雙創教育生態視域下實驗教學模式研究與實踐

張文倩，孟 潔

（1.西安航空學院 電子工程學院，陜西 西安 710077；2.太原工業學院 計算機工程系，山西 太原 030008）

引言

隨著新時期高校“雙創”教育（創新創業教育）改革的不斷深化，教育生態系統逐步向創新生態系統推進和演進。創新生態系統是一種開放式且與外界存在廣泛聯系的系統組織，其涵蓋校內教學和校外科研資源及產教融合等諸多方面的內容［1］。

高等教育是一個涉及多利益相關者的領域。教師群體、學生群體、高校管理人員、業界用人單位等都屬于相關利益群體。狹義的高校是教育生態系統，應有如下關鍵元素：（1）生產者：高校師生；（2）消費者：高校學科競賽、產教融合項目、業界用人單位；（3）分解者：社會組織、教育主管部門、就業的學生；（4）外部環境：高等教育發展環境、金融環境、社會文化環境。

在“雙創”視域下，多數應用型高等院校對教育生態系統構建的認識還不夠深入，以應用型本科電類專業課程為例，目前的專業課程內容體系具有知識內容陳舊、教學中用過時或淘汰的硬件產品作為案例、無法及時與業界接軌等，從而導致整個教學生態系統循環不暢甚至停滯。如何及時更新課程教學內容？如何將先修課程和后續專業課程有機結合［2］，形成具有高階性、創新性、實用性等特色的課程？這是應用型本科院校亟須解決的問題。

本文以“單片機應用技術”課程教學改革為例，融合相關電類基礎課和專業課的教學，完成多門課程教學內容的更新與融合，構建全新的電類專業課程內容體系，初步打造符合“雙創”要求的專業課程系列，與學科競賽實踐及產業界生產實踐接軌，在教育生態系統中形成良好的閉環反饋。

“單片機應用技術”課程是高等院校電子工程學院各專業的一門專業核心課程，也是一門應用性極強的綜合性課程，是硬件設計與軟件編程的有機結合，其包含理論和實踐兩部分。為了適應工程領域對創新應用型人才的迫切需求，如何強化實踐教學、培養動手能力強的人才，是高等教育面臨的重要課題。

傳統的教學方式多為先理論、后實踐，實驗課與理論課無法同步進行，這不僅與“單片機應用技術”課程的特點嚴重不符，也會讓學生感覺理論知識內容抽象晦澀、乏味難懂，導致學習動力不足、學習興趣低下。

高校實驗室資源豐富，但普遍存在利用率偏低的問題，而且驗證性實驗多，創新性實驗少，總體實驗效果不佳，其原因在于多數專業基礎課的理論講授和實踐教學是分開進行的，即在教室里上理論課，在實驗室進行實驗，理論課和實驗課不同步，學生在課后無法及時完成實驗，沒有足夠的機會在實踐中理解與提高。這不僅造成了教學資源的分散，也使教學效果大打折扣。學生在理論課后需要去實驗室做實驗，但是由于實驗室開放時間和設備數量的限制，等到做實驗時，必定會有一定時間的延遲，從學習和記憶規律上來講，這樣做并不科學。

根據艾賓浩斯記憶保持曲線，人們在學習中的遺忘是有規律的，遺忘的進程開始很快，以后逐漸減慢。學生在學習理論知識之后若不能趁熱打鐵馬上進行相關實驗，學生理論和實踐結合的學習熱情會被沖淡，學習效率也會急劇下降。如何在黃金學習時間（學習理論知識后的1～2小時）內，讓學生迅速通過動手實驗鞏固學習效果呢？“碎片化實驗”創新教學模式是本文的研究與實踐重點。

一、“單片機應用技術”課程“碎片化實驗”創新教學模式

（一）“單片機應用技術”課程“碎片化實驗”的教學目標

我們通過“碎片化實驗”創新教學模式改革，希望學生能達到如下教學要求：有較強的自主學習能力，有較高的學習參與度，有層次有計劃地加深學習深度，將理論知識點靈活應用于實踐，從強調學習轉變為強調思考。

（二）“單片機應用技術”課程“碎片化實驗”的教學設計

“單片機應用技術”課程“碎片化實驗”的教學設計可拆分成若干個子單元，配合相應理論內容分為課上實驗和課下實驗兩部分。在課堂教學內容中，隨著理論內容的講授，可隨時切換到實驗模式，要求學生當堂用實驗完成相應的驗證和推論。比如，在講授單片機I/O口的理論內容時，插入“點亮一個LED”的實驗（課上實驗），讓學生很快領悟如何控制單片機I/O口輸出高低電平，進而控制各種外設。

遞進交互式課件（PPT）設計：添加新的教學元素。將課堂作為演示性教學資料的PPT課件，進行遞進交互式設計，在每堂課的前一天分發給學生，讓學生預習，并在適當的地方留出空白，讓學生在次日上完課后思考總結并填寫，從而形成完整的PPT資料。比如，在講授LED閃爍時，其理論重點是延時語句（或函數）的構建，在此處設置一張空白PPT，要求學生課后總結各種延時方法，并且比較其特點。

（三）創建“碎片化實驗箱”

1.單片機開發板“分體化”。每位學生上課需要攜帶自己的筆記本電腦和實驗開發板。開發板來源有三：一是隨教材配套的開發板，適用于初次學習單片機且學習基礎較普通的學生。二是學生按學習進度，用面包板和分立元件自己搭接，適用于模擬電子實驗基礎較強和動手能力較強的學生。三是學生自己焊接制作開發板，適用于有一定焊接經驗的學生。課程改革實驗班的學生大多使用第一種來源的開發板，即隨書配套的開發板。

2.實驗耗材“隨身化”。實驗耗材有兩個來源：一是學生自行購買。既可以在網上購買，也可以去電子市場購買，無論哪種購買方式，都需要學生正確識別各種元器件，區分同種元器件不同參數的細微差別，使學生在無形中加深了實物印象，實現理論與實踐的接軌。二是實驗室提供常見耗材，如焊錫、導線、電容、電阻等。學生如需使用大型測試儀器設備（如示波器）時，可向學校實驗室提前預約。

（四）課后學習模式跟蹤與設計

1.建立學習小組。三人一組構建課程學習小組，可在任意課后時間自行組織學習和討論。分組是按學生意愿自由組合，旨在提高學生學習的主動性，激發學生的團隊意識。學習內容由組長負責，每周在固定時間向任課教師匯報。

2.使用QQ群跟蹤學生的學習進度。由任課教師在課程開始時構建QQ群，學生自愿入群，主要在群內針對單片機的學習內容進行自由討論和教師在線答疑，也可由教師布置相應問題或話題，學生回答。利用QQ群答疑或提問，任課教師能在第一時間掌握學生的學習動態。

3.小組大作業（實驗設計和總結報告）。要求學生定期按授課內容進行階段性實驗總結，一般一次大作業是一個實驗主題，內含多個略有差異的遞進型小實驗，要求完成整理實驗代碼、添加注釋和分類歸檔等，養成良好的實驗資料保存習慣，形成易讀、易改的代碼編寫風格。

二、“單片機應用技術”課程“碎片化實驗”教學模式的成績評估與效果評價

在“單片機應用技術”課程的教學改革過程中，學生可以隨時隨地學習和做實驗，課上實驗成績作為平時成績的一部分納入期末考核之中。

（一）學生的總體感受

匿名問卷調查旨在得到實驗組學生關于學習憂慮與收獲的信息與想法。在匿名問卷調查中，學生的回答情況統計如下：總體學習感受有六個項目，項目內容和學生回答“是”的人數百分比如下：學習興趣濃厚（66%）、實驗時間自由（52%）、課堂互動性強（41%）、知識易于理解（38%）、學習進度更快（15%）。另外，部分學生感覺課堂教學進度快，之后詳細詢問其原因，大致可歸納為三點：一是課后復習和課前預習投入時間不足；二是C語言基礎薄弱，對C語言編程不熟練；三是學生對Keil IDE操作環境及開發板的硬件電路使用不熟悉。歸根結底就一點，學生投入學習的時間不夠。通常建議課堂1小時的授課內容，學生在課后至少用4小時的時間來復習理論和實驗練習。

（二）實驗完成情況統計

基本實驗以驗證性實驗為主，實驗內容涉及的知識點單一，一般是任課教師本節課授課的理論內容，程序代碼簡短，絕大多數學生在熟練操作實驗開發板的前提下用3～5分鐘即可完成。

引申（拓展）實驗是在基本實驗的基礎上，每次只改動一處，涉及一個新知識點，其理論內容并未事先告知學生，需要學生在思考之后修改相應代碼等，通過實驗現象分析歸納出新的知識點。通常需要10～15分鐘完成，當有學生正確完成之后，任課教師引導學生推論和歸納知識點。對于該部分實驗未在課堂內完成的學生，可在課后繼續完成引申實驗。

學生在課堂中基本實驗和引申實驗的完成情況統計如下：課堂限時完成時間分為四個檔，依次是3分鐘內完成、5分鐘內完成、10分鐘內完成和15分鐘以上完成。在上述四個時間段內，完成基本實驗的人數百分比依次是2%、5%、15%和42%，而完成引申實驗人數的百分比依次是2%、3%、5%和15%。如果上述相同的實驗項目改為課后不限時完成，則完成基本實驗的人數百分比為89%，完成引申實驗的人數百分比為72%。最終，基本實驗未完成人數的百分比為11%，引申實驗未完成人數的百分比為18%。

上述統計結果表明，只有極少數學生可以在課堂上完成基本實驗和引申實驗，大部分學生需要在課后不限時完成基本實驗和引申實驗，學生需要在課后投入相當一部分學習時間才能掌握所學知識。

（三）考試情況對比

為檢驗改革效果，以同一位教師授課的同一專業不同班級的學生為對象進行跟蹤研究，統計實驗組和對照組學生兩個學期的考試情況。在兩個學期的期末考試中，共有150 名學生參加了考試，其中碎片化實驗教學班（實驗組）102 人，普通教學班（對照組）48 人。選用不同學期相同專業的學生作為樣本，假設學生的總體特征不變，兩組學生考試成績的描述性統計詳見表1。如表1 所示，team 1 為實驗組（采用碎片化實驗的組），team 2 為對照組（不采用碎片化實驗的組）。從調查數據來看，實驗組的平均成績優于對照組。

表1 組統計

如表2所示，首先利用F統計量檢驗team 1與team 2的方差是否相等，由于F（0.632）對應的P值為0.428，大于顯著性水平0.05，所以不能拒絕兩組成績方差相等的假設，認為兩組學生成績具有相同的方差。然后進行均值的一致性檢驗，當方差相等時，t=2.802，顯著性水平0.006＜0.05，故認為team 1與team 2 的成績差異是顯著的，說明實驗組（team 1）的成績明顯優于對照組（team 2）。

三、后續改革構想

“碎片化實驗”教學法的研究結果表明，創新教學模式提高了學生對“單片機應用技術”課程的學習興趣，課堂中學生的參與度和獨立學習的能力有所提高，學生總體反映良好。實驗完成情況的統計結果顯示，近一半學生在課堂無法完成所要求的全部實驗，需要在課后繼續完成。經調查表明，這部分學生通常在課程內容的預習和復習上投入的時間較少，學習動力不足。如何進一步提高學生的課后學習效率將會成為我們的后續研究內容。期末考試情況統計（表1和表2）顯示，實驗組的成績明顯優于對照組，這說明“碎片化實驗”教學法的效果優于傳統教學法。這些實驗結果讓我們有信心將該教學法推廣到其他課程中。我們的后續改革構想如下：（1）建設教學網站或在線學習資源，提高學生的學習興趣，擴大課程的受益面。（2）組建跨年級學習小組，選拔學習興趣濃厚且動手能力強的學生組建跨年級學習小組，為參加各級各類創新創業競賽或完成實際工程項目提供人選。

表2 獨立樣本檢驗

綜上所述，此方法的實施效果（反饋、總結和評價）良好，“碎片化實驗”創新教學模式具有普適性，可在其他電類專業基礎課和專業課中繼續推廣。