基于“掌上實驗室”的單片機課程考核方式探索

富雅瓊　許素安　陳錫愛　吳霞

[摘 要]針對單片機實踐教學中考核工具不多、手段不足等問題，探索“掌上實驗室”在實踐教學考核環節中的應用。通過開展分階段任務和即時反饋的平時實驗項目設計，培養學生解決復雜問題的能力;介紹了基于“掌上實驗室”的限制性命題與開放式命題實驗考核的實施方法及其優勢與不足，并探討了進一步的改進方向。通過基于“掌上實驗室”的考核方式改革，提高了學生實踐能力培養結果考察的效果，為目標導向的教育理念實施奠定了基礎。

[關鍵詞] 單片機;“掌上實驗室”;考核方式

[作者簡介] 富雅瓊（1983—），男，河北張家口人，工學碩士，中國計量大學機電工程學院高級實驗師，主要從事精密電測技術研究。

[中圖分類號] TP23? ? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）12-0121-04? ?[收稿日期] 2020-05-26

一、引言

單片機技術的理論與實踐教學是自動化專業課程體系中的重要環節，承接微機原理、編程語言等專業基礎課程，后續面向儀表設計和多門實踐類等實踐課程，同時是學生參與課外科技活動、科技競賽的重要支撐[1-4]。單片機技術類課程的教學目標與考核目標應同時兼顧對理論與實踐能力的考核[5-7]。在工程教育專業認證“復雜工程問題”理念對課程考核方式提出多樣化要求的背景下[8，9]，有必要針對單片機技術理論與實踐教學目標展開考核方式的研究。

“掌上實驗室”是傳統單片機實驗箱的有益替代或補充，其顯著特點是體積小、方便攜帶，因此又被稱為“口袋實驗室”“口袋板”等。2013—2020年，中國計量大學自動化專業自行開發并持續改進了基于STC51單片機的掌上實驗室（或稱口袋實驗室）[ 10 ]，以支撐學生單片機技術工程實踐能力培養目標的實現，特別是解決了單片機技術實踐能力考核工具不便、手段不足等問題。本文對相關的教學改革經驗進行總結與討論。

二、掌上實驗室實施概況

（一）“掌上實驗室”介紹

我校單片機技術課程以MCS51單片機為教學對象。考慮到成本和易用性，最終選用與MSC51兼容的國內宏晶公司的STC51系列作為“掌上實驗室”的核心單片機。“掌上實驗室”系統設計遵循三個基本指導思想：保證課程教學大綱教學內容與基礎實驗項目的開展;保證滿足實踐環節考核的需求;滿足新技術、新實驗項目補充的需求。“掌上實驗室”套件的整體構成（如圖1所示），劃分為功能模塊和連接器板兩部分。功能模塊與連接器板之間通過雙列直插排針/排母實現連接。與Launchpad等產品的不同之處在于，本文設計的連接器板具有可級聯擴展特性，充分滿足了針對新技術發展的實驗項目持續改進需求。

“掌上實驗室”實驗功能模塊可概括為三類：核心（MCU）模塊，即單片機最小系統模塊，板上集成有USB轉UART接口及IAP仿真下載電路;基礎實驗功能模塊，即根據教學大綱和實驗教學計劃開展的實驗項目，如外部中斷、LED、數碼管、矩陣鍵盤、AD/DA、UART等功能模塊;拓展實驗功能模塊，結合本校自動化專業特色開發了如循跡/避障小車、變送器、控制器等多個拓展功能模塊，用于開放實驗項目、課程設計、課外科技競賽培訓等。

（二）“掌上實驗室”實施情況

“掌上實驗室”2013年首先應用于我校自動化專業卓越工程師班的單片機課程的實驗教學中。經過數年完善與拓展，開發了多項基礎實驗和拓展實驗項目。“掌上實驗室”的應用場景從實驗教學逐步拓展至課程教學與考核環節中，從單一課程使用過渡到可支持多個獨立實踐教學環節使用，受眾從卓越工程師班擴大至自動化專業全部班級，為學生今后課外科技活動甚至參加工程項目奠定了良好的基礎。由于采用了USB轉UART的IAP程序下載/仿真模式，學生可直接將“掌上實驗室”與自己的筆記本電腦連接操作，一舉解決教學場地問題。此外，“掌上實驗室”成本低廉，可按1∶1人均比例安排發放，為靈活多樣的考核形式提供可能。

三、實踐考核方法設計

（一）課程目標與考核要求

以我校2017級自動化專業單片機課程大綱為例，該大綱從工程教育的角度出發，以“問題分析”“設計/開發解決方案”和“使用現代工具”三項畢業要求作為著眼點，旨在達成如下課程目的：理解微型計算機的基本概念與術語，熟悉單片機系統的典型構成，且具有面向基于單片機的實際測控系統復雜工程問題的理解能力;掌握單片機系統結構組成與工作原理，具備應用數學、自然科學、工程基礎和專業知識將工程問題轉為單片機系統設計需求的能力;熟練掌握單片機指令系統和編程方法，具備應用單片機技術將理論模型轉化為實際控制系統的能力。同時熟練掌握單片機中斷系統、外設和接口技術，具有運用單片機系統擴展設計實現檢測、控制及數據分析與處理的能力。

以上課程目標可以簡化為“問題提出、需求提煉、模型建立、系統設計”四個層次。僅以理論考試作為考試方式很難全面檢查課程目標達成情況，因此基于“掌上實驗室”摸索了多種實踐考核方式與方法。

（二）考核方法

課程的總評成績設計為四個環節考核成績的加權平均。四個環節分別是課堂表現與平時作業、平時實驗項目、集中實驗/大作品和理論知識筆試。在平時實驗環節和集中實驗/大作品兩個環節中，針對“掌上實驗室”的特點，形成適合學生的操作模式。

1.平時實驗項目。實驗教學的目的是讓學生將理論知識內化為工程實踐能力，除了常規的以實驗結果和實驗報告作為考核依據，還應關注學生在開展實驗過程中的問題分析、程序規劃、調試方法以及工程規范性等方面的表現。通過發放“掌上實驗室”給學生保管這一措施，延展了實驗項目的時空限制，教師有條件將課堂實驗教學與課后任務結合起來，布置有一定復雜程度的實驗項目，并在實驗項目中設計更細致的即時反饋環節。

以定時器實驗為例。開展該實驗項目時，將其拆分為三個有遞進關系的階段任務：配置定時器使得一個LED燈閃爍，其中閃爍周期小于定時器溢出時間;實現LED以更長的周期閃爍，要求閃爍周期超過定時器溢出時間;利用同一個定時器實現四個LED燈以不同的周期同時閃爍。

該實驗項目第一階段任務難度相當于課堂教學例程，學生很容易參考例程實現要求，通過直觀可視的形式檢驗調試結果;第二階段任務提升了難度，需要引入輔助計數器編程實現，但所提升的難度仍較有限;第三階段任務進一步提升難度，完成該任務需要對輔助計數器做多重運算與判斷，該任務與常見的工程化程序框架——時間片輪詢結構相關。在第一、第二階段任務的設置中，應注重實驗效果的可即時反饋性，以增強實驗學生的成就感;在第二、第三階段任務設置中，應加強“模型建立”“系統設計”思想，盡可能與工程背景、概念、方法相結合（圖2）。

使用傳統實驗箱設計并實現此類復雜實驗項目的可能性不大;但基于“掌上實驗室”則可以將實驗項目分拆成多個步驟，讓學生在課堂內實現部分任務并通過實驗結果的即時反饋獲取信心，從而達到鼓勵課下繼續探索完成復雜任務與思考的目標。

2.限制性命題實驗考核。盡管平時實驗項目能夠作為評估實踐教學效果的形式，但對于教師和學生而言，統一形式的集中考試仍然是兼具效率與公平的考核形式;因此我專業開展了基于“掌上實驗室”的限制性命題實驗考核，即時間限定、場地限定、題目限定。

考核時間設置在學期中段后每周的固定時間段，每周考核一定數量的學生，需多個周完成。期間開放校內網上實驗室預約系統，學生可自愿選擇考試時間，每周考核人數根據場地容量約滿為止。由于學生并非在同一時間考試，為防止試題泄露，編寫了包含120個題目的實驗考核題庫，學生通過抽簽方式選中題目。

考題設置要求完成的功能一般分為3～4項。前兩項要求一般為根據單個知識點或利用單片機單個外設可以完成的功能;后兩項要求一個適合的程序框架下的協調運行的2～3個模塊以形成一個具有初步復雜性的綜合性功能。考核評分依據分別是在規定時間內所有要求功能的實現程度占總比60%、設計規范性要求占總比20%、設計思路的合理性與創新性占總比20%。在該考核方式實施初期，參與考核的學生反饋感受到一定壓力。作者認為，在實踐考核中體現適當的時間緊迫感有益于學生體會工程任務期限這一常識，只是需保證總體難度符合教學目標及大部分學生掌握程度即可。

在近三年實驗場地改善的條件下，嘗試放寬了學生預約考核的次數限制，允許學生在對前期考核結果不滿意的情況下，經過加強復習后再次預約考試。該措施收到了積極的反饋效果，部分學生在第一次考核不理想之后，能夠總結經驗、彌補知識和能力缺陷，并再次挑戰獲得更好的成績。這項措施提高了學生自主參與實踐的積極性，對學習而言是一種閉環式的學習體驗。

3.開放性命題實驗考核。為了彌補考核方式在系統設計能力和團隊合作能力方面的不足，2018學年度在自動化專業部分班級嘗試了開放式命題考核方式。該考核允許學生組成不超過3人的小組共同完成作品。作品的選題不限，但選題需要滿足以下要求：第一，作品需包含信息的輸入與獲取，如傳感器信號的采集、鍵盤輸入、通訊指令接收等;第二，作品應該包含一定程度的數據處理、計算功能，如PID控制等;第三，作品要有結果的輸出，如數碼管的顯示、被控對象的動作等。允許用萬用板或腐蝕板焊接制作硬件，也允許用“掌上實驗室”的部分模塊加上自行制作的電路共同構成作品。作品以實物和設計說明書共同作為考核評分的依據。

四、考核方式比較與討論

（一）考核方法比較

在平時實驗項目中，“掌上實驗室”有助于復雜性實驗項目的開展，通過遞進式考核要求達到教學目標，是促進實踐教學效果的有益手段。但是僅以此作為教學目標的考核方式則不足以公平、全面的考查每個學生對于教學目標的達成度，因此設置統一、集中的實踐考核環節是有必要的。限制性命題考核的優點是考試紀律有保障，學生在限時項目中有緊迫感。該方式的評分依據客觀，參與考試者對于評分的公正性基本沒有異議。缺點是考核題目都由學生獨立完成，缺少了對于團隊合作能力的考察;特別明確的題目要求一定程度上限制了學生的創造力，對“問題提出”和“提煉需求”兩方面教學目標的體現不足。

開放性命題以團隊完成，彌補了限制性命題在協作、溝通能力考核方面的不足;學生在選題、需求分析、系統設計、軟硬件調試等一系列完整的過程中，各方面的能力可以獲得充分體現。缺點是實施過程可控性差，難以避免學生購買作品的現象，也存在團隊內部分工不合理，個別成員“劃水”現象。此外，作品的評價存在一定主觀性，尤其是如果采用學生互評的方式會導致“人情分”。

（二）改進方向討論

在基于“掌上實驗室”的單片機教學改革中，經歷了從限制性命題到開放性命題的過程，反映了綜合考查學生多種工程實踐能力的趨勢。針對過程中出現的問題，結合“掌上實驗室”的特點提出改進方向。

1.可以考慮嘗試“半開放”式命題即選題和創意放開，但是限定作品必須采用“掌上實驗室”的核心模塊或符合要求的接口定義。實施該方案需要向學生提供符合接口定義的萬用板和PCB圖紙文件，實現并不困難。在硬件方面的限制可以有效防止極少數學生購買作品等不誠信行為。

2.加強考核的過程管理，強調工程化的設計圖紙和源代碼簽名。利用Gitee等免費的網上代碼托管平臺中保留的完成作品過程中的修訂記錄等痕跡，同時綜合答辯情況評判團隊成員的貢獻度。

3.選擇有工程經驗的教師或工程師參與作品的評分與答辯，參與人數不宜少于3人，以求得盡量公平。

五、結論

在自動化專業的單片機技術教學改革中，“掌上實驗室”發揮了積極的作用。通過階段性實驗項目任務設置和即時反饋等手段，提高了實踐教學目標的達成度。“掌上實驗室”也為限制性和開放性命題的實踐考核環節提供了工具，通過制定合理的考試題目、考核方式、評價規則等，有效考查學生實踐能力培養結果，實現教學目標反饋的閉環式教育理念。在“掌上實驗室”推動的教學改革中，無論教學理念還是操作手段都還需要開展更深入探索，實現實踐育人理念。

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Abstract： Aiming at the problems of insufficient evaluation tools and insufficient means in the practice teaching of Single-chip Microcomputer course， the application of “Pocket Lab” in the practice teaching evaluation link is explored. Through the design of routine experiment projects with staged tasks and instant feedback， it promotes the cultivation of students ability to solve complex problems. This paper introduces the implementation methods of restricted and open propositions experiment evaluation based on “Pocket Lab” and their advantages and disadvantages， and discusses the future improvement direction. Through the reform of the evaluation method based on the “Pocket Lab”， the effect of the students practical ability evaluation has been improved， and the foundation has been laid for the implementation of the goal-oriented education concept.

Key words： Single-chip Microcomputer; “Pocket Lab”; evaluation method