微處理進(jìn)行電路設(shè)計的目的[3]。 此次實驗教學(xué)改革主要依照實驗箱的硬件設(shè)備能開設(shè)的實驗項目,結(jié)合虛擬仿真實驗技術(shù),設(shè)計了6 個虛擬仿真實驗,這些實驗項目既能采用虛擬仿真方式完成,也能在實驗箱上面具體實現(xiàn),打造了“虛實結(jié)合”的實驗環(huán)境,拓展了實驗的時間和場地,提升了實驗效果,具體實驗項目如表1 所示。

表1 虛擬仿真實驗項目

隨著教育信息化的普及,越來越多的課程采用線上線下混合式教學(xué)模式。 自2017 年起,我?！拔⑻幚砥髋c接口技術(shù)”課程便開展信息化教學(xué),先是利用QQ群、雨課堂進(jìn)行,而后錄制大量教學(xué)視頻,上傳到超星學(xué)習(xí)通平臺,建設(shè)了該門課程的線上課程。 目前,該課程已健全了豐富的線上、線下教學(xué)資源,采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式,取得了較好的教學(xué)效果。 隨著教學(xué)改革的深入,將信息化的教學(xué)手段也引入實驗教學(xué)改革,打造線上線下混合式的實驗教學(xué)模式。

2 項目的設(shè)計與實施

2.1 設(shè)計要求

此次實驗教學(xué)改革基于Proteus+ Keil uVision4 建設(shè)配套實驗箱的虛擬仿真實驗項目,利用超星學(xué)習(xí)通平臺,打造線上線下、虛實結(jié)合的翻轉(zhuǎn)實驗課堂。 以實驗教學(xué)中的“簡易數(shù)字鐘設(shè)計”為例。

2.2 資源建設(shè)

結(jié)合實際的實驗平臺,筆者建設(shè)了與之配套的線上實驗教程,主要包括實驗講解以及虛擬仿真實驗項目,并采用微課的方式呈現(xiàn)。 具體資源有實驗原理PPT、利用Proteus 仿真軟件設(shè)計電路圖、用Keil uVision4 編寫調(diào)試程序,并且錄制實驗原理講解、電路圖繪制、程序編寫、軟硬件調(diào)試的微視頻。 在超星爾雅慕課平臺上建立“微處理器與接口技術(shù)實驗”線上課程,并上傳教學(xué)資源,如圖1—2 所示。

圖1 超星學(xué)習(xí)通課程界面

2.3 具體實施

2.3.1 課前

圖2 簡易數(shù)字鐘虛擬仿真實驗

教師提前兩周在學(xué)習(xí)通上發(fā)布實驗的內(nèi)容和具體要求,學(xué)生通過線上學(xué)習(xí)實驗的原理講解等,然后利用課余時間在自己的電腦上嘗試進(jìn)行虛擬仿真實驗設(shè)計,利用Proteus 仿真軟件繪制原理圖,Keil uVision4 編譯程序,并進(jìn)行仿真調(diào)試,努力完成設(shè)計。 虛擬仿真實驗的原理及設(shè)計過程有詳細(xì)的教學(xué)視頻,學(xué)生可反復(fù)觀看,不受時間和空間的限制。 在此過程中,學(xué)生有疑問也可通過超星學(xué)習(xí)通平臺的討論區(qū)及QQ 群及時與教師交流。 在線下實驗前,學(xué)生將設(shè)計作品上傳到學(xué)習(xí)通平臺,教師及時進(jìn)行批閱,以掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。

2.3.2 課中

在線下的實驗課堂上,教師先將線上學(xué)習(xí)的情況進(jìn)行反饋,有針對性地講解實驗的重難點(diǎn)以及虛擬仿真階段出現(xiàn)的問題。 比如,本次實驗中,學(xué)生對程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)顯示理解起來有困難,筆者在面對面的教學(xué)過程中著重對這一知識點(diǎn)進(jìn)行詳盡的講解及演示。然后學(xué)生在具體的實驗箱上搭建真實的實驗系統(tǒng),利用Keil uVision4 集成環(huán)境進(jìn)行硬件仿真調(diào)試,直觀感受設(shè)計成果,線下實驗結(jié)果如圖3 所示。 經(jīng)過線上理論學(xué)習(xí)及虛擬仿真,學(xué)生對實驗內(nèi)容已經(jīng)很熟悉,能提出自己的困惑,教師在課堂上逐一詳細(xì)地指導(dǎo),能夠做到有的放矢,實現(xiàn)個性化的輔導(dǎo)。 因此,經(jīng)過線上線下的學(xué)習(xí),實驗時間得到了保證,實驗效果得到了顯著的提升。

圖3 線下實驗結(jié)果

2.3.3 課后

學(xué)生對設(shè)計進(jìn)行完善,可以利用虛擬仿真平臺進(jìn)一步擴(kuò)展實驗內(nèi)容,完成實驗報告。 本次設(shè)計中,大部分同學(xué)課后基于虛擬仿真實驗平臺擴(kuò)展了簡易數(shù)字鐘的功能,實現(xiàn)了整點(diǎn)報時、鬧鐘、顯示年月日等擴(kuò)展功能。筆者在線上平臺批閱報告,解答問題,可隨時隨地與學(xué)生進(jìn)行討論。

2.3.4 過程考核

采用線上線下混合式教學(xué),將考核過程分為線上學(xué)習(xí)+虛擬仿真+線下實驗+實驗報告,最終實驗成績由4 部分加權(quán)平均。 線上學(xué)習(xí)部分借助超星學(xué)習(xí)通平臺進(jìn)行管理,線下實驗過程中,筆者加入提問環(huán)節(jié),以此考查學(xué)生的真實掌握情況。 改進(jìn)后的考核方式更注重過程、更細(xì)致,能夠更好地管控整個教學(xué)活動,可以使學(xué)生更主動地參與實驗,提高學(xué)習(xí)效率。

2.4 實施效果

筆者基于超星學(xué)習(xí)通平臺、虛擬仿真技術(shù)及微處理器與接口技術(shù)實驗箱對2019 級通信專業(yè)8,9 班共95 人開展了線上線下、虛實結(jié)合的翻轉(zhuǎn)實驗教學(xué)活動:建設(shè)6 個完整的虛擬仿真實驗項目,發(fā)布36 個教學(xué)資源,86 個任務(wù)點(diǎn),6 次線上討論,6 次報告提交。 根據(jù)學(xué)習(xí)通平臺的課程報告:學(xué)生章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)16 000次,學(xué)習(xí)參與度在90%左右,學(xué)習(xí)時長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20學(xué)時。

圖4 課程學(xué)習(xí)進(jìn)度

3 結(jié)語

文章通過建設(shè)與實驗箱配套的虛擬仿真實驗項目,打造虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺,采用線上線下混合式的實驗教學(xué)模式,實現(xiàn)信息化實驗教學(xué)改革。 此次實驗教學(xué)改革利用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)手段,極大地擴(kuò)展了實驗時間和實驗場地,為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供了廣闊的環(huán)境;利用學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)平臺和微課等現(xiàn)代的教學(xué)方式,使學(xué)生可以利用碎片化的時間進(jìn)行學(xué)習(xí),體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)思路;并且加入過程化考核方式,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,師生之間的交流也更加頻繁流暢。 實驗教學(xué)表明,實驗改革提高了學(xué)生的自學(xué)能力及主動性,動手能力、分析能力也得到了很好的鍛煉,工程實踐能力得到很大的提升。