线上线下混合式实验教学改革研究——以“微处理器与接口技术”为例

汪文蝶,何 巍

(四川师范大学,四川 成都 610000)

0 引言

人工智能、万物互联等新兴技术的出现,对工程人员的知识和能力提出了新要求。 实践和实验教学是高校培养学生工程能力的重要环节,也是新工科建设过程中被广泛倡导的教学模式[1]。 “微处理器与接口技术”是我校通信工程、电子信息工程专业开设的专业核心课程,是一门实践性很强的应用课程,着重培养学生的工程思维能力、实践动力能力和创新能力,因此,实验教学在此课程中占据了重要的地位。 为顺应新形势,自2017 年开始,教学团队对“微处理器与接口技术”进行了一系列的教学改革,特别是利用信息化和虚拟仿真技术改变了传统的教学方式。 本文将主要介绍实验教学改革方面的进展,讨论如何在实验教学过程中采用虚拟仿真技术+实验平台进行线上线下混合式“微处理器与接口技术”实验教学改革。

1 重构教学内容

传统的“微处理器与接口技术”实验课程一共20个学时,5 个实验项目,每次实验3 个小时,主要在学校的实验室里面基于实验箱完成。 实验安排如下:首先提出实验任务,教师进行实验原理、实验电路的讲解,然后学生编写程序、连接电路进行软硬件联合调试,最终在实验箱上观察实验结果。 因该门实验课程对编程和电路的要求较高,综合性较强,大部分同学在编写和调试程序上需要花费大量时间。 在限定的地点、有限的时间内,只有个别优秀的学生能顺利地完成实验任务。 考虑到传统实验教学的局限性,为了打破实验地点和时间的限制,教学团队引入了虚拟仿真技术和线上教学平台对实验教学进行了一系列的改革。

虚拟仿真软件Proteus 是英国Labcenter 公司研发的嵌入式系统仿真开发软件。 Keil uVision4 是KEIL Software 公司出品的单片机集成开发环境,集编辑、编译、仿真等功能于一体。 基于Proteus + Keil uVision4可构造虚拟仿真实验平台,在此平台上建设丰富的单片机虚拟仿真实验项目[2]。 根据教学大纲,我校“微处理器与接口技术”主要以C51 单片机为例,讲授此类微处理器的硬件结构和常见接口技术。 实验教学的重点是学生掌握常见的单片机集成开发环境,利用C51 语言编写程序控制各功能部件,学会软硬件联机调试,达到灵活使用微处理进行电路设计的目的[3]。 此次实验教学改革主要依照实验箱的硬件设备能开设的实验项目,结合虚拟仿真实验技术,设计了6 个虚拟仿真实验,这些实验项目既能采用虚拟仿真方式完成,也能在实验箱上面具体实现,打造了“虚实结合”的实验环境,拓展了实验的时间和场地,提升了实验效果,具体实验项目如表1 所示。

表1 虚拟仿真实验项目

随着教育信息化的普及,越来越多的课程采用线上线下混合式教学模式。 自2017 年起,我校“微处理器与接口技术”课程便开展信息化教学,先是利用QQ群、雨课堂进行,而后录制大量教学视频,上传到超星学习通平台,建设了该门课程的线上课程。 目前,该课程已健全了丰富的线上、线下教学资源,采用翻转课堂的教学方式,取得了较好的教学效果。 随着教学改革的深入,将信息化的教学手段也引入实验教学改革,打造线上线下混合式的实验教学模式。

2 项目的设计与实施

2.1 设计要求

此次实验教学改革基于Proteus+ Keil uVision4 建设配套实验箱的虚拟仿真实验项目,利用超星学习通平台,打造线上线下、虚实结合的翻转实验课堂。 以实验教学中的“简易数字钟设计”为例。

2.2 资源建设

结合实际的实验平台,笔者建设了与之配套的线上实验教程,主要包括实验讲解以及虚拟仿真实验项目,并采用微课的方式呈现。 具体资源有实验原理PPT、利用Proteus 仿真软件设计电路图、用Keil uVision4 编写调试程序,并且录制实验原理讲解、电路图绘制、程序编写、软硬件调试的微视频。 在超星尔雅慕课平台上建立“微处理器与接口技术实验”线上课程,并上传教学资源,如图1—2 所示。

图1 超星学习通课程界面

2.3 具体实施

2.3.1 课前

图2 简易数字钟虚拟仿真实验

教师提前两周在学习通上发布实验的内容和具体要求,学生通过线上学习实验的原理讲解等,然后利用课余时间在自己的电脑上尝试进行虚拟仿真实验设计,利用Proteus 仿真软件绘制原理图,Keil uVision4 编译程序,并进行仿真调试,努力完成设计。 虚拟仿真实验的原理及设计过程有详细的教学视频,学生可反复观看,不受时间和空间的限制。 在此过程中,学生有疑问也可通过超星学习通平台的讨论区及QQ 群及时与教师交流。 在线下实验前,学生将设计作品上传到学习通平台,教师及时进行批阅,以掌握学生的预习情况。

2.3.2 课中

在线下的实验课堂上,教师先将线上学习的情况进行反馈,有针对性地讲解实验的重难点以及虚拟仿真阶段出现的问题。 比如,本次实验中,学生对程序实现数码管的动态显示理解起来有困难,笔者在面对面的教学过程中着重对这一知识点进行详尽的讲解及演示。然后学生在具体的实验箱上搭建真实的实验系统,利用Keil uVision4 集成环境进行硬件仿真调试,直观感受设计成果,线下实验结果如图3 所示。 经过线上理论学习及虚拟仿真,学生对实验内容已经很熟悉,能提出自己的困惑,教师在课堂上逐一详细地指导,能够做到有的放矢,实现个性化的辅导。 因此,经过线上线下的学习,实验时间得到了保证,实验效果得到了显著的提升。

图3 线下实验结果

2.3.3 课后

学生对设计进行完善,可以利用虚拟仿真平台进一步扩展实验内容,完成实验报告。 本次设计中,大部分同学课后基于虚拟仿真实验平台扩展了简易数字钟的功能,实现了整点报时、闹钟、显示年月日等扩展功能。笔者在线上平台批阅报告,解答问题,可随时随地与学生进行讨论。

2.3.4 过程考核

采用线上线下混合式教学,将考核过程分为线上学习+虚拟仿真+线下实验+实验报告,最终实验成绩由4 部分加权平均。 线上学习部分借助超星学习通平台进行管理,线下实验过程中,笔者加入提问环节,以此考查学生的真实掌握情况。 改进后的考核方式更注重过程、更细致,能够更好地管控整个教学活动,可以使学生更主动地参与实验,提高学习效率。

2.4 实施效果

笔者基于超星学习通平台、虚拟仿真技术及微处理器与接口技术实验箱对2019 级通信专业8,9 班共95 人开展了线上线下、虚实结合的翻转实验教学活动:建设6 个完整的虚拟仿真实验项目,发布36 个教学资源,86 个任务点,6 次线上讨论,6 次报告提交。 根据学习通平台的课程报告:学生章节学习次数16 000次,学习参与度在90%左右,学习时长远远大于20学时。

图4 课程学习进度

3 结语

文章通过建设与实验箱配套的虚拟仿真实验项目,打造虚实结合的实验教学平台,采用线上线下混合式的实验教学模式,实现信息化实验教学改革。 此次实验教学改革利用先进的虚拟仿真技术手段,极大地扩展了实验时间和实验场地,为学生的自主学习提供了广阔的环境;利用学习通网络平台和微课等现代的教学方式,使学生可以利用碎片化的时间进行学习,体现以学生为中心的教学思路;并且加入过程化考核方式,激发了学生的学习热情,师生之间的交流也更加频繁流畅。 实验教学表明,实验改革提高了学生的自学能力及主动性,动手能力、分析能力也得到了很好的锻炼,工程实践能力得到很大的提升。