双创教育生态视域下实验教学模式研究与实践

2023-01-31张文倩

教育教学论坛 2023年1期

张文倩，孟洁

（1.西安航空学院电子工程学院，陕西西安 710077；2.太原工业学院计算机工程系，山西太原 030008）

引言

随着新时期高校“双创”教育（创新创业教育）改革的不断深化，教育生态系统逐步向创新生态系统推进和演进。创新生态系统是一种开放式且与外界存在广泛联系的系统组织，其涵盖校内教学和校外科研资源及产教融合等诸多方面的内容［1］。

高等教育是一个涉及多利益相关者的领域。教师群体、学生群体、高校管理人员、业界用人单位等都属于相关利益群体。狭义的高校是教育生态系统，应有如下关键元素：（1）生产者：高校师生；（2）消费者：高校学科竞赛、产教融合项目、业界用人单位；（3）分解者：社会组织、教育主管部门、就业的学生；（4）外部环境：高等教育发展环境、金融环境、社会文化环境。

在“双创”视域下，多数应用型高等院校对教育生态系统构建的认识还不够深入，以应用型本科电类专业课程为例，目前的专业课程内容体系具有知识内容陈旧、教学中用过时或淘汰的硬件产品作为案例、无法及时与业界接轨等，从而导致整个教学生态系统循环不畅甚至停滞。如何及时更新课程教学内容？如何将先修课程和后续专业课程有机结合［2］，形成具有高阶性、创新性、实用性等特色的课程？这是应用型本科院校亟须解决的问题。

本文以“单片机应用技术”课程教学改革为例，融合相关电类基础课和专业课的教学，完成多门课程教学内容的更新与融合，构建全新的电类专业课程内容体系，初步打造符合“双创”要求的专业课程系列，与学科竞赛实践及产业界生产实践接轨，在教育生态系统中形成良好的闭环反馈。

“单片机应用技术”课程是高等院校电子工程学院各专业的一门专业核心课程，也是一门应用性极强的综合性课程，是硬件设计与软件编程的有机结合，其包含理论和实践两部分。为了适应工程领域对创新应用型人才的迫切需求，如何强化实践教学、培养动手能力强的人才，是高等教育面临的重要课题。

传统的教学方式多为先理论、后实践，实验课与理论课无法同步进行，这不仅与“单片机应用技术”课程的特点严重不符，也会让学生感觉理论知识内容抽象晦涩、乏味难懂，导致学习动力不足、学习兴趣低下。

高校实验室资源丰富，但普遍存在利用率偏低的问题，而且验证性实验多，创新性实验少，总体实验效果不佳，其原因在于多数专业基础课的理论讲授和实践教学是分开进行的，即在教室里上理论课，在实验室进行实验，理论课和实验课不同步，学生在课后无法及时完成实验，没有足够的机会在实践中理解与提高。这不仅造成了教学资源的分散，也使教学效果大打折扣。学生在理论课后需要去实验室做实验，但是由于实验室开放时间和设备数量的限制，等到做实验时，必定会有一定时间的延迟，从学习和记忆规律上来讲，这样做并不科学。

根据艾宾浩斯记忆保持曲线，人们在学习中的遗忘是有规律的，遗忘的进程开始很快，以后逐渐减慢。学生在学习理论知识之后若不能趁热打铁马上进行相关实验，学生理论和实践结合的学习热情会被冲淡，学习效率也会急剧下降。如何在黄金学习时间（学习理论知识后的1～2小时）内，让学生迅速通过动手实验巩固学习效果呢？“碎片化实验”创新教学模式是本文的研究与实践重点。

一、“单片机应用技术”课程“碎片化实验”创新教学模式

（一）“单片机应用技术”课程“碎片化实验”的教学目标

我们通过“碎片化实验”创新教学模式改革，希望学生能达到如下教学要求：有较强的自主学习能力，有较高的学习参与度，有层次有计划地加深学习深度，将理论知识点灵活应用于实践，从强调学习转变为强调思考。

（二）“单片机应用技术”课程“碎片化实验”的教学设计

“单片机应用技术”课程“碎片化实验”的教学设计可拆分成若干个子单元，配合相应理论内容分为课上实验和课下实验两部分。在课堂教学内容中，随着理论内容的讲授，可随时切换到实验模式，要求学生当堂用实验完成相应的验证和推论。比如，在讲授单片机I/O口的理论内容时，插入“点亮一个LED”的实验（课上实验），让学生很快领悟如何控制单片机I/O口输出高低电平，进而控制各种外设。

递进交互式课件（PPT）设计：添加新的教学元素。将课堂作为演示性教学资料的PPT课件，进行递进交互式设计，在每堂课的前一天分发给学生，让学生预习，并在适当的地方留出空白，让学生在次日上完课后思考总结并填写，从而形成完整的PPT资料。比如，在讲授LED闪烁时，其理论重点是延时语句（或函数）的构建，在此处设置一张空白PPT，要求学生课后总结各种延时方法，并且比较其特点。

（三）创建“碎片化实验箱”

1.单片机开发板“分体化”。每位学生上课需要携带自己的笔记本电脑和实验开发板。开发板来源有三：一是随教材配套的开发板，适用于初次学习单片机且学习基础较普通的学生。二是学生按学习进度，用面包板和分立元件自己搭接，适用于模拟电子实验基础较强和动手能力较强的学生。三是学生自己焊接制作开发板，适用于有一定焊接经验的学生。课程改革实验班的学生大多使用第一种来源的开发板，即随书配套的开发板。

2.实验耗材“随身化”。实验耗材有两个来源：一是学生自行购买。既可以在网上购买，也可以去电子市场购买，无论哪种购买方式，都需要学生正确识别各种元器件，区分同种元器件不同参数的细微差别，使学生在无形中加深了实物印象，实现理论与实践的接轨。二是实验室提供常见耗材，如焊锡、导线、电容、电阻等。学生如需使用大型测试仪器设备（如示波器）时，可向学校实验室提前预约。

（四）课后学习模式跟踪与设计

1.建立学习小组。三人一组构建课程学习小组，可在任意课后时间自行组织学习和讨论。分组是按学生意愿自由组合，旨在提高学生学习的主动性，激发学生的团队意识。学习内容由组长负责，每周在固定时间向任课教师汇报。

2.使用QQ群跟踪学生的学习进度。由任课教师在课程开始时构建QQ群，学生自愿入群，主要在群内针对单片机的学习内容进行自由讨论和教师在线答疑，也可由教师布置相应问题或话题，学生回答。利用QQ群答疑或提问，任课教师能在第一时间掌握学生的学习动态。

3.小组大作业（实验设计和总结报告）。要求学生定期按授课内容进行阶段性实验总结，一般一次大作业是一个实验主题，内含多个略有差异的递进型小实验，要求完成整理实验代码、添加注释和分类归档等，养成良好的实验资料保存习惯，形成易读、易改的代码编写风格。

二、“单片机应用技术”课程“碎片化实验”教学模式的成绩评估与效果评价

在“单片机应用技术”课程的教学改革过程中，学生可以随时随地学习和做实验，课上实验成绩作为平时成绩的一部分纳入期末考核之中。

（一）学生的总体感受

匿名问卷调查旨在得到实验组学生关于学习忧虑与收获的信息与想法。在匿名问卷调查中，学生的回答情况统计如下：总体学习感受有六个项目，项目内容和学生回答“是”的人数百分比如下：学习兴趣浓厚（66%）、实验时间自由（52%）、课堂互动性强（41%）、知识易于理解（38%）、学习进度更快（15%）。另外，部分学生感觉课堂教学进度快，之后详细询问其原因，大致可归纳为三点：一是课后复习和课前预习投入时间不足；二是C语言基础薄弱，对C语言编程不熟练；三是学生对Keil IDE操作环境及开发板的硬件电路使用不熟悉。归根结底就一点，学生投入学习的时间不够。通常建议课堂1小时的授课内容，学生在课后至少用4小时的时间来复习理论和实验练习。

（二）实验完成情况统计

基本实验以验证性实验为主，实验内容涉及的知识点单一，一般是任课教师本节课授课的理论内容，程序代码简短，绝大多数学生在熟练操作实验开发板的前提下用3～5分钟即可完成。

引申（拓展）实验是在基本实验的基础上，每次只改动一处，涉及一个新知识点，其理论内容并未事先告知学生，需要学生在思考之后修改相应代码等，通过实验现象分析归纳出新的知识点。通常需要10～15分钟完成，当有学生正确完成之后，任课教师引导学生推论和归纳知识点。对于该部分实验未在课堂内完成的学生，可在课后继续完成引申实验。

学生在课堂中基本实验和引申实验的完成情况统计如下：课堂限时完成时间分为四个档，依次是3分钟内完成、5分钟内完成、10分钟内完成和15分钟以上完成。在上述四个时间段内，完成基本实验的人数百分比依次是2%、5%、15%和42%，而完成引申实验人数的百分比依次是2%、3%、5%和15%。如果上述相同的实验项目改为课后不限时完成，则完成基本实验的人数百分比为89%，完成引申实验的人数百分比为72%。最终，基本实验未完成人数的百分比为11%，引申实验未完成人数的百分比为18%。

上述统计结果表明，只有极少数学生可以在课堂上完成基本实验和引申实验，大部分学生需要在课后不限时完成基本实验和引申实验，学生需要在课后投入相当一部分学习时间才能掌握所学知识。

（三）考试情况对比

为检验改革效果，以同一位教师授课的同一专业不同班级的学生为对象进行跟踪研究，统计实验组和对照组学生两个学期的考试情况。在两个学期的期末考试中，共有150 名学生参加了考试，其中碎片化实验教学班（实验组）102 人，普通教学班（对照组）48 人。选用不同学期相同专业的学生作为样本，假设学生的总体特征不变，两组学生考试成绩的描述性统计详见表1。如表1 所示，team 1 为实验组（采用碎片化实验的组），team 2 为对照组（不采用碎片化实验的组）。从调查数据来看，实验组的平均成绩优于对照组。

表1 组统计

如表2所示，首先利用F统计量检验team 1与team 2的方差是否相等，由于F（0.632）对应的P值为0.428，大于显著性水平0.05，所以不能拒绝两组成绩方差相等的假设，认为两组学生成绩具有相同的方差。然后进行均值的一致性检验，当方差相等时，t=2.802，显著性水平0.006＜0.05，故认为team 1与team 2 的成绩差异是显著的，说明实验组（team 1）的成绩明显优于对照组（team 2）。

三、后续改革构想

“碎片化实验”教学法的研究结果表明，创新教学模式提高了学生对“单片机应用技术”课程的学习兴趣，课堂中学生的参与度和独立学习的能力有所提高，学生总体反映良好。实验完成情况的统计结果显示，近一半学生在课堂无法完成所要求的全部实验，需要在课后继续完成。经调查表明，这部分学生通常在课程内容的预习和复习上投入的时间较少，学习动力不足。如何进一步提高学生的课后学习效率将会成为我们的后续研究内容。期末考试情况统计（表1和表2）显示，实验组的成绩明显优于对照组，这说明“碎片化实验”教学法的效果优于传统教学法。这些实验结果让我们有信心将该教学法推广到其他课程中。我们的后续改革构想如下：（1）建设教学网站或在线学习资源，提高学生的学习兴趣，扩大课程的受益面。（2）组建跨年级学习小组，选拔学习兴趣浓厚且动手能力强的学生组建跨年级学习小组，为参加各级各类创新创业竞赛或完成实际工程项目提供人选。