教育数字化背景下机电专业混合式教学模式研究*——以“单片机原理与接口技术”课程为例

莫伟强 ，刘 娜 ，尹新彦 ，陈 婷

（北京理工大学珠海学院，广东 珠海 519088）

0 引言

党的二十大首次提出了“推进教育数字化”的重要战略方向，加速推进数字化教育在高水平教育体系中的建设，是在新时代建设教育强国的必经阶段。通过利用数字技术深化课程资源的电子化、数字化改革，落实教育教学特色化、个性化，显著提升教学质量，着力优化实验实践，是数字化课程建设探索落实特色创新、协同进步、开放共享、绿色发展等理念不可或缺的部分[1]。

粤港澳大湾区作为世界科创高地和创新人才焦点，更需要找到高水平复合型人才的创新培养模式。湾区高校明晰课程数字化改革的培养模式，探索国家平台赋能湾区高校课程数字化转型的理论依据，以教育数字化战略积极推动教学资源共同建设、共同享有，教学信息互相联系、互相通知，转变传统的师生教育与学习方式，在教育教学流程结构上进行变换，建立全面的教育教学评价体系，补充数字化教育治理，是实现教育高水平高质量发展的重要切口和非传统路径[2]。

作为湾区高校之一，北京理工大学珠海学院（以下简称“北理珠”）利用数字条件开展资源的生成和应用，深化课程教学改革，推动教育创新发展。结合教育数字化背景，本研究以机电专业“单片机原理与接口技术”课程为例进行线上线下混合式教学，通过实践研究探索如何利用数字资源进行高效在线教学设计；如何组织在线教学活动并保证教学进度和质量；如何提高学生的自主、深度学习能力。

1 课程教学现状

“单片机原理与接口技术”是一门实践性和实用性都很强的课程。课程以51系列单片机为主，系统地介绍了单片机的结构与原理、单片机指令系统、程序设计、定时器/计数器、串行通信接口、中断系统等知识。实验方面基于单片机开发板，系统地讲授了单片机开发环境的搭建，并设计应用实例（按键计数、蜂鸣器、跑马灯、数码管、温度检测、中断计数等），力求帮助学生全面掌握单片机基本开发能力。课程内容紧密结合单片机基础理论知识与单片机开发动手实践，注重知识的典型性、代表性和实用性，培养学生综合运用单片机知识解决实际工程问题的能力。

单片机课程是北理珠机械、机电、机器人专业大二学生的专业基础课，教学对象的主要特点如下：

1）理论积累，实践不足。学生经过近两年的学习具备了一定的专业基础，想要提高自己的实践能力，但学习编程语言、电路知识后仍然不知道如何完成控制任务。

2）学习需求多样，基础参差不齐。大二的学生开始接触各种学科竞赛，有各种不同的创新想法和学习需求；他们的理论基础参差不齐，学习习惯也各有特点。

3）班级多、学生多，老师少、交流少。单片机课程涉及教学班级多，包含的学生多，但对应的教师人数少，学生缺乏老师的精细指导，师生交流互动无法全覆盖。

2 混合式教学的特点

基于以上存在的问题，北理珠“单片机原理与接口技术”课程教学团队利用教育数字化的契机，推动单片机课程的教学改革，将传统的线下单片机课堂教学与非传统的线上数字化资源、电子教育平台深度融合，实施以线上线下混合为特点的教学模式。

线下教学是传统单片机课堂的重要部分，数字资源和数字平台是创新性线上教学的有机组成，两者需进行紧密结合，发挥各自的特色，弥补内部存在的缺陷。既能够保留线下课堂教学中学生与教师面对面交流、实时解决问题的优势，又可以突破时间和地点的限制，结合网络课程大量丰富的学习资源，使教学方式更加灵活，使信息化手段更加多样，目的是利于学生自主学习[3-5]。

在传统“单片机原理与接口技术”课堂上，可以按照教学内容把课堂分为理论教学和实验实践两个主要部分[6]。以线上线下混合为特点的新型教学模式，可以将整个教学过程划分为空间和时间两个维度，在理论教学和实验实践的过程中融入线上和线下教学部分。一方面按照空间进行划分，把整个教学过程区分为线上部分和线下部分，另一方面按照时间顺序把教学内容分为上课前、课堂中、下课后三个主要时间段。传统的教学过程是以教师和教学课本为中心，而改革后的创新混合式教学方式，转变成以学生和数字化教学资源为中心[7-8]。

3 混合式教学模式设计

3.1 混合式教学设计架构

“单片机原理与接口技术”线上线下混合式教学着重于“项目式教学”“以赛促教，赛教融合”。课程教学以工程案例为导向，基于“递进式”教学法“基础+综合+创新”分层次教学。递进式分层次项目式教学，建立循序渐进的机制，帮助学生分阶段完成单片机学习，注重提高学生发现、分析、处理问题的能力。以理论与实践相结合为主线，通过项目式教学，驱动学生在动手实践过程中学习理论知识，在学习过程中反复操作，加强理解，能够独立完成技术案例，培养学生的创新思维和技术创新能力[9]。

每一位学生有不同的个性化学习需求，为了更好地满足多样化的学习需求，对数字化的单片机教学资源实施碎片化加工，便于更好地开展混合式教学。从学生的角度进行分析，不同的学生其学习基础参差不齐，学习目标也不尽相同，对不同的知识点也有不一样的掌握程度。根据多样的学习需求，可以在课后有针对性地复习课内的重点难点，避免把大量的学习时间花费在已经掌握的知识点或者简单的知识点上。从教师的角度进行分析，教学资源实施碎片化加工，能够极大地提高教学的自由度。按照课程内的教学目标，教师可以自行设计专用的教学体系，通过把碎片化的知识内容重新排列组合，形成更符合个人教学风格的课堂内容，可以融入对分课堂、线上线下翻转课堂、竞赛案例剖析、专题讲座等多种灵活的教学方式，充分利用碎片化教学资源。同时教师也可以根据线上、线下不同的学习进度以及实践效果，及时调整教学进度，灵活调控教学方案和课程重点。

在教学资源的设计过程中结合数字化改革，应该遵循“课程设计系统化、课程教学结构化、数字资源碎片化”的设计原则，从实际需求出发，先到课程设计，然后是教学模块，最后是课程重点，整理过程中的碎片化素材[10-11]。结合“单片机原理与接口技术”课程理论与实践相结合的特点，课程内每个重要的知识点都配备大量的形式多样的数字资源，其中包括电子课件、实践教学视频、实验指导书、工程实例、理论动画等。同时，也在每个知识点的学习后都设置了课后练习、知识点小测等，并方便学生检验掌握程度和学习效果。具体线上线下混合式教学设计架构如图1所示。

图1 线上线下混合式教学设计架构

以线上线下混合的方式进行教学，线上的数字资源和电子教学平台是不可或缺的重要载体，更是数字化教学的重要工具。本研究选用超星学习通和中国大学MOOC 作为教学的平台。超星学习通不同于其他常见的即时通信软件，不单是具有分发文件、与学生交流互动等普通功能，还有更多的功能可实现多样化的教学，丰富课堂的元素，例如电子考勤、线上翻转课堂、不记名投票、课间测试、随机提问等功能。

3.2 混合式教学过程实施

在“单片机原理与接口技术”课程中实施线上线下混合式教学，通过将传统的课堂教学延伸扩展课前和课后的内容。整个教学过程划分为三部分，即课前的知识传递、课中的内化扩展和课后的知识巩固三个重要环节，三个环节中又可分为理论教学和实验实践两条路线，具体教学过程实施如下。

1）课前知识传递。课前通过“六步训练法”引入主要教学内容，教师提前在超星平台上发布下一次课程的教学任务，另外包括上次课堂中的抽象定义、难理解的知识点、重点难点、课前讨论、课后练习题等。这种课前的安排可以让学生掌握课堂上讲解的知识内容，在学习过程中监控学生对课前讨论、学习任务点、课后练习题等任务的参与度，并获得其相关的统计数据。部分计划进行预习的学生也能在学习平台上获得学习的思路，并能提取总结之前学习中的重点难点，加深理解程度，这样的课前任务起到了承上启下的作用。

在实验课前，则需提前发布实验指导书，对实验教学内容提前讲解说明，告知实验仪器使用注意事项等，激发学生对实验内容的思考，并能提前对实验内容进行预习，对涉及的知识点查漏补缺，加深对实验的印象。同时，在课前阶段教师要注意对实验预习内容进行简化，提炼知识要点，其中，实验的关键步骤和关于安全的注意事项要重点突出。

2）课中内化扩展。课中引入“教师主导—学生主体”、线上线下同步翻转、对分课堂和思政元素融入的混合式教学理念。在教学过程中，每次上课前5 min 可用于展示上节课内容的知识点树状图，并提炼上节课抽象的、困难的知识点进行补充讲解，加深学生的理解并加强其对该知识点的应用，适当加入学生问答互动环节。此过程中可充分利用超星平台的多个功能，在超星平台上提供签到、发布练习题、随机点名、投票、讨论等多个功能，使得课中的教学活动更加多样，更能提起学生的学习兴趣，也能检验学生的学习效果。课中的内化扩展中也融入了传统的课堂元素，包括采用板书或板书和PPT 相结合的形式，对本节教学内容进行剖析和教学，并在授课过程中适当巧妙地引入课程思政，既能体现课堂特色，又能引导学生的德育教学。

课中内化扩展在实验课中同样重要，实验课中教师需要进行一次示例操作，正确进行一遍实验过程，并提前准备，精心选取难点问题向学生提问，让学生带着疑问开始实践操作。在学生操作过程中，教师需多走动多观察，学生在实验过程中遇到困难时要及时指导，对于畏难、不愿动手操作的同学，需要耐心教导正确指引。实验期间，通常会发现一些特殊的、象征性的实验现象，要求学生进行记录并鼓励学生据此多发表自己的意见，要启发学生思考，鼓励学生勇于表达自己的见解。一些实验内容与工程案例中的原理相同或类似，对涉及的现象与原理给予解释，让学生对实验内容和结果有更深刻的理解，更好地掌握实验的目的和实验的用途。同时，教师需要将正确的实验操作过程和步骤录成视频，发布在超星平台上，方便学生在实验操作时可以反复观看，更好地推进实验的进行。

3）课后知识巩固。课后引入作品创作、线上话题交流、课程线上笔记三阶段运作，不断激发学生自主学习能力，利用课后时间深度挖掘学生嵌入式知识技术创造力。学生在课后可通过中国大学慕课中相关课程进行知识点的巩固，加深对重点难点的理解，同时，教师会在超星平台上发布不同形式的课后练习题，在知识论坛上与学生交流探讨，并在课后练习中采集错题库，能提前判断知识点掌握较差部分，在课前的补充讲解，有针对性地进行加强。在课后的知识巩固过程中，鼓励学生互相帮助互相讲解，对教师提出的问题给出自己的答案，最后教师在线上进行问题答案的补充，充分调动学生的学习积极性。

在实验课后，学生往往容易忽略对实验的总结，并缺乏对类似问题举一反三的能力[12]。故在超星平台上结合实验内容，发布类似的实际工程案例问题，明确工作环境、条件和参数，让学生自主设计试验方案，加强解决实际工程问题的能力。

3.3 混合式教学考核评价

按照以上方案，围绕线上线下混合的模式开展教学。由于教学模式的更改，相应学生的考核评价机制也与传统的考核方式有所不同。在教学方面从传统的线下课堂教学扩展延伸，发展区分为线上与线下两个维度。两个维度的考核评价体系存在差异，其中线上考核评价结合超星学习平台提供的统计数据，包括线上学习进度、与老师的互动情况、测验成绩、课后作业完成度等内容；线下考核评价主要由教师完成，包括出勤记录、小组讨论的积极性、实验操作的正确性、期末考试成绩等内容。在体现数字化、多元化的线上线下混合式教学评价体系中，最终的考核成绩整合线上与线下评价体系得出，以此检验整个教学过程中的教学效果。

在建设混合式教学考核评价机制中，可借助超星学习通网络平台获取学习行为数据，辨别学生的认知特征和偏好，了解学生知识点、技能点、素质点的掌握情况，对学习平台留存的源头数据进行分析，检验学生学习成果，及时对课程存在问题进行分析与改进，完善下一次的课堂教学。

4 教学成果

“单片机原理与接口技术”课程自进行混合式教学以来，校内督导与学生评教结果均为优良，位列北理珠前列。师生对课程给予了充分肯定：课前导学讲解详细全面，课后巩固可以很好地梳理知识点，课中的扩展教学安排细心周到。线上数字教学资源丰富齐全，课程有力地支持高水平复合型人才的培养。

“单片机原理与接口技术”课程是学校线上线下混合式一流课程、广东省在线开放课程。在提升课程内涵的同时，建立智能控制课群体系，协同教研，共同提升课群内涵，建设成果包括校级教改项目“嵌入式系统原理及应用”、广东省教育厅协同育人项目“嵌入式与人工智能”课程实践教学等。经过多轮的建设和迭代，该课程能激发学生对单片机、嵌入式技术的热爱，学生的自主学习能力得到了显著提高，课程相关的硬件电路设计、控制程序设计及创新实践等能力均有提升。“单片机原理与接口技术”课程对学生的提升充分体现在统计数据上，参与“单片机原理与接口技术”课程的学生后续参加单片机相关的竞赛数量多、覆盖面广、竞赛项目质量高，在2020—2022年参与了全国大学生机器人大赛、中国大学生工程实践与创新能力大赛、“合泰杯”单片机应用设计大赛等多项国家级、省级学科竞赛，共获奖项50余项。

5 结语

在教育数字化背景下，融合学院所处的粤港澳大湾区的地理环境优势，以数字化资源为基础，围绕线上线下混合式教学模式进行创新改革。在改革过程中，“单片机原理与接口技术”课程以超星学习通作为混合式教学的线上平台，学生在电子教学平台上可以进行主动学习，而且可以与教师通过多种渠道进行互动。在课程建设过程中建立数字化教学资源，以生动形象的视频音频、幻灯片、动画视图等多种教学资源为学生带来全新的学习体验。混合式教学的教学形式多样，学生通过线上的学习掌握理论知识，而且通过线下的实践设计、实验操作提升学习的自主积极性和过程参与度。超星学习平台还能为教师实时推送专业相关的前沿知识新闻，用于扩展学生的知识面。

线上线下混合式教学是当前比较流行的一种教学模式，它突破了时间和空间的限制，让学生在进行学习时有更多的选择。充分且有效地利用线上资源，并在线上学习基础上最大限度地发挥线下教学的作用是混合式教学模式的特色与关键。通过本研究的实践与探索，实践证明，以线上线下混合的教学模式为基础推行教育改革，相比传统教学模式，能够在学习主动性、积极性方面更好地调动学生的热情，培养学生的团队协作意识，提高教学效果。