教育數字化背景下機電專業混合式教學模式研究*
——以“單片機原理與接口技術”課程為例

莫偉強 ，劉 娜 ，尹新彥 ，陳 婷

（北京理工大學珠海學院，廣東 珠海 519088）

0 引言

黨的二十大首次提出了“推進教育數字化”的重要戰略方向，加速推進數字化教育在高水平教育體系中的建設，是在新時代建設教育強國的必經階段。通過利用數字技術深化課程資源的電子化、數字化改革，落實教育教學特色化、個性化，顯著提升教學質量，著力優化實驗實踐，是數字化課程建設探索落實特色創新、協同進步、開放共享、綠色發展等理念不可或缺的部分[1]。

粵港澳大灣區作為世界科創高地和創新人才焦點，更需要找到高水平復合型人才的創新培養模式。灣區高校明晰課程數字化改革的培養模式，探索國家平臺賦能灣區高校課程數字化轉型的理論依據，以教育數字化戰略積極推動教學資源共同建設、共同享有，教學信息互相聯系、互相通知，轉變傳統的師生教育與學習方式，在教育教學流程結構上進行變換，建立全面的教育教學評價體系，補充數字化教育治理，是實現教育高水平高質量發展的重要切口和非傳統路徑[2]。

作為灣區高校之一，北京理工大學珠海學院（以下簡稱“北理珠”）利用數字條件開展資源的生成和應用，深化課程教學改革，推動教育創新發展。結合教育數字化背景，本研究以機電專業“單片機原理與接口技術”課程為例進行線上線下混合式教學，通過實踐研究探索如何利用數字資源進行高效在線教學設計；如何組織在線教學活動并保證教學進度和質量；如何提高學生的自主、深度學習能力。

1 課程教學現狀

“單片機原理與接口技術”是一門實踐性和實用性都很強的課程。課程以51系列單片機為主，系統地介紹了單片機的結構與原理、單片機指令系統、程序設計、定時器/計數器、串行通信接口、中斷系統等知識。實驗方面基于單片機開發板，系統地講授了單片機開發環境的搭建，并設計應用實例（按鍵計數、蜂鳴器、跑馬燈、數碼管、溫度檢測、中斷計數等），力求幫助學生全面掌握單片機基本開發能力。課程內容緊密結合單片機基礎理論知識與單片機開發動手實踐，注重知識的典型性、代表性和實用性，培養學生綜合運用單片機知識解決實際工程問題的能力。

單片機課程是北理珠機械、機電、機器人專業大二學生的專業基礎課，教學對象的主要特點如下：

1）理論積累，實踐不足。學生經過近兩年的學習具備了一定的專業基礎，想要提高自己的實踐能力，但學習編程語言、電路知識后仍然不知道如何完成控制任務。

2）學習需求多樣，基礎參差不齊。大二的學生開始接觸各種學科競賽，有各種不同的創新想法和學習需求；他們的理論基礎參差不齊，學習習慣也各有特點。

3）班級多、學生多，老師少、交流少。單片機課程涉及教學班級多，包含的學生多，但對應的教師人數少，學生缺乏老師的精細指導，師生交流互動無法全覆蓋。

2 混合式教學的特點

基于以上存在的問題，北理珠“單片機原理與接口技術”課程教學團隊利用教育數字化的契機，推動單片機課程的教學改革，將傳統的線下單片機課堂教學與非傳統的線上數字化資源、電子教育平臺深度融合，實施以線上線下混合為特點的教學模式。

線下教學是傳統單片機課堂的重要部分，數字資源和數字平臺是創新性線上教學的有機組成，兩者需進行緊密結合，發揮各自的特色，彌補內部存在的缺陷。既能夠保留線下課堂教學中學生與教師面對面交流、實時解決問題的優勢，又可以突破時間和地點的限制，結合網絡課程大量豐富的學習資源，使教學方式更加靈活，使信息化手段更加多樣，目的是利于學生自主學習[3-5]。

在傳統“單片機原理與接口技術”課堂上，可以按照教學內容把課堂分為理論教學和實驗實踐兩個主要部分[6]。以線上線下混合為特點的新型教學模式，可以將整個教學過程劃分為空間和時間兩個維度，在理論教學和實驗實踐的過程中融入線上和線下教學部分。一方面按照空間進行劃分，把整個教學過程區分為線上部分和線下部分，另一方面按照時間順序把教學內容分為上課前、課堂中、下課后三個主要時間段。傳統的教學過程是以教師和教學課本為中心，而改革后的創新混合式教學方式，轉變成以學生和數字化教學資源為中心[7-8]。

3 混合式教學模式設計

3.1 混合式教學設計架構

“單片機原理與接口技術”線上線下混合式教學著重于“項目式教學”“以賽促教，賽教融合”。課程教學以工程案例為導向，基于“遞進式”教學法“基礎+綜合+創新”分層次教學。遞進式分層次項目式教學，建立循序漸進的機制，幫助學生分階段完成單片機學習，注重提高學生發現、分析、處理問題的能力。以理論與實踐相結合為主線，通過項目式教學，驅動學生在動手實踐過程中學習理論知識，在學習過程中反復操作，加強理解，能夠獨立完成技術案例，培養學生的創新思維和技術創新能力[9]。

每一位學生有不同的個性化學習需求，為了更好地滿足多樣化的學習需求，對數字化的單片機教學資源實施碎片化加工，便于更好地開展混合式教學。從學生的角度進行分析，不同的學生其學習基礎參差不齊，學習目標也不盡相同，對不同的知識點也有不一樣的掌握程度。根據多樣的學習需求，可以在課后有針對性地復習課內的重點難點，避免把大量的學習時間花費在已經掌握的知識點或者簡單的知識點上。從教師的角度進行分析，教學資源實施碎片化加工，能夠極大地提高教學的自由度。按照課程內的教學目標，教師可以自行設計專用的教學體系，通過把碎片化的知識內容重新排列組合，形成更符合個人教學風格的課堂內容，可以融入對分課堂、線上線下翻轉課堂、競賽案例剖析、專題講座等多種靈活的教學方式，充分利用碎片化教學資源。同時教師也可以根據線上、線下不同的學習進度以及實踐效果，及時調整教學進度，靈活調控教學方案和課程重點。

在教學資源的設計過程中結合數字化改革，應該遵循“課程設計系統化、課程教學結構化、數字資源碎片化”的設計原則，從實際需求出發，先到課程設計，然后是教學模塊，最后是課程重點，整理過程中的碎片化素材[10-11]。結合“單片機原理與接口技術”課程理論與實踐相結合的特點，課程內每個重要的知識點都配備大量的形式多樣的數字資源，其中包括電子課件、實踐教學視頻、實驗指導書、工程實例、理論動畫等。同時，也在每個知識點的學習后都設置了課后練習、知識點小測等，并方便學生檢驗掌握程度和學習效果。具體線上線下混合式教學設計架構如圖1所示。

圖1 線上線下混合式教學設計架構

以線上線下混合的方式進行教學，線上的數字資源和電子教學平臺是不可或缺的重要載體，更是數字化教學的重要工具。本研究選用超星學習通和中國大學MOOC 作為教學的平臺。超星學習通不同于其他常見的即時通信軟件，不單是具有分發文件、與學生交流互動等普通功能，還有更多的功能可實現多樣化的教學，豐富課堂的元素，例如電子考勤、線上翻轉課堂、不記名投票、課間測試、隨機提問等功能。

3.2 混合式教學過程實施

在“單片機原理與接口技術”課程中實施線上線下混合式教學，通過將傳統的課堂教學延伸擴展課前和課后的內容。整個教學過程劃分為三部分，即課前的知識傳遞、課中的內化擴展和課后的知識鞏固三個重要環節，三個環節中又可分為理論教學和實驗實踐兩條路線，具體教學過程實施如下。

1）課前知識傳遞。課前通過“六步訓練法”引入主要教學內容，教師提前在超星平臺上發布下一次課程的教學任務，另外包括上次課堂中的抽象定義、難理解的知識點、重點難點、課前討論、課后練習題等。這種課前的安排可以讓學生掌握課堂上講解的知識內容，在學習過程中監控學生對課前討論、學習任務點、課后練習題等任務的參與度，并獲得其相關的統計數據。部分計劃進行預習的學生也能在學習平臺上獲得學習的思路，并能提取總結之前學習中的重點難點，加深理解程度，這樣的課前任務起到了承上啟下的作用。

在實驗課前，則需提前發布實驗指導書，對實驗教學內容提前講解說明，告知實驗儀器使用注意事項等，激發學生對實驗內容的思考，并能提前對實驗內容進行預習，對涉及的知識點查漏補缺，加深對實驗的印象。同時，在課前階段教師要注意對實驗預習內容進行簡化，提煉知識要點，其中，實驗的關鍵步驟和關于安全的注意事項要重點突出。

2）課中內化擴展。課中引入“教師主導—學生主體”、線上線下同步翻轉、對分課堂和思政元素融入的混合式教學理念。在教學過程中，每次上課前5 min 可用于展示上節課內容的知識點樹狀圖，并提煉上節課抽象的、困難的知識點進行補充講解，加深學生的理解并加強其對該知識點的應用，適當加入學生問答互動環節。此過程中可充分利用超星平臺的多個功能，在超星平臺上提供簽到、發布練習題、隨機點名、投票、討論等多個功能，使得課中的教學活動更加多樣，更能提起學生的學習興趣，也能檢驗學生的學習效果。課中的內化擴展中也融入了傳統的課堂元素，包括采用板書或板書和PPT 相結合的形式，對本節教學內容進行剖析和教學，并在授課過程中適當巧妙地引入課程思政，既能體現課堂特色，又能引導學生的德育教學。

課中內化擴展在實驗課中同樣重要，實驗課中教師需要進行一次示例操作，正確進行一遍實驗過程，并提前準備，精心選取難點問題向學生提問，讓學生帶著疑問開始實踐操作。在學生操作過程中，教師需多走動多觀察，學生在實驗過程中遇到困難時要及時指導，對于畏難、不愿動手操作的同學，需要耐心教導正確指引。實驗期間，通常會發現一些特殊的、象征性的實驗現象，要求學生進行記錄并鼓勵學生據此多發表自己的意見，要啟發學生思考，鼓勵學生勇于表達自己的見解。一些實驗內容與工程案例中的原理相同或類似，對涉及的現象與原理給予解釋，讓學生對實驗內容和結果有更深刻的理解，更好地掌握實驗的目的和實驗的用途。同時，教師需要將正確的實驗操作過程和步驟錄成視頻，發布在超星平臺上，方便學生在實驗操作時可以反復觀看，更好地推進實驗的進行。

3）課后知識鞏固。課后引入作品創作、線上話題交流、課程線上筆記三階段運作，不斷激發學生自主學習能力，利用課后時間深度挖掘學生嵌入式知識技術創造力。學生在課后可通過中國大學慕課中相關課程進行知識點的鞏固，加深對重點難點的理解，同時，教師會在超星平臺上發布不同形式的課后練習題，在知識論壇上與學生交流探討，并在課后練習中采集錯題庫，能提前判斷知識點掌握較差部分，在課前的補充講解，有針對性地進行加強。在課后的知識鞏固過程中，鼓勵學生互相幫助互相講解，對教師提出的問題給出自己的答案，最后教師在線上進行問題答案的補充，充分調動學生的學習積極性。

在實驗課后，學生往往容易忽略對實驗的總結，并缺乏對類似問題舉一反三的能力[12]。故在超星平臺上結合實驗內容，發布類似的實際工程案例問題，明確工作環境、條件和參數，讓學生自主設計試驗方案，加強解決實際工程問題的能力。

3.3 混合式教學考核評價

按照以上方案，圍繞線上線下混合的模式開展教學。由于教學模式的更改，相應學生的考核評價機制也與傳統的考核方式有所不同。在教學方面從傳統的線下課堂教學擴展延伸，發展區分為線上與線下兩個維度。兩個維度的考核評價體系存在差異，其中線上考核評價結合超星學習平臺提供的統計數據，包括線上學習進度、與老師的互動情況、測驗成績、課后作業完成度等內容；線下考核評價主要由教師完成，包括出勤記錄、小組討論的積極性、實驗操作的正確性、期末考試成績等內容。在體現數字化、多元化的線上線下混合式教學評價體系中，最終的考核成績整合線上與線下評價體系得出，以此檢驗整個教學過程中的教學效果。

在建設混合式教學考核評價機制中，可借助超星學習通網絡平臺獲取學習行為數據，辨別學生的認知特征和偏好，了解學生知識點、技能點、素質點的掌握情況，對學習平臺留存的源頭數據進行分析，檢驗學生學習成果，及時對課程存在問題進行分析與改進，完善下一次的課堂教學。

4 教學成果

“單片機原理與接口技術”課程自進行混合式教學以來，校內督導與學生評教結果均為優良，位列北理珠前列。師生對課程給予了充分肯定：課前導學講解詳細全面，課后鞏固可以很好地梳理知識點，課中的擴展教學安排細心周到。線上數字教學資源豐富齊全，課程有力地支持高水平復合型人才的培養。

“單片機原理與接口技術”課程是學校線上線下混合式一流課程、廣東省在線開放課程。在提升課程內涵的同時，建立智能控制課群體系，協同教研，共同提升課群內涵，建設成果包括校級教改項目“嵌入式系統原理及應用”、廣東省教育廳協同育人項目“嵌入式與人工智能”課程實踐教學等。經過多輪的建設和迭代，該課程能激發學生對單片機、嵌入式技術的熱愛，學生的自主學習能力得到了顯著提高，課程相關的硬件電路設計、控制程序設計及創新實踐等能力均有提升。“單片機原理與接口技術”課程對學生的提升充分體現在統計數據上，參與“單片機原理與接口技術”課程的學生后續參加單片機相關的競賽數量多、覆蓋面廣、競賽項目質量高，在2020—2022年參與了全國大學生機器人大賽、中國大學生工程實踐與創新能力大賽、“合泰杯”單片機應用設計大賽等多項國家級、省級學科競賽，共獲獎項50余項。

5 結語

在教育數字化背景下，融合學院所處的粵港澳大灣區的地理環境優勢，以數字化資源為基礎，圍繞線上線下混合式教學模式進行創新改革。在改革過程中，“單片機原理與接口技術”課程以超星學習通作為混合式教學的線上平臺，學生在電子教學平臺上可以進行主動學習，而且可以與教師通過多種渠道進行互動。在課程建設過程中建立數字化教學資源，以生動形象的視頻音頻、幻燈片、動畫視圖等多種教學資源為學生帶來全新的學習體驗。混合式教學的教學形式多樣，學生通過線上的學習掌握理論知識，而且通過線下的實踐設計、實驗操作提升學習的自主積極性和過程參與度。超星學習平臺還能為教師實時推送專業相關的前沿知識新聞，用于擴展學生的知識面。

線上線下混合式教學是當前比較流行的一種教學模式，它突破了時間和空間的限制，讓學生在進行學習時有更多的選擇。充分且有效地利用線上資源，并在線上學習基礎上最大限度地發揮線下教學的作用是混合式教學模式的特色與關鍵。通過本研究的實踐與探索，實踐證明，以線上線下混合的教學模式為基礎推行教育改革，相比傳統教學模式，能夠在學習主動性、積極性方面更好地調動學生的熱情，培養學生的團隊協作意識，提高教學效果。