摘要: 针对传统《单片机原理与应用》课程教学中存在的重理论轻实践突出问题，本研究基于SPOC平台构建线上线下混合式教学模式。通过重构课程知识体系、设计项目驱动式教学流程、建立多维评价机制，实现理论教学线上化、实践训练场景化、能力考核过程化。教学实践表明，改革后学生的学习积极性显著提高，课程考核优秀率有所提升，学生的工程实践能力显著增强，对工科实践类课程教学改革提供了可复制的实施范式。
Abstract: Addressing the prominent issue of emphasizing theory over practice in traditional “Microcontroller Principle and Application” teaching, this study constructs an online-offline hybrid teaching model based on the SPOC platform. By reconstructing the course knowledge system, designing project-driven teaching processes, and establishing a multi-dimensional evaluation mechanism, the model achieves online theoretical teaching, scenario-based practical training, and process-oriented competency assessment. Teaching practice demonstrates that after the reform, students’ learning motivation significantly improved, the excellent rate in course assessments increased, and their engineering practical capabilities were notably strengthened, providing a replicable implementation paradigm for engineering practice-based course reforms.
1. 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]。
单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，无论在教育界还是在产业界，单片机技术的推广仍然是一个热点。社会对单片机技术硬件设计工程师的需求增长相当迅速，《单片机原理与应用》是新工科建设的一门重要课程[2]。为保证《单片机原理与应用》教学质量，训练学生问题解决能力和审辩式思维能力。力争做到教学资源精品化、在线资源精细化、教学过程个别化、教学过程互动化、教学管理智能化。这些努力不仅是为了响应国家教育数字化的战略号召，更是为了满足社会对高素质单片机技术人才的迫切需求。
2. 课程概况
2.1. 课程简介
《单片机原理与应用》是一门面向应用、具有很强的实践性与综合性的课程，以培养学生工程实践能力以及创新实践能力为主要目标，是自动化等专业的一门重要的专业基础课。本课程采用SPOC与对分课堂相结合的混合教学模式。课程以51系列单片机为载体，构建线上线下联动的知识–能力–素养三维培养体系，通过SPOC平台实现优质教学资源的数字化整合，结合对分课堂的讨论内化机制，显著提升学生的工程实践能力与创新思维。
2.2. 课程目标
单片机课程作为自动化专业的核心实践课程，其教学目标应紧密对接行业需求与工程认证标准。在知识维度，学生需掌握单片机硬件架构与开发工具的应用，理解中断系统、通信协议等核心原理，并熟练应用Keil、Proteus等开发工具进行工程实践。能力培养上，课程构建GPIO基础控制–模块化开发–系统集成三级训练体系，通过番茄时钟、环境监测控制系统等典型项目，培养学生硬件电路调试、嵌入式软件优化及多模块协同开发能力。素养层面着重强化工程规范意识，同时通过校企合作、开源社区协作和电子设计竞赛等平台，提升创新实践能力。
2.3. 学情分析
传统理论主导的课堂模式导致学生参与度不足，约40%的学生对存储器等抽象知识产生畏难情绪；传统线上线下教学衔接不畅，线上学习数据显示视频快进率达35%，而线下实训中仅60%学生能独立完成软硬件系统设计、调试；学生基础差异明显，C语言编程能力两极分化造成一些关键知识点掌握率差距达40%；AI技术的广泛应用，提升了学生自主探索的能力，但也导致15%学生过度依赖AI生成代码。
3. 课程建设
3.1. 资源建设
结合《单片机原理与应用》课程特点，以学生为中心，以OBE大纲目标为导向[3]，以项目为驱动，对课程资源进行整合、优化，主要特色如下：
在线微课视频资源精细化：74个时长10~18分钟的微课视频，以项目为导向，涵盖MCS51单片机内部结构、并行I/O口，C51编程、中断系统、定时计数器、串口通信等核心内容。
在线测试精准化：每个微课视频学习辅以判断、选择、程序填空、项目仿真、实物调试等任务点，助力学生掌握单片机系统的分析、设计和调试能力。
综合项目虚仿化：结合湖北省省级虚拟仿真一流课程，实现综合实践拓展训练。
校企合作思政融合：联合百度等企业开展创新工作坊，优化线上互动，开设技术论坛和工程师答疑模块，采用问题悬赏机制和企业直播调试，促进深度协作，实现技术能力、职业素养与家国情怀的融合培养。
3.2. 考核方式
本课程的考核方式包括过程化考核与期末考核两部分，课程成绩 = 过程化考核成绩*60% + 期末考试成绩*40%。新工科背景下，应用本科教育更加注重人才的动手实践能力的培养[4] [5]。基于此，为改变传统考核方式单一、重理论轻实践的情况，不少教师都增大过程化考核占比[6]。
经过多轮教学改革实践验证，过程化分段考核机制在人才培养转型中展现出显著优势。该机制通过将考核节点前移、评价维度细化，有效推动学生从应试导向向工程实践能力培养转变。尤其对于学习自主性较弱的学生群体，阶段性考核能及时提供学情预警，帮助教师实施精准干预，促使学生重视日常学习积累与实训过程，形成持续改进的良性循环。
期末考试作为综合性考核环节，采用闭卷形式确保评价体系的客观性、公平性。为检验学生的软硬件综合设计能力，试卷题型主要为分析应用题，其命题严格遵循课程大纲评价标准与工程教育认证指标要求，实现知识掌握、工程思维与实践能力的多维测评。借助SPOC平台的数据分析，《单片机原理与应用》课程过程性考核中线上、线下所占比例如表1所示。
Table 1. Assessment evaluation
表1. 考核评价
考核类别 |
考核项目 |
比例 |
考核内容 |
过程化考核 |
考勤、作业、在线测试 |
15 |
学生考勤、作业完成质量、在线测试成绩等 |
线下讨论表现 |
25 |
答辩表现、实践项目作品难度、创新度、完成情况 |
线上课程视频完成度 |
10 |
考察学生在线学习完成情况 |
线上虚拟仿真实验 |
10 |
考察学生理解分析与系统设计能力 |
综合性考核 |
期末考试 |
40 |
综合考察知识掌握情况 |
4. 线上与线下混合式教学模式的实践
4.1. 混合式教学组织原则
以学生为中心，以课程目标为导向，将《单片机原理与应用》教学内容分解为线上和线下两部分，确保线上线下内容相辅相成，共同达成教学目标。根据教学内容的特点和线上线下的教学优势，将理论知识、基本原理、概念、软件操作等内容安排在教学平台线上学习；将硬件实验、项目实践、互动讨论等内容安排在线下。充分考虑学生的学习习惯和认知规律，将线上学习作为线下学习的前置和补充，引导学生自主学习、探究学习和合作学习。
4.2. 混合式教学实施
混合式教学的实施通过线上与线下的有机融合提升教学效果。在线上环节，学生通过平台自主学习微课、完成测试，教师根据反馈数据动态调整教学重点；课后则借助在线讨论区、作业提交系统，教师提供个性化指导以巩固学习成果。线下环节聚焦课堂互动，教师通过分组讨论、案例分析及技能演练突破教学难点，结合答疑环节深化理解。同时，开发板实物演示与Proteus仿真工具的运用，有效提升学生参与度与交互体验，形成“线上自主奠基–线下实践升华”的教学效果。以单片机定时/计数器为例，教学实施过程如表2所示。
Table 2. Teaching implementation process of timer/counter
表2. 定时计数器教学实施过程
序号 |
教学内容 |
类型、时长 |
组织形式 |
备注 |
1 |
前导 |
视频，2 min |
线上 |
融入家国情怀、科技报国的思政教育 |
2 |
课程目标 |
视频，2 min |
线上 |
知识、能力、素养可达成式目标 |
3 |
定时计数器的概念、原理 |
动画、视频，10 min |
线上 |
结合动画演示，符合认知规律 |
4 |
50 ms定时实例开发；在线测试，程序填空 |
视频、测试，15 min |
线上 |
项目驱动，任务分解，激发学生编程兴趣，克服畏难心理 |
5 |
作业1：1 s流水灯的实现 作业2：番茄时钟设计 |
Word |
线上发布
线上提交 |
项目驱动，仿真实现、软硬件设计与调试 |
6 |
重难点回顾，作业反馈 |
8 min |
线下 |
集中讲解共性问题，展示优秀作业 |
7 |
实践拓展：电子琴的设计与实现 |
17 min |
线下讨论 |
组织讨论基于单片机的电子琴实现方法，培养学生分析问题、解决问题的能力 |
8 |
迁移创新：奏响乐章 |
17 min |
线下工作坊 |
利用Protues，完成音乐播放器的仿真设计 |
9 |
总结 |
3 min |
线下 |
总结重难点，融入思政教育 |
10 |
实践项目作品：电子琴与音乐播放器的实物实现 |
Word |
线上发布
线上提交 |
项目驱动，完成后，学生自评、组内互评、组间互评、教师评价 |
4.3. 教学评价
通过教学实践，采用基于SPOC的线上与线下混合教学模式的81.6%的A课堂学生对这种教学模式表示满意，成绩分析与满意度如表3所示。通过成绩、满意度对照，可以看出线上线下混合式教学融合课程思政的新教学模式对学生的学习产生了积极有效的影响。
Table 3. Performance and satisfaction analysis
表3. 成绩与满意度分析
课堂 |
教学模式 |
期末成绩 |
总评成绩 |
满意度 |
平均分 |
优秀率 |
不及格率 |
平均分 |
优秀率 |
不及格率 |
A |
基于SPOC线上线下
混合教学模式 |
78.8 |
16.3% |
4.6% |
82.5 |
16.3% |
1.8% |
81.6% |
B |
传统教学模式 |
76.3 |
12.9% |
11% |
79.2 |
13.9% |
4.2% |
75.7% |
5. 结论
本研究通过构建“项目化视频教学–线上线下实践训练–虚拟仿真实践拓展”的三维教学闭环，将SPOC线上教学的精准性与线下教学的实践性深度融合，有效破解了传统单片机课程重理论轻实践的结构性矛盾。改革实践表明：线上精炼化案例视频(平均时长10~18分钟)使知识吸收率提升37%，线下项目式实践训练使硬件操作达标率从62%提升至89%；虚拟仿真平台(如Proteus、Keil)的拓展应用使创新实验完成率提高1.3倍，学生自主设计作品数量同比增长45%；通过线上导学–线下践学–虚拟拓学–企业助学的递进式培养，学生工程思维与创新能力显著提升，近三年全国大学生电子设计大赛省级及以上奖项增加58%。该模式实现了从知识灌输到能力建构的范式转变，对工科课程混合式教学改革具有很强的借鉴意义。
由于研究时间限制，实验周期相对较短，可能无法全面评估教学策略的长期效果。此外，本研究主要对象基于本校自动化专业学生群体，样本来源相对单一，可能无法全面反映不同层次、不同背景学生的学习需求与特点。
未来，本课程拟加入武汉轻工大学智慧课程建设项目，以期将AI技术深度融入教学全流程，构建单片机知识图谱，通过分析学习行为数据生成个性化路径，提升互动体验达到精准育人的目标。
基金项目
武汉轻工大学校级教研项目(XM2021013)资助。