情境教学设计在单片机课程实验教学中的应用

姚 松，刘志勤

西南科技大学计算机科学与技术学院，四川 绵阳 621010

随着现代信息技术的发展及教育方式的转变，虚拟实验的设计和开发已成为趋势。构建虚拟实验能很好地补充传统实验教学，使学生更多地获得学习锻炼的机会。目前已开发出来的许多虚拟实验案例大都试图最大程度地模拟真实环境，通过网络对实验科目进行“实际操作”，模拟出来的实验具有很强的专业性和交互性。但是关于理论应用和联系实际的研究较少，重视了专业性和技术性的完成，却忽视了教学具体实施过程方法和教学设计的研究，造成的现象是懂专业知识的人能操作明白，而不懂专业知识的人却无从下手，这一点恰恰与精品课程所要求的目的背道而驰。

为了促进课程设计改革和创新，文章从精品课程中实验教学分析出发，以《单片机原理及应用》为例研究课程性质，尝试将教学设计思路融合在实验设计中，结合情境教学策略，以开发出适合精品课程的实验教学系统。

1 网络实验教学案例分析

1．1 单片机课程网络实验教学方式

一般网络课程甚至有些精品课程在设计实验教学部分时，几乎都是把实验目的、内容等以文本的形式线性地显示出来。这种“书本搬家”的方法在现在这种多媒体化的教学方式中已经不可取，那么行之有效的一种方式就是虚拟实验教学形式。

图1 计数器实验

案例一(如图1所示)是一个多学科虚拟实验教学平台，功能齐全。最大的优点是能动态对实验过程中的不同步骤进行实时评测，并建立其指导模型［1］。这是个很成功的模拟实验，可以为学习者提供很好的帮助。但是这种技术性很强的操作并没有给出合适并及时地帮助反馈，这种专业的模拟方法并不适合所有的学习者。例如:对网络课程初学者，当其对学习环境、学习目的等的理解不够充分时，难以激发学习兴趣，而且不知道从何开始甚至为何如此操作。由此可见，这种专业的模拟实验虽具有一定的针对性，却不适合作为精品课程中的实验教学设计方式。

一方面，许多重视实践性的课程实验模拟偏偏忽视实验环节的设计，甚至只是对实验指导的“文本搬家”;另一方面，在专业的模拟实验中，模拟效果虽具有针对性，却省去了大部分教学设计的时间，虽实现了使学习者在现实情境中获得动手能力和技能的目标，但无法培养学生通过学习获取解决实际问题的方法和能力。

1．2 精品课程中实验教学设计的方式

上述提到，很多精品课程对实验环节的设计不够重视，但随着课程改革与创新，出现了许多新颖的实验教学设计方式。通过对有特色的精品课程实验案例进行分析［2］，可以为本文的虚拟实验系统构建提供一些启示。

图2 Proteus仿真P1．0引脚波形

案例二(如图2所示)是一个国家级精品课程中单片机实验教学的设计，由Proteus建立虚拟仿真实验，软件本身功能强大，有真实明显的效果显示。这种实验教学设计方式最突出的优点是将实验结果清晰明了的呈现在学习者面前，使学习者对学习内容有全面的认识。但是在仿真过程中只有实例讲解，没有过程的演示，无法保证让学习者认真阅读文字内容并进行自主练习。

通过对相关案例进行深入分析，可以看出，运用专业的虚拟实验教学平台中设计实验的方式，对于构建精品课程实验教学是不够充分的。对比分析一些典型案例，总结出目前单片机课程虚拟实验建构存在如下问题:

①在设计实验初期，对学习对象的定位不够明确。单片机课程本身的强技术性使开发者过多地注重如何用技术来实现学习内容中的“技术”，从而全力以赴运用较强的技术去呈现实验本身，而较少地考虑学习者构建内部心理表征的过程。

②在设计实验过程中，教学侧重点不够全面。在实际实验中，学习者需要自己去进行电路连接或线路检查的操作，而这些操作及其引起的不必要的后果正是虚拟实验极力避免的。所以在设计实验时，将这些省去的精力转换为分析解决实验中存在的问题，也就是培养学习者解决实际问题能力的重要过程。

2 单片机虚拟实验教学系统设计要素

学习者学习单片机实验的过程就是从实践上获得关于单片机的感性认识，再由此上升为理性认识，最后再应用于实际生活中的过程，即知识的内化和迁移。这个过程从实质上来讲就是学习者的认知过程，所以，开发者构建的虚拟实验环境即“外部环境”要符合学习者的认知规律，才能有效促进学习者进行认知。基于以上分析，单片机虚拟实验教学系统的设计应注意:

2．1 学习者特征

不同的多媒体资源适合不同的使用者，对于精品课程中的实验教学对象，也存在特定的学习人群，即学习对象的定位。对学习对象的初始能力分析得知，学习者大多数是没有相关理论知识及实践基础的自学者，当面对这些新知识时，会产生茫然感，这就需要在教学设计时考虑如何明确地告诉学习者需要做什么，要怎么做以及为什么要这么做。另外，虚拟实验教学系统中要呈现的学习内容起点［3］、范围及知识量也都需要在教学设计中考虑到。

2．2 基于目标的情境设计策略

这个策略的选择是基于人的一种自然学习理念，当学习者面对抽象的事物(新知识)时，通常习惯于联系到具体的事物(旧知识)来进行理解和消化，那么现实存在的事物就会更具有说服力，更能引发学生的兴趣。所以，选择或创设一些与生活实际相关的、有趣的、真实的情境来启发学生的思维，这种情境不仅包括教学设计中情境的设计，还包括真实环境的逼真模拟，这是虚拟实验的一个基本要求［4］，也使整个实验的真实再现更有意义。

3 基于情境教学的单片机虚拟实验教学系统的构建

系统的总体目标是实现一个虚拟实验平台，该平台主要完成《单片机原理及应用》这门课程中所涉及到的基础实验、模拟实验环境、合理安排实验内容并进行教学设计，帮助学生完成课程规定的实验，实现网络实验教学。以下是以单片机课程中的一个基本实验—流水灯实验为例，结合FlashCS4设计的网络课程中一个实验的完整教学过程，该实验平台体现了以下教学设计理念:

3．1 从生活实际引入，激发兴趣

系统的第一个环节是实验引导，利用现实生活中存在的贴近人们生活的实例引入教学，具有一定的说服力和吸引力。因为，学习者在开始进入单片机世界进行实验时，可能无法确定流水灯实验是做什么的，为什么存在的，那么此时的引导可以使学习者产生“拨开云雾见天日”的感觉。因此，模拟真实的情境可以带领学习者进入到学习情境中，使其有信心和动力去进行后续的学习，并有助于引导学生循序渐进地获得主人翁感。

3．2 开始实验，探索原理

根据实验内容，实际进行操作时要编写相应代码［5］，实验的关键是通过程序的调试来掌握实验原理。为了将这一教学内容体现出来，在考虑到网络课程可接受和可行性的基础上，首先对该次实验进行分析，将要学习的知识点进行分类归纳，将学习者的操作行为与知识点联系起来，这一过程其实是学习者在操作的过程中进行知识点原理的探索过程，这一目标通过学习者操作的方式予以实现。

将单片机流水灯实验的学习目标中所涉及到的知识点进行归纳总结，实验模拟通过三个方面进行呈现，以供学习者进行实验练习。这三个方面的内容分别是延时、闪烁和端口设置。在模拟实验中的呈现方式是类似选项卡的方式(如图3①)，在FlashCS4中创建三个按钮元件作为选项卡按钮，并拖动到主场景中，学习者可以切换选项卡进行相关类别知识点的练习。在实际实验中，学习者需要反复调试程序代码，通过效果的变化了解其中的原理，所以在实验模拟中，为了尽可能地还原真实实验的一系列操作，除了提供给学习者归类之后的知识点外，还将相应的源代码也呈现出来，并且可以根据学习者的操作产生相应的变化(如图3中②③)。

3．3 情境模拟，还原实验

图3 单片机实验模拟

通常情况下，学习者通过操作得到适当的反馈，才能产生继续学习的动力。所以，在模拟实验中提供一个近似真实的环境，结合有效适时的交互，可以促进学习者进行准确积极的学习。为了实现这种功能，选择选项卡时会显示相应的单片机C程序，修改选项卡中的参数时，点击启动按钮后，C程序中相应的参数会发生变化，同时，图3④的电路原理图中流水灯会产生直观的变化效果。这一效果是通过Flash CS4中父类子类互相调用的方式来实现。一个选项卡中的变化设置为一个子类，通过父类调用将结果显示在主场景中，下列代码在子类(代表一个选项卡)中实现了显示在主场景中结果的一部分的效果，将修改的参数值转化后在源代码窗口中的相应位置进行覆盖:

FaObj=Object(this)．parent;

Tms=uint(vPane．inTms．text);

P=uint("0x"+vPane．inP2．text);

P2=P;

Code=vPane．txtCode．htmlText;

Code=Code．Split("@P2@")．join("0x"+P．to String(16)．toUpperCase());

Code=Code．Split("@tms@")．join(tms．toString());

FaObj．disCode．htmlText=Code;

该系统采用FlashCS4工具制作的虚拟学习平台形象地模拟出了真实单片机实验过程。Flash制作的动画效果使实验系统整体看上去舒服、清晰，给学习者一目了然的效果。除此之外，该研究利用Flash脚本语言实现了C程序在单片机中执行过程，通过修改延时、闪烁和端口等参数，使单片机程序和流水灯状态发生对应改变，初学者不仅可以直观观察到单片机的运行过程，还可以更好地理解程序如何控制单片机。

4 总结与展望

该研究思路注重单个实验教学设计，对每一个实验都做详细的教学设计分析，并将情境教学策略引入虚拟实验教学设计和开发中，设计了情境教学流程，并通过网络技术将情境教学设计策略诠释出来，通过理论探索与实例的开发，将教学设计理论和实践有效地融合，展现了一个新的虚拟实验方式。

该系统是假设硬件环境正常的情况下，学生不能改变源程序的条件下模拟实验效果，整个实验的模拟侧重于软件。要用纯软件的形式将这些过程模拟出来，难免会因为致力于模拟实验过程而顾此失彼，所以要将过程模拟作为虚拟实验教学系统的重要部分，使虚拟实验直接面向教育，最重要的是充分体现出交互。如单片机虚拟实验平台中，要有一个逼真的单片机实验板，上面的旋钮、开关、操作方法尽量与真实设备类似，学习者在适应模拟实验板的过程中既做到了适应性交互，又能形成一种操作习惯，适应实验环境的内化交互，再把实验本身作为教学内容呈现出来，在过程模拟成功的基础上采用一个交互模型来建构一个完整的虚拟实验教学系统。在下一步研究中，将实验教学的设计与“远程教学交互理论”进行分析及融合形成一个适合针对性课程的虚拟实验教学系统模型，将系统平台运用于远程学习资源的网络课程中，发挥实验教学的作用，为单片机课程这一类型的实验寻找一个合适的虚拟实验教学模式，并构建一种合适的技术方案。

［1］虚拟实验华中科技大学重点实验室．教学环境关键技术研究与应用示范课题［EB/OL］．http://grid．hust．edu．cn/support/read．php?wid=1，2009-06-25

［2］国家精品课程资源中心．国家精品课程资源网［EB/OL］．http://resource．jingpinke．com/，2010-12-09

［3］王朋．“单片机原理”实验教学体系建设［J］．电气电子教学学报，2010，32(5):107-108

［4］单美贤，李艺．虚拟实验原理与教学应用［M］．北京:教育科学出版社，2005:125-126

［5］韩晓春，程明霄，陈立娟．单片机仿真实验平台的设计［J］．徐州工程学院学报，2007，22(8):58-63