工程训练“开源硬件编程”在线上线下混合式教学中的应用探究

陈小勤

（西南交通大学 工程训练中心，四川 成都）

随着媒体设备和媒体手段的丰富，线上教学越来越被人们所接受，线上线下混合式教学模式也越来越得到老师和学生的认可，尤其在实践课教学中发挥了比较大的作用[1]。

工程训练中心是高校大学生的实践基地，也是大学生实现创新的摇篮。以往，工程训练这类实践性超强的课程几乎100%都是在线下进行，2020年新冠疫情作为催化剂将诸如此类的实践课一一推到了线上。但实践毕竟是实践，最终需要动手操作，否则一切就是空谈，等于纸上谈兵，整个课程毫无意义。因此，我校的工程训练课将理论部分，如原理、知识要点、设备介绍、使用手册等拿到网上作为线上教学，实际操作则是线下教学，如此形成了线上线下混合的教学模式。

在线下实操前，学生可在线上反复学习或预习上课内容，为实操作准备，也可在实操时调出线上课的关键内容，专注于任务或项目制作，此模式类似于翻转课堂。“开源硬件编程”课作为我校工程训练中众多课程之一，其教学效果的好坏直接影响学生后期参加与开源硬件相关的各类比赛与创新活动，因此它在线上线下混合式教学中起着举足轻重的作用。本文旨在探究开源硬件编程课在线上线下混合式教学中的较优方案。

一 我校工程训练开源硬件编程课的实训内容

具代表性的开源硬件开发平台包括：Arduino、Raspberry Pi、BeagleBone等，其中Arduino更易于理解和使用，适用于各类专业学生[2-14]。因此，我校工程训练开源硬件编程课选择Arduino为学习对象，其内容分为三部分，分别为课程简介、Arduino相关知识和实训任务的介绍，如图1所示。

图1 开源硬件编程实训内容图示

二 开源硬件编程课的传统教学模式及存在问题

2020年之前，我校工程训练开源硬件编程课的教学全部在线下进行。整个课程含6学时，其中1学时为学生提前课外预习，5学时为课堂学习。课堂学习中，老师讲解第一和第二部分占1学时；剩下4学时为第三部分内容，老师举一个例，学生跟着完成一个任务。该教学方式的优点在于：任务练习时，老师一边举例学生一边做，遇到困难，老师当场演示，并帮助学生查找问题，因此，整个课程下来，在老师的带领下几乎所有学生都能完成布置的任务。但该教学方式的缺点在于：①课前，大部分学生并不预习，也不完成或胡乱预习作业，即完全零基础上课；②老师讲课占了很多时间，学生现学现做，内容不熟，知识掌握不牢；③整个课堂上，老师牵着学生走，学生缺少自主发挥的余地；④学生接纳知识的速度不同，完成各任务的速度也参差不齐，做完的学生只有等着没完成的学生，从而浪费了大量时间，来让部分学生跟上学习进度；⑤从考核角度来讲，在老师的带动下，表面上大家都完成了任务，几乎所有学生水平相当，其实不然，部分学生并不理解实质内容，甚至没有真正掌握完成整个开源项目的流程，所以，该教学方式不利于考查学生的学习效果，这样给出的考核成绩缺乏公平性与参考价值。

三 开源硬件编程课的混合式教学实施现状

2020年到来，殃及全球的新冠疫情暴发，为了阻断疫情的蔓延，2020年春季我国几乎所有高校全部延迟开学。由教育部发文，政府主导、高校主体、社会参与的方式，共同实施并保障高校在疫情防控期间的在线教学，实现“停课不停教、停课不停学”。我校的工程训练实践课也不例外。经学校和工程训练中心分管教学的领导研讨决定，工程训练的理论部分在线上进行，正常开学后进行实践操作部分的教学。

（一） 基于雨课堂平台的在线教学模式

2020年春季，我校工程训练课选择雨课堂为教学平台，并采用统一教学模式，具体为学生提前预习老师发布在雨课堂的资料或视频，占用大概一小时，每个教学班按课表进行在线两小时的在线课堂学习，剩余为三个小时的实操。

“开源硬件编程”在线上课的教学中，将图1中第一部分和第二部分的内容通过录制视频的方式，发布在雨课堂作为学生的预习资料和上课视频。雨课堂在线学习采用课堂答题的方式与学生互动并检查学生预习的情况，同时复习课前的重点知识。课堂上在线介绍实训任务并举例，由于时间短、内容多，只能以部分任务为例，来为学生演示。一堂课下来，除了答题与学生互动外，老师讲课及演示部分，由于学生手里没有开发板和元器件，只能观看不能操作，显得有些枯燥，经听课老师及专家建议增加仿真部分。这正如文献[15]借助虚拟仿真实践教学平台来展开混合式实践教学。

通过网上搜索与比较，适合Arduino仿真的平台如下表1所示。通过学习与使用比较，Autodesk公司推出的tinkerCAD在线仿真平台，最容易上手且不需要安装软件。以跑马灯为例，tinkerCAD的仿真界面如图2所示。学生在该平台可搭建电路，且该仿真非常贴近实际，如LED灯过压时会有炸裂显示等，起到了警示作用；学生还可模拟ArduinoIDE编程并上传看Arduino及电路的执行情况。整个过程逼真而有趣，使开源硬件编程在线课完全拿到了线上。通过加入tinkerCAD的仿真实施，发现同学们的学习兴趣高涨。因此后期开源硬件编程课选择tinkerCAD为仿真平台，实操时可直接把搭好的电路了编好的程序拷过来，在实物平台上运行，从而缩短了实际操作的时间。

表1 三种仿真平台比较

图2 跑马灯在tinkerCAD中的仿真

（二） 基于MOOC平台的线上自主学习模式

2020年秋季，学校正常开学后，学生的学习任务立马加重，除了本学期的理论课外，还有疫情期间遗留下来的各种实验与实训课。同时，工程训练中心除了补春季和暑期的实操课，还得开始本学期的线上与实操课，老师们的教学任务也更加繁重。再加上各专业学生的时间不统一，给教务排课也带来了巨大的挑战。

又经研讨决定将工程训练线上课内容传到MOOC平台，学生依照自己的时间，在实操课之前自由安排学习，在线答题与讨论作为线上学习成绩。这种教学方式的好处是时间安排灵活；而tinkerCAD仿真部分需要学生自学，于是tinkerCAD仿真部分又被制作成视频上传到MOOC平台，这也考查了学生学习的独立性。

（三） 线下实操部分的教学

线上学习无论采用哪种方式，学生都可反复学习，直到把没明白的内容弄懂。实操时，部分内容也可重新巩固，这与翻转课堂有着异曲同工之处。虽然tinkerCAD在线仿真可将理论和实践无缝衔接起来，但还是离不开具体实物的操作，具体内容如图3所示。

图3 开源硬件编程线下课的安排

四 开源硬件编程课在线上线下混合式教学中存在的问题及几点思考

（一） 存在的问题

上述开源硬件编程课基于雨课堂的线上线下混合式教学，完成了我校春季和暑期机械、力学、电气、信息专业1607人的实训；基于MOOC的线上线下混合式教学，完成了我校秋季物理、材料和生物专业560人的实训。总的来说混合式教学优点很多，如：线上课可以反复学习，为线下课奠定了坚实的基础；线上成绩记录明确，便于老师统计；基于MOOC平台的学习时间灵活，学生可根据自身情况而自由选择学习时间。但还存在如下问题：①基于雨课堂的学习，线上线下学习时隔太久，知识遗忘太多，此问题由于实际情况客观造成，后期应该不存在；②视频录制的质量很大程度上影响学生的学习效果；③线上学习过程中，学生遇到不能解决的问题，不能及时得到答疑和解决；④在实操时，对于文科专业的学生，大部分学生编程能力不强，动手能力差，部分学生要独立完成某个任务存在一定困难；⑤线上的学习、答题与讨论可能存在成绩不真实与互助的情况。

（二） 思考与改进

为提高开源硬件编程课在线上线下混合式教学质量，并针对上述问题做了如下几点思考与改进。

1.基于MOOC平台的学习，只需要求在实操前完成线上的学习即可，以保证学生有足够的学习时间且不易忘记。

2.将知识碎片化，案例典型化。“碎片”间相互独立，前后关联，便于理解、记忆知识和掌握技能。并通过典型案例培养学生主动学习的兴趣。

3.随时关注学生QQ群和教学平台，为学生答疑解惑，并主动监督未完成学习的学生；

4.由于时间关系且任务多，部分学生要在有限时间完成这么多任务存在一定困难，可将任务难度分级，比如分为必做和选做，对于有能力的学生可自主选择任务，如模拟输入输出的应用、舵机的应用均可作为选做任务；由此考核成绩还可按完成任务的多少和独立完成任务的时间打分，这样具有一定的实际意义和参考价值。

5.实操课堂上多与学生互动，同时考查学生在线学习的真实情况。

五 结语

新冠疫情作为催化剂，加速了工程训练此类实践课程的线上线下混合式教学模式的开展。开源硬件编程课通过两学期再加暑期短学期的教学实践证明，开源硬件编程非常适合线上线下混合的教学模式。这不仅是目前疫情期间不得不选的教学模式，也有望成为今后实践教学主流的发展方向。