線上線下混合式實驗教學改革研究
——以“微處理器與接口技術”為例

汪文蝶,何 巍

(四川師范大學,四川 成都 610000)

0 引言

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

1 重構教學內(nèi)容

傳統(tǒng)的“微處理器與接口技術”實驗課程一共20個學時,5 個實驗項目,每次實驗3 個小時,主要在學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,教師進行實驗原理、實驗電路的講解,然后學生編寫程序、連接電路進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試,最終在實驗箱上觀察實驗結果。 因該門實驗課程對編程和電路的要求較高,綜合性較強,大部分同學在編寫和調(diào)試程序上需要花費大量時間。 在限定的地點、有限的時間內(nèi),只有個別優(yōu)秀的學生能順利地完成實驗任務。 考慮到傳統(tǒng)實驗教學的局限性,為了打破實驗地點和時間的限制,教學團隊引入了虛擬仿真技術和線上教學平臺對實驗教學進行了一系列的改革。

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可構造虛擬仿真實驗平臺,在此平臺上建設豐富的單片機虛擬仿真實驗項目[2]。 根據(jù)教學大綱,我校“微處理器與接口技術”主要以C51 單片機為例,講授此類微處理器的硬件結構和常見接口技術。 實驗教學的重點是學生掌握常見的單片機集成開發(fā)環(huán)境,利用C51 語言編寫程序控制各功能部件,學會軟硬件聯(lián)機調(diào)試,達到靈活使用微處理進行電路設計的目的[3]。 此次實驗教學改革主要依照實驗箱的硬件設備能開設的實驗項目,結合虛擬仿真實驗技術,設計了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模式。 自2017 年起,我校“微處理器與接口技術”課程便開展信息化教學,先是利用QQ群、雨課堂進行,而后錄制大量教學視頻,上傳到超星學習通平臺,建設了該門課程的線上課程。 目前,該課程已健全了豐富的線上、線下教學資源,采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學方式,取得了較好的教學效果。 隨著教學改革的深入,將信息化的教學手段也引入實驗教學改革,打造線上線下混合式的實驗教學模式。

2 項目的設計與實施

2.1 設計要求

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

2.2 資源建設

結合實際的實驗平臺,筆者建設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實驗”線上課程,并上傳教學資源,如圖1—2 所示。

圖1 超星學習通課程界面

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

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

2.3.2 課中

在線下的實驗課堂上,教師先將線上學習的情況進行反饋,有針對性地講解實驗的重難點以及虛擬仿真階段出現(xiàn)的問題。 比如,本次實驗中,學生對程序?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過程中著重對這一知識點進行詳盡的講解及演示。然后學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)境進行硬件仿真調(diào)試,直觀感受設計成果,線下實驗結果如圖3 所示。 經(jīng)過線上理論學習及虛擬仿真,學生對實驗內(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地指導,能夠做到有的放矢,實現(xiàn)個性化的輔導。 因此,經(jīng)過線上線下的學習,實驗時間得到了保證,實驗效果得到了顯著的提升。

圖3 線下實驗結果

2.3.3 課后

學生對設計進行完善,可以利用虛擬仿真平臺進一步擴展實驗內(nèi)容,完成實驗報告。 本次設計中,大部分同學課后基于虛擬仿真實驗平臺擴展了簡易數(shù)字鐘的功能,實現(xiàn)了整點報時、鬧鐘、顯示年月日等擴展功能。筆者在線上平臺批閱報告,解答問題,可隨時隨地與學生進行討論。

2.3.4 過程考核

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

2.4 實施效果

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

圖4 課程學習進度

3 結語

文章通過建設與實驗箱配套的虛擬仿真實驗項目,打造虛實結合的實驗教學平臺,采用線上線下混合式的實驗教學模式,實現(xiàn)信息化實驗教學改革。 此次實驗教學改革利用先進的虛擬仿真技術手段,極大地擴展了實驗時間和實驗場地,為學生的自主學習提供了廣闊的環(huán)境;利用學習通網(wǎng)絡平臺和微課等現(xiàn)代的教學方式,使學生可以利用碎片化的時間進行學習,體現(xiàn)以學生為中心的教學思路;并且加入過程化考核方式,激發(fā)了學生的學習熱情,師生之間的交流也更加頻繁流暢。 實驗教學表明,實驗改革提高了學生的自學能力及主動性,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。