融合ADDIE模型的微機(jī)原理與接口技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

關(guān)鍵詞：微機(jī)原理與接口技術(shù)；ADDIE模型；微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)能力；自主學(xué)習(xí)能力

0 引言

微機(jī)原理與接口技術(shù)課程是高等院校理工科各專業(yè)必修的一門公共基礎(chǔ)課程，受眾面廣，與其他學(xué)科知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)緊密，具有理論性與綜合性強(qiáng)、技術(shù)應(yīng)用并重的特點(diǎn)[1]。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)應(yīng)用能力、提升崗位能力和未來戰(zhàn)爭(zhēng)核心能力素質(zhì)要求以及實(shí)現(xiàn)具備寬闊視野、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)課堂以教為中心，采用“理論知識(shí)講授結(jié)合動(dòng)手實(shí)操驗(yàn)證”的模式開展教學(xué)，學(xué)生習(xí)慣了被動(dòng)接受知識(shí)，缺乏主動(dòng)獲取知識(shí)和解決問題的能力，實(shí)踐操作能力也無法得到有效提升。針對(duì)此現(xiàn)狀，實(shí)踐將ADDIE模型應(yīng)用于微機(jī)原理與接口技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)中，以學(xué)生為主體，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的形式開展綜合實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)而提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和對(duì)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)能力。

1 ADDIE 模型概述

ADDIE模型是目前在國(guó)內(nèi)外教育界廣泛使用的一種經(jīng)典教學(xué)設(shè)計(jì)模型[2]。ADDIE是5個(gè)英文單詞首字母的縮寫，即分析（Analysis） 、設(shè)計(jì)（Design） 、開發(fā)（Development） 、實(shí)施（Implementation） 和評(píng)價(jià)（Evalua?tion） ，如圖1所示。這5個(gè)階段以分析和設(shè)計(jì)為前提，開發(fā)與實(shí)施為核心，評(píng)價(jià)為保障貫穿于模型各個(gè)環(huán)節(jié)。它們聯(lián)系緊密，密不可分，共同構(gòu)成了一個(gè)非線性、動(dòng)態(tài)的、循環(huán)的過程，具有系統(tǒng)性、針對(duì)性和保證性的特點(diǎn)。該模型將抽象的教學(xué)設(shè)計(jì)理念可視化，既有利于教學(xué)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化構(gòu)建與優(yōu)化，又確保了學(xué)生獲得職業(yè)和崗位所需的知識(shí)和技能，從而保證了課程設(shè)計(jì)與實(shí)施的高效性。

2 融合ADDIE 模型的微機(jī)原理與接口技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

ADDIE模式體現(xiàn)了教學(xué)設(shè)計(jì)理論模型的內(nèi)核和共同特點(diǎn)[3]，實(shí)踐以微機(jī)原理與接口技術(shù)課程為例，聚焦能力生成優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，將知識(shí)融于能力培養(yǎng)中，探索融合ADDIE模型的微機(jī)原理與接口技術(shù)綜合實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，該教學(xué)設(shè)計(jì)具體構(gòu)建過程如下。

2.1 分析階段

分析環(huán)節(jié)是整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)[2]，是確定教學(xué)目標(biāo)、設(shè)計(jì)教學(xué)計(jì)劃的前提，也是決定教學(xué)過程是否順利開展的關(guān)鍵因素，主要包含學(xué)情分析、課程分析和教學(xué)環(huán)境分析。

1） 學(xué)情分析。微機(jī)原理與接口技術(shù)課程一般在第5學(xué)期開設(shè)。在此之前，學(xué)生已學(xué)過“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”和“電子技術(shù)基礎(chǔ)”等課程，有一定的學(xué)科基礎(chǔ)、具備一定的計(jì)算思維和利用硬件技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。且在前期課程實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生已完成了7個(gè)基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，鍛煉了獨(dú)立思考能力和調(diào)試分析能力，但嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用開發(fā)能力有待提高。

2） 課程分析。微機(jī)原理與接口技術(shù)課程既是對(duì)“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“電子技術(shù)基礎(chǔ)”等前序課程知識(shí)的綜合運(yùn)用，也是學(xué)好如ARM、單片機(jī)、DSP等后續(xù)課程的先修課程[4-5]，起著承上啟下的作用[6]。這也決定了該課程實(shí)踐性強(qiáng)，注重學(xué)生綜合實(shí)踐能力的訓(xùn)練。

3） 教學(xué)環(huán)境分析。線下教學(xué)在微機(jī)原理與接口實(shí)驗(yàn)室展開。該實(shí)驗(yàn)室也是多媒體教室，設(shè)施完備，完全滿足課程教學(xué)需要。實(shí)踐環(huán)節(jié)，每人一臺(tái)電腦一套便攜式實(shí)驗(yàn)箱。課程組還精心選購(gòu)了一批實(shí)驗(yàn)設(shè)備與資源，用于開放式教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)需要。在課前和課后，學(xué)生可在“頭歌實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”上開展線上學(xué)習(xí)、測(cè)評(píng)、答疑、查閱資料、研究探討、作品展示交流等活動(dòng)。

2.2 設(shè)計(jì)階段

根據(jù)分析階段的結(jié)果，在設(shè)計(jì)階段課程組結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，采取“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)模式，以翻轉(zhuǎn)課堂和小組學(xué)習(xí)為主，將教學(xué)活動(dòng)分解為自主學(xué)習(xí)、理論講授、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、專題研討、創(chuàng)新實(shí)踐等形式。課前，教師發(fā)布綜合實(shí)踐任務(wù)：3～4人為一組，確定一個(gè)主題，主題范圍不定，要求能夠設(shè)計(jì)出滿足特定需求的系統(tǒng)，并在設(shè)計(jì)過程中考慮專業(yè)、軍事、安全、新技術(shù)以及創(chuàng)新等因素，并明確分工情況。

學(xué)生收到任務(wù)后，自由組隊(duì)、確定主題和組長(zhǎng)、明確小組組員分工情況，并通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、輔助教材、MOOC、微課、微視頻等各類線上線下資源自主學(xué)習(xí)，最終以問卷的形式提交對(duì)問題的思考。

課上，教師按照論點(diǎn)-論據(jù)-結(jié)論的模式針對(duì)專題問題與學(xué)生共同研討，進(jìn)行有效的和包容性的溝通和交流，最終凝練共識(shí)，并根據(jù)研討情況適時(shí)組織開放性實(shí)踐活動(dòng)，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力。

2.3 開發(fā)階段

以某小組的綜合實(shí)踐項(xiàng)目“核反應(yīng)堆艙安全環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置”為例，該項(xiàng)目的背景是：核艦艇較傳統(tǒng)艦艇具有航速快、運(yùn)行穩(wěn)定、隱蔽性好、續(xù)航力大等難以匹敵的優(yōu)勢(shì)，根本原因在于其裝備核反應(yīng)堆及相應(yīng)動(dòng)力系統(tǒng)。然而，核能是一把雙刃劍，核反應(yīng)既能產(chǎn)生用之不竭的清潔能源，也可能帶來難以承受的危險(xiǎn)。為保證核反應(yīng)堆安全正常運(yùn)行，小組成員依據(jù)堆艙內(nèi)部的環(huán)境條件判斷核反應(yīng)是否正常設(shè)計(jì)了基于microbit 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的堆艙安全監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，用于監(jiān)測(cè)堆艙內(nèi)部環(huán)境。除此之外，為了使堆艙更趨于自動(dòng)化和智能化，小組還設(shè)計(jì)了緊急處理堆艙時(shí)的特定功能，包括緊急停堆和人員檢修報(bào)時(shí)功能。

依托項(xiàng)目背景和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)支持，利用功能強(qiáng)大的主控板及其配套的一系列傳感器模塊，完整的“核反應(yīng)堆艙安全環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置”流程圖如圖2所示。

該項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)如下：

① 通過溫濕度傳感器和光敏傳感器測(cè)量堆艙環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度、輻射強(qiáng)度等，以判斷堆艙環(huán)境是否正常。若出現(xiàn)問題，則藍(lán)燈閃爍，蜂鳴器響，正常時(shí)則綠燈閃爍。

② 當(dāng)出現(xiàn)緊急情況需要緊急停堆時(shí)，進(jìn)行模擬重力停堆操作。當(dāng)模擬控制棒自由下落停堆失敗時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)將控制棒強(qiáng)制拉下，從而停止反應(yīng)堆工作。

③ 對(duì)操作人員檢修堆艙的緊急情況提供指導(dǎo)。當(dāng)開關(guān)被觸發(fā)（門開）時(shí)，燈變綠色。同時(shí)開始計(jì)時(shí)，數(shù)分鐘后，蜂鳴器響，紅燈亮，提示操作人員滯留堆艙時(shí)間過長(zhǎng)，應(yīng)立即離開。

2.4 實(shí)施階段

1） 模擬場(chǎng)景搭建

根據(jù)所學(xué)習(xí)的核安全知識(shí)，結(jié)合小組成員的動(dòng)手能力，首先進(jìn)行模擬堆艙和反應(yīng)堆的制作。制作要求如下：

①制作前進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證制作出的產(chǎn)品美觀耐用，便于重復(fù)試驗(yàn)調(diào)試；

②制作時(shí)結(jié)合真實(shí)情況查找相關(guān)資料，務(wù)必貼近現(xiàn)實(shí)，以達(dá)到良好的模擬效果；

③在制作的過程中預(yù)留出存放硬件設(shè)備的位置。

2） 硬件連接

①依據(jù)圖2，選擇模塊：microbit主板、溫濕度傳感器、光敏傳感器、碰撞開關(guān)、三色LED燈、Grove擴(kuò)展板、連接線、蜂鳴器、USB數(shù)據(jù)線、電機(jī)等；

②對(duì)選擇的模塊進(jìn)行輸入、輸出及數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)的分類；

③查閱擴(kuò)展板管腳資料，對(duì)每個(gè)模塊分配匹配的管腳并進(jìn)行連接。在項(xiàng)目實(shí)施過程中部分模塊的管腳分配如表1所示。

3） 代碼編寫

①計(jì)時(shí)模塊：實(shí)現(xiàn)人員檢修堆艙時(shí)的報(bào)警提醒功能，代碼如圖4所示。

②溫度模塊：實(shí)現(xiàn)通過檢測(cè)堆艙內(nèi)溫濕度來判斷堆艙是否正常，并進(jìn)行報(bào)警的功能，代碼如圖5所示。

③光敏模塊：通過檢測(cè)堆艙內(nèi)光照強(qiáng)度來模擬實(shí)際情況下的核輻射強(qiáng)度來判斷堆艙是否正常，并進(jìn)行報(bào)警。

④電機(jī)模塊：實(shí)現(xiàn)通過電機(jī)操縱控制棒下落進(jìn)行事故應(yīng)急處置的功能，部分代碼如圖6所示。

4） 代碼燒錄測(cè)試

在測(cè)試過程中，對(duì)各部分代碼先分別進(jìn)行檢測(cè)，待各部分檢測(cè)無誤后再進(jìn)行代碼整合，最后再在整體條件下進(jìn)行功能測(cè)試。

5） 硬件應(yīng)用

在功能檢測(cè)無誤后，將硬件安裝到之前制作好的堆艙模型中。安裝要求如下：

①做到隱藏式安裝，不影響堆艙自身的正常工作。

②硬件放置恰當(dāng)，不對(duì)船體造成較大負(fù)擔(dān)。

③安裝時(shí)考慮實(shí)用性，便于官兵使用。

6） 實(shí)際場(chǎng)景模擬監(jiān)測(cè)

當(dāng)以上各個(gè)步驟完成后，我們?cè)谀M堆艙中開展各種試驗(yàn)，來模擬海上可能遭遇的各種險(xiǎn)情，并觀察安全監(jiān)測(cè)裝置是否滿足功能性驗(yàn)證。

2.5 評(píng)價(jià)階段

評(píng)價(jià)階段是保障，也是持續(xù)優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。它由形成性評(píng)價(jià)（60%） 和終結(jié)性評(píng)價(jià)（40%） 兩部分組成。其中，形成性評(píng)價(jià)貫穿于ADDIE模型始終，而終結(jié)性評(píng)價(jià)是對(duì)各小組最終的實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行的總結(jié)性評(píng)估。

1） 形成性評(píng)價(jià)。形成性評(píng)價(jià)按照全程多元、量化客觀、反饋改進(jìn)的原則開展。一是將課前自主學(xué)習(xí)、課中課堂表現(xiàn)、課后自主實(shí)踐等教學(xué)活動(dòng)均納入考核評(píng)價(jià)范圍，從知識(shí)理解和評(píng)價(jià)能力素質(zhì)養(yǎng)成兩個(gè)維度實(shí)施全面評(píng)價(jià)。二是實(shí)施自學(xué)效果隨堂評(píng)、研討表現(xiàn)互評(píng)、實(shí)踐成果公開評(píng)。通過過程評(píng)價(jià)引導(dǎo)和點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。三是全面客觀量化表征。除了隨堂測(cè)有考試、技術(shù)文檔有報(bào)告可直接反映學(xué)習(xí)態(tài)度和成績(jī)外，針對(duì)研討活動(dòng)、項(xiàng)目答辯匯報(bào)等能力評(píng)價(jià)，實(shí)行“學(xué)生自評(píng)+學(xué)生互評(píng)+教師評(píng)價(jià)”的模式，并將主觀評(píng)價(jià)結(jié)果量化。

2） 終結(jié)性評(píng)價(jià)。終結(jié)性評(píng)價(jià)是對(duì)學(xué)生階段性學(xué)習(xí)的質(zhì)量做出結(jié)論性評(píng)價(jià)?？己藘?nèi)容包括軍事價(jià)值、創(chuàng)意價(jià)值、作品展示、技術(shù)文檔、作品代碼和團(tuán)隊(duì)合作6個(gè)維度，如表2所示。

3 結(jié)論

微機(jī)原理與接口技術(shù)是一門應(yīng)用性、綜合性、實(shí)踐性均很強(qiáng)的課程，應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)能力。融合ADDIE模型的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，突出了學(xué)生的主體地位、培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、有助于鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐意識(shí)、強(qiáng)化了學(xué)生能力培養(yǎng)、增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、立起了向戰(zhàn)為戰(zhàn)的鮮明導(dǎo)向。實(shí)踐表明：在課程考核中，歷屆學(xué)生都取得了良好的成績(jī)，學(xué)生對(duì)課程教學(xué)的滿意度達(dá)到了95%以上。學(xué)生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新實(shí)踐能力和學(xué)科競(jìng)賽水平等均得到顯著提升。