一流本科课程建设背景下“虚实”结合的单片机实验教学模式改革与实践

成玲

（中国石油大学（华东）计算机科学与技术学院，山东 青岛 266580）

0 引言

根据教育部《关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号）[1]文件中对线上线下混合式一流课程建设的思路，要求课程的基本实验教学单元由实体实验项目和虚拟仿真实验教学项目组成，以适应线上实验教学要求[2]。《单片机原理与技术》目前是我校物联网工程专业的专业必修课，其中实验教学支撑专业培养方案中三个指标点，而以往实验都以线下实体实验为主，迫切需要建设线上虚拟仿真实验平台，改革实验内容，探索能够适应线上线下“虚实”结合的实验教学新模式，以满足学生能力培养的要求。

1 原实验教学模式存在的问题

单片机开发是一项实用性很强的技术，涉及面广，其实验内容的选取、实验项目的设计要具有实用性和前沿性，但由于专业理论课程内容抽象难理解，学生学不透，容易产生厌倦感，造成“喜软怕硬”，目前的单片机实验内容主要以线下验证性和简单设计实验为主，实验项目内容缺乏创新性，挑战度不够，另外传统实验台实验资源配置可扩展性差，实验手段单一，导致学生自由发挥空间小，工程能力训练不足，解决复杂工程问题能力欠缺，实践教学效果不够理想。如2020年受疫情影响，学生无法返校，在实验室开展硬件实验就无法实现，为了满足教育部的“停课不停学”要求，单片机硬件类实验迫切需要探索新的线上线下相结合实验教学模式。

2 项目改革思路及改革内容

针对单片机传统实验教学模式的存在的问题，将虚拟仿真技术运用到单片机实验教学中，适应目前线上实验教学要求，探索虚拟仿真与实体实验相结合的硬件类实验教学新模式。利用Proteus仿真软件和KeilC51软件搭建一个虚拟的单片机实验室，学生可以不受时间和空间限制通过虚拟实验平台来设计单片机系统，进行仿真和验证电路设计的合理性，从而节省了制作实际电路板的过程，并且可以灵活、高效地修改电路的设计，不会产生元器件的损耗。

整合优化实体实验项目，同时引入先进的富有挑战度的虚拟仿真实验项目，“以兴趣为驱动，以能力为重点”制定实验目标，建立线上线下混合式虚拟仿真实验项目案例库，构建“基于典型项目的合作探究型学习模式”，通过科学的过程监控机制，实现考核客观化，重构现有专业实验课程体系。

2.1 “虚实”结合的实验教学新模式

针对不同的教学目标和教学内容，探索线上虚拟仿真与线下实体实验相结合的实验教学模式。线上提供丰富的视频教学资源，线下采用开放性、探究式的问题驱动教学，教学模式由知识和技术讲解转变为问题求解，设置“以所学知识解决专业实际问题”的教学环节，结合专业背景设计单片机应用系统。加速学生的知识转化、教学响应、知识交流与知识应用[3]。

按照知识点碎片化要求，精心选取单片机课程的知识核心和难点作为在线内容，利用虚拟实验平台提供线上实验；同时精心设置线下开放探究问题，开展以学生为中心的研究性教学，培养学生解决复杂问题的综合能力。虚拟仿真与实体实验相结合，并将线上仿真与线下实践同步互补、学生实验与课外科技活动同步互补协同推进。线下实验安排对硬件依赖较强的实验，包括系统设计实验等，另外引进“口袋”实验室概念开展实体实验；线上利用虚拟实验平台拓展实验环节的内容、时间和空间，既降低了单片机整体设计的风险和难度，调动了学生学习积极性，同时又增加了学生设计过程中的成就感和自信心，从而提升了学生的实践与创新能力。由于采用的实验技术与方法不唯一，设定的实验任务与内容多样化，拓展了学生自由发挥学习空间，有助于差异化、个性化培养。“虚实结合”的实验教学新模式的建设，必将重构现有的单片机专业实验课程体系。

2.2 案例式教学内容资源建设

通过引入符合学校人才培养目标、切合经济社会产业发展的虚拟仿真实验教学项目，建立线上线下混合式实验项目案例资源超市。在支持度、表现力和用户服务上进行三个举措，实现对案例库进行梳理、分类和提升并形成“资源超市”，以充分发挥对学生单片机实验和实习的支持作用，重构现有专业实验课程体系。线上虚拟仿真项目开展的流程是首先要求完成单片机实验方案设计和基础接口模块验证，配合单片机综合实习课程，在掌握单片机核心技术的基础上了解单片机系统设计的思路、方法和步骤以及训练学生解决实际工程问题的能力。通过设计完成一个具备创新性实用性的综合单片机系统，学生既能自主设计功能模块，又能够看到自己设计的模块在整个系统中的运行效果，使实验内容富有挑战性[4]。

根据线上线下混合式一流专业课程建设要求，虚拟仿真实验教学项目不应少于课程实验总学时的20%。进一步整合优化实体实验项目的内容，利用“线上课程空间、时间自由，线下动手实践性强的各自优势”特点，选取部分模块的实验内容直接在虚拟实验平台完成，将对硬件依赖性强的模块实验在线下完成，针对整合系统的模块缺乏独立性、综合实习开放程度不够全面、案例库利用率偏低这几个问题，对标金课建设中“两性一度”的要求，构建优质“资源超市”，保证学生有效结合自主课题和案例资源，提高案例库的利用率；课题上要求每层构建封闭系统，保证其能够独立于系统之外运行，之后进行应用耦合以实现综合系统。线上和线下有机结合的实验方式可有效拓展实践的内容以及实践的时间和空间，实现线上仿真与线下实践的互助互补。

根据一流“金课”建设要求中高阶性、创新性和挑战度的特点，构建“总-分-总”的优质单片机综合系统案例库，一方面保证学生能第一时间知道看到的案例使用什么技术、具备什么功能，之后根据自己的课题自由选择需要的技术、设备和理念，从而提高案例库的利用率，另一方面对前期积累的大量案例进行分析、归类，标注清楚其技术应用、适用范围和服务功能。首先注重学生知识、能力和素质的有机融合，将相关培养指标直接落到具体的案例中，确定总目标性，保证其高阶性；其次将每个案例进行封闭系统的碎片化处理，确定案例的可分解性，保证其创新性；最后让学生在开放式题目环境中自由发挥，争取能够结合相关模块融合其他计算机相关知识，进行应用耦合，确定案例再融合性，保证其挑战度。

为了让学生有更多的选择和启发，也为了应对自由探究模式下没有边界的指导需求，课题组成员基于单片机系统进行了大量的开发工作，目前这个学期已经在计算机科学、软件工程和物联网工程3个专业2018级本科生中进行初步尝试，实现了很好的教学反馈。学生利用虚拟仿真平台自主设计开发了“花样流水灯”、“十字路口交通灯”、“校园信息发布系统”等十几个富有创意和想象力的项目，获得了良好效果。

2.3 构建了多元化激励性评价考核体系

构建以过程评价与能力培养为导向的多元化、全方位考核评价体系，加强学生学习过程和综合能力评价，让创新人才脱颖而出。改革实验教学手段，建立科学的过程监控和评价机制，真正实现以学生为中心的培养目标。采用分组制，引导学生将实验项目当作开发“作品”一样完成。在考核方式上，增加了创新评价和协作能力评价两部分分值，真正实现以学生为中心的培养目标，激发学生思维创新能力。该阶段主要呈现教师与学生对应教学大纲指标点、共同参与被考核和考核、教学相长的实验效果。其中一组学生进行作品介绍和演示时，其他学生全都作为评委参与该组作品的评价、交流和探讨中。演示要求系统整体模型运行无误，进行现场作品演示和答辩。最后提交报告、开发文档、用户使用说明书、源代码、执行程序、演示视频和答辩PPT[5]。

分组协作、过程监控使实验考核方式及评分标准更加合理，实验教学模式更加科学。实践说明，重视过程监控、采用分组结题答辩，利用虚拟仿真实验平台开展线上实验教学，克服了硬件与学时上的困难，通过过程性学习评价、课程设计、参加竞赛、撰写课程专题论文和提交单片机作品，实施多元化考核，全方位保障实现人才培养目标。

3 课程实验改革成效

以“金课”建设为导向，进一步完善课程网络教学资源，打造一流精品课程，完善和申请正式出版课程教材、电子教材和实验教材。课程实验线上线下混合式教学的开展使学生学习主动性和实践能力明显提高。采用多层次、立体化项目载体开展创新实践教学改革，以创新实践能力为导向着力培养高质量复合型应用人才。探索“实际问题驱动，线上线下结合同步互动”的实验教学模式，实现多维度协同创新人才培养模式。教学资源建设不断丰富，包括多媒体课件、课程动画、实验指导、案例库、部分同学作品、虚拟仿真实验示例等网络教学资源，将单片机知识立体化、可视化展现。资源超市的构建不仅体现高阶性，也为后期学生的单片机综合实习提供了有力的资源支持。

4 结语

通过虚拟仿真实验教学改革，推动线上线下混合式实验教学建设，构建个性化、智能化、泛在化的实验教学新模式，形成了教学效果优良、专业布局合理和开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系。实验教学模式的改革与实践可以支撑高等教育教学质量的全面提高，贯彻立德树人的教育根本任务，培养学生成为新工科背景下，服务于社会的创新型人才。