基于QSPM 矩阵的单片机实验课程效果评价探讨

邓鹤鸣

（湖北大学物理与电子科学学院，湖北 武汉 430062）

引言

单片机实验是自动化、电子信息和通信等若干专业的必修课程之一，是理论结合实践、软件结合硬件的综合性课程。这种与实际应用结合紧密的工科课程，学生需要大量的实践应用，以提升其创新能力。大数据、云平台和虚拟现实等技术已经广泛应用于网络教学中，研究者设计了单片机课程的网络教学流程，探讨了虚拟仿真与实践结合的模式，并设计了多种课程教学效果评价方法，但涉及单片机实验课程考核评价，仅给出评价原则，且以学生为唯一对象的评价，不够全面。教学效果的评价影响因素较多，本文采用QSPM 矩阵法和模糊数学法相结合的方法，建立了单片机实验课程效果的评价模型，对课程进行量化评估，分析了教学过程性和实验过程性的评估数据，对单片机实验课程考核评价定量与定性分析，梳理教学及实验过程的各种因素，通过教学反馈来提升教师的教学质量和学生的实践能力。

1 评价模型

单片机教学涉及理论部分和实验部分，这两部分的评价差异很大。理论部分教学评价受到主观判断影响，实验部分教学评价相对客观，单片机的功能实现是重要的评价指标。教学效果的评价影响因素涉及学生和教师两大主要因素，包括学生的理论基础、软件功能设计及硬件能力，以及教师的理论水平和实践水平。这种多因素的教学评价，可以采用定量规划矩阵法（Quantitative Strategic Planning Matrix，QSPM）、数据流聚类算法、层次分析法等。QSPM 矩阵一直被认为能够定量地分析影响因素，梁伟等采用QSPM矩阵对线路金具进行定量评估，获取了金具寿命评估的结果，给金具研制提供了很好的建议。结合QSPM 矩阵法和模糊数学法，本文建立了单片机实验课程效果的评价模型。

1.1 评价指标

参考文献[4]，建立了基于QSPM 矩阵的单片机实验课程效果评价模型，分析单片机实验课程教学评价指标，主要包括教学与实验环境、学生基本素质、教师教学水平、学生协作水平、现场试验结果等5 部分，各部分的详细评估指标因素表示为，，…，，单片机试验包括计数显示器、指示灯/开关控制器、指示灯的循环控制、指示灯/数码管的中断控制、电子秒表显示器、双机通信及PCB 设计、直流数字电压表设计和步进电机控制设计等，表示为，，…，U；建立单片机实验评价的QSPM 矩阵。

1.2 评价指标因素

单片机实验课程效果评价因素较多，包括教学与实验环境、学生基本情况、教师教学水平和学生团队协作水平等。教学与实验环境属于典型客观因素，网络教学环境采用的平台不同，给教学带来的体验略有不同，如互动式网络教学会有直接相互评价的环节，给教学评估带来便利；学生个体差异较大，基础知识掌握情况、单片机基本技能以及学习风格等是了解学生基本学习情况的重要指标；教师的理论水平和实践经验水平影响着学生的学习情况；采用分组形式进行单片机实验，可以提升学生协作水平；利用教学过程性和实验过程性数据，识别学生单片机实验课程的学习效果，对单片机实验课程进行量化评估，通过教学反馈来提升教学质量。单片机实验课程效果评价因素具体指标描述如下：

（1）教学与实验环境，包括现场教学环境、网络教学环境、仿真实验环境和实际操作环境，评价指标表示为~；

（2）学生基本情况，包括基本知识水平、课程理论水平、实践能力和动手能力，评价指标表示为~；

（3）教师教学水平，包括理论水平、实践水平、指导能力，评价指标表示为~；

（4）学生协作水平，包括实验目标理解水平、协同分工水平和分工实施水平，评价指标表示为~；

（5）现场实验结果，包括软件水平评估、硬件水平评估和功能实现程度，评价指标表示为~；

评价流程参考如图1 所示，该流程参考文献[4]，具体如下：

图1 单片机实验课程效果的评价流程

（2）采用9 分制对评价等级进行赋值，评价等级分别对应9、7、5、3 四个分值，建立实验课程效果评估的评价等级集合P，结合P，选取常用白化权函数f(a)，其中，=1,2,3,4，=9，=7，=5，=3，分别对应P 的四个等级。

（3）在步骤（2）的基础上，获取矩阵灰色评估权值n，然后获取效果评估的灰色权矩阵R。

（4）获取效果评估的模糊综合评判矩阵B，B由判断矩阵综合权重w和灰色权矩阵R 的复合矩阵运算获取，其中w由步骤（1）获得，灰色权矩阵R 由步骤（3）获得。

（5）矩阵B 和评价P 的复合矩阵运算，可获得结果S。

2 评价结果分析

对计数显示器、指示灯/开关控制器、指示灯的循环控制、指示灯/数码管的中断控制、电子秒表显示器、双机通信及PCB设计、直流数字电压表设计和步进电机控制设计等8 次单片机试验进行了教学效果评价。考虑到学生的具体情况，采用“好、中、差”进行搭配，将28 个学生分成10 个团队，获取了单片机实验课程效果的评价结果，其中某次现场试验结果分析详细见表1（p72）所示。根据表1 结果，分析教学过程性和实验过程性数据，梳理教学过程中的各种因素。单片机实验以报告的形式进行说明，包括实现原理、设计思路和技术总结，并交付单片机实验实物。

表1 现场试验结果分析表

根据表1 可知，软件水平评估分析如下：

（1）10 个团队均完成了学习目标，设计的软件，大部分功能可以实现；（2）团队2 和团队7 低于8 分，软件功能，未能清楚说明，但程序代码较为完整；（3）9 分以上的团队，程序代码简洁、语句流畅。

仿真水平分析如下：

（1）10 个团队均完成了学习目标，采用proteus 软件进行了仿真分析，基本实现了仿真分析；（2）团队2 和团队7低于8 分，基本完整；（3）9 分以上的团队，仿真完整，功能完善。

功能实现分析如下：

（1）10 个团队均完成了学习目标，基本实现了硬件设计以及焊接，实现了单片机的功能；（2）团队2 和团队7 低于8 分，硬件基本完整，焊接零乱，分区混乱；（3）9 分以上的团队采用多种结构分区，焊接美观，布局简洁。

现场试验结果的总评分及特点评价分析如下：

（1）10 个团队均完成了学习目标，9 分以上为50%，70~80 仅占20%；（2）这些团队能够充分理解单片机原理、设计方法和仿真实验，并完成硬件设计，初步实现功能，可以将理论结合实际，完成实验课程安排内容；（3）9 分以上的团队协作能力强，教学互动频繁，软件设计条理清楚，代码简洁，与实际相结合，圆满完成单片机的焊接，并实现功能，这些团队以团队1 为代表；7 分~8 分的团队协作较弱，分工不明确，教学互动差，软件未能清楚说明，程序代码，格式完整，硬件功能分区较弱，基本完成硬件设计，以团队7 为代表。

3 改进措施

单片机实验课程属于典型的工科课程，需要将实践深度融入单片机实验教学中，来提升学生单片机的动手能力，根据前面的结果，本文建议的改进措施如下：

（1）建设单片机实验课程信息库，包括优秀的教学课件、教学参考的视频、网络视频和教学互动研讨视频等；建立单片机实验项目库，收集优秀学生的代表性作品、工业产品以及典型实验案例等，建设课程教学的互动和反馈，包括理论学习分析、教学过程性和实验过程性数据分析和教学评价分析。

（2）改进课程考核方式。单片机实验需要充分锻炼学生的处理能力，并通过检验学生的科学技能以及动手能力，提高自我责任感、主观能动性和团队协作能力；需要交付实验原理、设计思路和技术总结，并交付单片机实验实物；需要根据学生的个体差异来安排个性化教学服务，协助较差的学生掌握基础知识，并掌握单片机所需的技能。

根据这些改进措施，调整了教学思路。该课程的期末考试成绩80 分以上占78.6%，平均分86.5%，学生基本掌握单片机实验课程。

4 总结

本文建立了单片机实验课程效果的评价模型，获取了单片机实验课程效果的评价结果，分析了教学过程性和实验过程性数据，梳理教学过程的各种影响因素，主要结论如下：（1）根据流程，对单片机实验课程效果进行了评价，10 个团队均完成了学习目标，9 分以上为50%，7 分~8 分仅占20%；（2）实验目标理解充分的团队，分工协作水平和实施水平相对较高；教师和学生的互动交流，可提升学生试验理解水平，说明教学反馈的重要性；（3）提出了单片机实验课程教学的改进措施，包括建设实验课程信息库和改进课程考核方式，获得了很好的教学效果。