基于QSPM 矩陣的單片機實驗課程效果評價探討

鄧鶴鳴

（湖北大學物理與電子科學學院，湖北 武漢 430062）

引言

單片機實驗是自動化、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)合實踐、軟件結(jié)合硬件的綜合性課程。這種與實際應(yīng)用結(jié)合緊密的工科課程，學生需要大量的實踐應(yīng)用，以提升其創(chuàng)新能力。大數(shù)據(jù)、云平臺和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)教學中，研究者設(shè)計了單片機課程的網(wǎng)絡(luò)教學流程，探討了虛擬仿真與實踐結(jié)合的模式，并設(shè)計了多種課程教學效果評價方法，但涉及單片機實驗課程考核評價，僅給出評價原則，且以學生為唯一對象的評價，不夠全面。教學效果的評價影響因素較多，本文采用QSPM 矩陣法和模糊數(shù)學法相結(jié)合的方法，建立了單片機實驗課程效果的評價模型，對課程進行量化評估，分析了教學過程性和實驗過程性的評估數(shù)據(jù)，對單片機實驗課程考核評價定量與定性分析，梳理教學及實驗過程的各種因素，通過教學反饋來提升教師的教學質(zhì)量和學生的實踐能力。

1 評價模型

單片機教學涉及理論部分和實驗部分，這兩部分的評價差異很大。理論部分教學評價受到主觀判斷影響，實驗部分教學評價相對客觀，單片機的功能實現(xiàn)是重要的評價指標。教學效果的評價影響因素涉及學生和教師兩大主要因素，包括學生的理論基礎(chǔ)、軟件功能設(shè)計及硬件能力，以及教師的理論水平和實踐水平。這種多因素的教學評價，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)學法，本文建立了單片機實驗課程效果的評價模型。

1.1 評價指標

參考文獻[4]，建立了基于QSPM 矩陣的單片機實驗課程效果評價模型，分析單片機實驗課程教學評價指標，主要包括教學與實驗環(huán)境、學生基本素質(zhì)、教師教學水平、學生協(xié)作水平、現(xiàn)場試驗結(jié)果等5 部分，各部分的詳細評估指標因素表示為，，…，，單片機試驗包括計數(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、雙機通信及PCB 設(shè)計、直流數(shù)字電壓表設(shè)計和步進電機控制設(shè)計等，表示為，，…，U；建立單片機實驗評價的QSPM 矩陣。

1.2 評價指標因素

單片機實驗課程效果評價因素較多，包括教學與實驗環(huán)境、學生基本情況、教師教學水平和學生團隊協(xié)作水平等。教學與實驗環(huán)境屬于典型客觀因素，網(wǎng)絡(luò)教學環(huán)境采用的平臺不同，給教學帶來的體驗略有不同，如互動式網(wǎng)絡(luò)教學會有直接相互評價的環(huán)節(jié)，給教學評估帶來便利；學生個體差異較大，基礎(chǔ)知識掌握情況、單片機基本技能以及學習風格等是了解學生基本學習情況的重要指標；教師的理論水平和實踐經(jīng)驗水平影響著學生的學習情況；采用分組形式進行單片機實驗，可以提升學生協(xié)作水平；利用教學過程性和實驗過程性數(shù)據(jù)，識別學生單片機實驗課程的學習效果，對單片機實驗課程進行量化評估，通過教學反饋來提升教學質(zhì)量。單片機實驗課程效果評價因素具體指標描述如下：

（1）教學與實驗環(huán)境，包括現(xiàn)場教學環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)教學環(huán)境、仿真實驗環(huán)境和實際操作環(huán)境，評價指標表示為~；

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

（3）教師教學水平，包括理論水平、實踐水平、指導能力，評價指標表示為~；

（4）學生協(xié)作水平，包括實驗?zāi)繕死斫馑健f(xié)同分工水平和分工實施水平，評價指標表示為~；

（5）現(xiàn)場實驗結(jié)果，包括軟件水平評估、硬件水平評估和功能實現(xiàn)程度，評價指標表示為~；

評價流程參考如圖1 所示，該流程參考文獻[4]，具體如下：

圖1 單片機實驗課程效果的評價流程

（2）采用9 分制對評價等級進行賦值，評價等級分別對應(yīng)9、7、5、3 四個分值，建立實驗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 的復合矩陣運算獲取，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 的復合矩陣運算，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、雙機通信及PCB設(shè)計、直流數(shù)字電壓表設(shè)計和步進電機控制設(shè)計等8 次單片機試驗進行了教學效果評價。考慮到學生的具體情況，采用“好、中、差”進行搭配，將28 個學生分成10 個團隊，獲取了單片機實驗課程效果的評價結(jié)果，其中某次現(xiàn)場試驗結(jié)果分析詳細見表1（p72）所示。根據(jù)表1 結(jié)果，分析教學過程性和實驗過程性數(shù)據(jù)，梳理教學過程中的各種因素。單片機實驗以報告的形式進行說明，包括實現(xiàn)原理、設(shè)計思路和技術(shù)總結(jié)，并交付單片機實驗實物。

表1 現(xiàn)場試驗結(jié)果分析表

根據(jù)表1 可知，軟件水平評估分析如下：

（1）10 個團隊均完成了學習目標，設(shè)計的軟件，大部分功能可以實現(xiàn)；（2）團隊2 和團隊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 分以上的團隊，程序代碼簡潔、語句流暢。

仿真水平分析如下：

（1）10 個團隊均完成了學習目標，采用proteus 軟件進行了仿真分析，基本實現(xiàn)了仿真分析；（2）團隊2 和團隊7低于8 分，基本完整；（3）9 分以上的團隊，仿真完整，功能完善。

功能實現(xiàn)分析如下：

（1）10 個團隊均完成了學習目標，基本實現(xiàn)了硬件設(shè)計以及焊接，實現(xiàn)了單片機的功能；（2）團隊2 和團隊7 低于8 分，硬件基本完整，焊接零亂，分區(qū)混亂；（3）9 分以上的團隊采用多種結(jié)構(gòu)分區(qū)，焊接美觀，布局簡潔。

現(xiàn)場試驗結(jié)果的總評分及特點評價分析如下：

（1）10 個團隊均完成了學習目標，9 分以上為50%，70~80 僅占20%；（2）這些團隊能夠充分理解單片機原理、設(shè)計方法和仿真實驗，并完成硬件設(shè)計，初步實現(xiàn)功能，可以將理論結(jié)合實際，完成實驗課程安排內(nèi)容；（3）9 分以上的團隊協(xié)作能力強，教學互動頻繁，軟件設(shè)計條理清楚，代碼簡潔，與實際相結(jié)合，圓滿完成單片機的焊接，并實現(xiàn)功能，這些團隊以團隊1 為代表；7 分~8 分的團隊協(xié)作較弱，分工不明確，教學互動差，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，以團隊7 為代表。

3 改進措施

單片機實驗課程屬于典型的工科課程，需要將實踐深度融入單片機實驗教學中，來提升學生單片機的動手能力，根據(jù)前面的結(jié)果，本文建議的改進措施如下：

（1）建設(shè)單片機實驗課程信息庫，包括優(yōu)秀的教學課件、教學參考的視頻、網(wǎng)絡(luò)視頻和教學互動研討視頻等；建立單片機實驗項目庫，收集優(yōu)秀學生的代表性作品、工業(yè)產(chǎn)品以及典型實驗案例等，建設(shè)課程教學的互動和反饋，包括理論學習分析、教學過程性和實驗過程性數(shù)據(jù)分析和教學評價分析。

（2）改進課程考核方式。單片機實驗需要充分鍛煉學生的處理能力，并通過檢驗學生的科學技能以及動手能力，提高自我責任感、主觀能動性和團隊協(xié)作能力；需要交付實驗原理、設(shè)計思路和技術(shù)總結(jié)，并交付單片機實驗實物；需要根據(jù)學生的個體差異來安排個性化教學服務(wù)，協(xié)助較差的學生掌握基礎(chǔ)知識，并掌握單片機所需的技能。

根據(jù)這些改進措施，調(diào)整了教學思路。該課程的期末考試成績80 分以上占78.6%，平均分86.5%，學生基本掌握單片機實驗課程。

4 總結(jié)

本文建立了單片機實驗課程效果的評價模型，獲取了單片機實驗課程效果的評價結(jié)果，分析了教學過程性和實驗過程性數(shù)據(jù)，梳理教學過程的各種影響因素，主要結(jié)論如下：（1）根據(jù)流程，對單片機實驗課程效果進行了評價，10 個團隊均完成了學習目標，9 分以上為50%，7 分~8 分僅占20%；（2）實驗?zāi)繕死斫獬浞值膱F隊，分工協(xié)作水平和實施水平相對較高；教師和學生的互動交流，可提升學生試驗理解水平，說明教學反饋的重要性；（3）提出了單片機實驗課程教學的改進措施，包括建設(shè)實驗課程信息庫和改進課程考核方式，獲得了很好的教學效果。