徐　峰，王天慶，陳炳吉，白天為，王亞文（吉林大學通信工程學院，吉林 長春130012）

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基于Arduino的單片機實驗MOOC平臺設計*

徐峰，王天慶，陳炳吉，白天為，王亞文
（吉林大學通信工程學院，吉林 長春130012）

為解決低年級本科生參加電子設計競賽需要學習單片機相關知識的難題，作者設計了一個基于Arduino的開放式在線單片機實驗課程平臺。該平臺引入123D.CIRCUITS.IO仿真系統(tǒng)，學生登錄后，可以觀看在線課程視頻；根據(jù)實驗設計要求，在線完成相關實驗內(nèi)容的設計與仿真，參與階段測試；在移動終端上參與課程學習、社區(qū)討論；在學生互評的基礎上，評分系統(tǒng)給出實驗成績。

Arduino；仿真系統(tǒng)；在線平臺；Rubric算法

一、引言

目前，國內(nèi)理工科院校的《單片機原理與應用》課程一般開設在第5學期，由于每年有數(shù)以萬計的本科一、二年級學生要參加電子設計競賽等活動，迫切需要學習相關課程知識。但許多院校受實驗室的硬件設施條件限制，無法滿足這部分學生的需求。因此，開發(fā)一個微控制器設計應用開放式在線實驗課程平臺（MOOC）能夠擺脫現(xiàn)有教學資源的束縛，從而解決上述問題［1］。

2015年，吉林大學開始統(tǒng)一建設網(wǎng)絡實驗運行平臺，本實驗課程項目將作為選修課納入吉林大學的網(wǎng)絡實驗教學系統(tǒng)，為各個學院的學生服務。考慮到通信工程學院單片機課程使用的是飛思卡爾16位單片機，相對零基礎的低年級學生而言學習難度較大，所以，實驗教學采用Arduino單片機。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Ar-duino IDE），學生完全不需要了解其內(nèi)部硬件結構和寄存器設置，僅僅知道它的端口作用，就可以用C語言編寫程序做電子產(chǎn)品，適合初學者。

二、平臺總體設計

1.平臺架構

平臺采用PHP+MySQL方式架設網(wǎng)站，使用Moodle開源軟件建立內(nèi)容管理系統(tǒng)。二次開發(fā)后，具有以下優(yōu)點：①具有高度自由性，可以修改和二次開發(fā)；②歷經(jīng)多版本修正，技術成熟，穩(wěn)定性好；③豐富的插件資源，提供更多可增刪功能；④運行在主流PHP+ MySQL環(huán)境［2］。平臺由主頁、教學資源、實驗項目、成績評定、討論組和實驗指導幾個基本模塊構成，總體結構如圖1所示。

圖1　平臺總體結構

2.數(shù)據(jù)庫

在MySQL的數(shù)據(jù)庫中加入學生的學號，默認登錄密碼設置為身份證號后六位，學生可以通過學號登錄并且進行相關操作。數(shù)據(jù)庫的基本字段包括ID（學號）、PWD（密碼）、link（連接地址）、其他驗證是否提交作品內(nèi)容以及實驗成績的相關字段［3］。

3.內(nèi)容管理

平臺為學生提供在線實驗課程的基本信息資料（如大綱、實驗指導和前期準備）；提供在線教學服務，包括在線視頻教程、試題下載、集體討論、教師解答等；學生利用123circuit設計和仿真，完成實驗后提交他們的工作成果（包括報告、代碼和仿真鏈接）；對其他同學的作品進行評估，進而給出分數(shù)。

三、移動終端應用設計

為了能夠更好地體現(xiàn)本實驗教學平臺的便利性，在網(wǎng)站建設的基礎上，開發(fā)移動應用程序，方便學生隨時隨地獲取相關的知識內(nèi)容。

移動應用程序基于Android開發(fā)，具有網(wǎng)站的基本功能。主Activity具有兩個基本選項卡——“發(fā)現(xiàn)課程”與“我的課程”。每選擇不同的選項卡，會切換到不同的面板。發(fā)現(xiàn)課程面板即網(wǎng)頁的主頁區(qū)域用于課程介紹等功能；我的課程選項卡，提供了不同用戶在學習單片機在線課程的具體內(nèi)容，包括成績查詢、資料下載等。

當程序啟動時，檢測到用戶沒有登錄的時候，會彈出用戶登錄，Activity要求用戶登錄，同時手機平臺面向外網(wǎng)，學生可以在任何時候、任意地點接入，充分體現(xiàn)了移動便捷。

四、在線仿真工具介紹

本平臺實驗項目的設計和仿真使用一款來自國外的免費在線仿真軟件，網(wǎng)址：https://123d.circuits.io/。這是一個支持在線Arduino仿真設計的網(wǎng)站，用戶可以在網(wǎng)站模擬Arduino實物進行仿真操作，支持Arduino IDE模擬；用戶還可以編輯代碼，實現(xiàn)Arduino的在線電路設計與單片機的運行。

由于網(wǎng)站具有人性化的開發(fā)環(huán)境，雖然網(wǎng)絡服務器在國外，但訪問速度并不慢，完全可以提供給學生在線仿真服務。在平臺中，給出了網(wǎng)頁的鏈接地址和相應的操作方法。

五、在線實驗課程設計

1.實驗課程安排

對比國內(nèi)外相關實驗課程的教學情況，設計了如表1所示的實驗內(nèi)容。在一個學期內(nèi)，在線實驗課程安排4個實驗項目，每個項目有20天的時間限制；在此期間內(nèi)，學生提交作業(yè)有效。課程滿分100分，各實驗項目所占評分比重如下：實驗1，20%；實驗 2，20%；實驗3，30%；實驗4，30%。

表1　課程內(nèi)容

2.實驗項目設計

以實驗項目1為例，任務是用按鍵控制虛擬面包板上的7個LED燈有序閃爍。當按鍵按下時，LED燈開始從右到左閃爍；再一次按下時，反方向閃爍。這是一個最基本的實驗，目的在于指導學生學會虛擬Arduino板和虛擬面包板的使用，了解Arduino的基本功能。通過該實驗，學生應該掌握Arduino數(shù)字I/O口的使用，學會用LED作為復雜項目的調(diào)試手段，理解LED配置限流電阻工作原理。仿真過程如圖2所示。

圖2　實驗項目1仿真

為了讓學生能夠有一個輕松的學習過程，平臺提供兩個視頻教程，可以清晰解釋如何在虛擬面包板上搭建電路，如何編譯Arduino代碼和運行仿真。仿真平臺也提供Arduino Uno的基本信息和編程語言的語句結構，還提供有關按鍵和上拉、下拉電阻的微型講座。實驗項目1成績的20分值按以下規(guī)則打分（折算成100分），如表2所示。

表2　實驗評分規(guī)則

六、評分系統(tǒng)

1.評分系統(tǒng)流程

評分系統(tǒng)分為3個部分：①學生在作業(yè)提交截止日之前線上提交他們的作業(yè)，作業(yè)包括：實驗報告、程序代碼、123circuit鏈接和作業(yè)視頻鏈接（最后一項不做硬性要求）；②提交作業(yè)截止日之后，系統(tǒng)將自動選擇已完成作業(yè)的學生評價其他幾個學生的作業(yè)（匿名），評價邏輯如圖3所示。③學生互評后，系統(tǒng)將計算等級；學生得到分數(shù)和評語后，如果認為有差錯，還可以提交申請，重新評定，成績評定流程如圖4所示。

圖3　學生互評邏輯圖

圖4　成績評定流程圖

2.互評匹配原則

互評系統(tǒng)滿足以下要求：①提供可靠性高、準確率高的評估；②每個參與互評的學生應該承擔相對均等、合理的工作量；③系統(tǒng)的擴展性好，上千學生可以參加學習［4］。

為了保證互評的公平性，做以下條件限制：①匿名評價且禁止評價自己提交的作業(yè)；②嚴格遵照教師預先設定的評價規(guī)則；③保證每份提交的作業(yè)有相同的評價次數(shù)；④每次評價過程中，要求同一份作業(yè)每人僅評價一次。

表3　互評匹配原則示意

表3給出了互評匹配模型：設存在n名學生，則每個學生最多需評價n-1份作業(yè)，按照互評匹配原則的條件限制，得到唯一解。在匿名評價過程中，假設每人需評價k份作業(yè)，則在表3的前n-1行中隨機抽取出k行作為評價對象，這樣即可滿足無法自評且每人評價份數(shù)相同［8］。

3.成績評定算法

一個學生的得分包含兩部分：①其他學生對這個學生的作業(yè)給出的互評分數(shù)S1；②該學生為他人評分而獲得的反饋分數(shù)S2。本文采用rubric算法來計算學生的分數(shù)［5］。

先將每個實驗項目分為若干評分點，教師給出評分標準和權重。

⑴假設有k個學生對A同學評分，則A同學受評的分數(shù)按照不同采分點加權求和得到受評分數(shù)S1

表4　互評分數(shù)統(tǒng)計結果

⑵A同學在第i個采分點對其他學生的評分的結果偏差|di|可表示為

反饋分數(shù)S2與結果偏差|di|呈負相關。

分別計算每個學生的|d|，取|d|最小的分數(shù)為“最優(yōu)值”，即“最優(yōu)值”是最接近平均值的k位學生中某一個學生的評分。若存在相等的|d|，取較大數(shù)為“最優(yōu)值”。

反饋分數(shù)S2的數(shù)學表達式

其中，q為A同學打分的學生總數(shù)；xm，i為A同學給第m位學生的第i個采分點打分的分值；bm，i為第m位學生的第i個采分點的最優(yōu)值。

⑶A同學實驗項目得分S為

其中，f1為互評分數(shù)S1占的比重；f2為反饋分數(shù)S2占的比重［6］。

以實驗項目1為例，令k=4，q=4，f1=0.8，f2=0.2，即有4個學生同時給A同學評分，A同學也為其4個學生評分?；ピu分數(shù)統(tǒng)計結果如表4所示，求得A同學S1=87，S2=81，S=85。

七、結束語

國內(nèi)院校的現(xiàn)有實驗課程MOOC平臺多是以在線視頻授課為主，學生只能被動地接受學習內(nèi)容，缺乏傳統(tǒng)課堂教學的互動環(huán)節(jié)。本文設計的基于Arduino的單片機實驗MOOC平臺，由于設置了在線仿真模塊，使學生有了“動手”機會；并且，利用Rubric算法，開發(fā)了在學生互評基礎上的評分系統(tǒng)，提供了學生之間“互動”學習的機制。這是一種全新的單片機實驗教學方法，隨著平臺的上線運行，必將對現(xiàn)有的實驗教學模式產(chǎn)生深刻的影響。

［1］孫青，艾明晶，曹慶華.MOOC環(huán)境下開放共享的實驗教學研究［J］.實驗技術與管理，2014（8）：192-195.

［2］李華，龔藝，紀娟等.面向MOOC的學習管理系統(tǒng)框架設計［J］現(xiàn)代遠程教育研究，2013（3）：28-33.

［3］周艷，李育澤，徐義東.基于MOOC理念的微課資源網(wǎng)站設計［J］.現(xiàn)代教育技術，2014（1）：113-118.

［4］孫力，鐘斯陶.MOOC評價系統(tǒng)中同伴互評概率模型研究［J］.開放教育研究，2014（5）：83-90.

［5］李青，劉娜.MOOC質(zhì)量保證體系研究［J］.開放教育研究，2015（5）：66-73.

［6］王秀婷.基于edX的MOOC互動交流平臺的設計與實現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2014.

（編輯：魯利瑞）

TP391.9

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1673-8454（2016）10-0087-04

吉林大學2015年網(wǎng)絡實驗建設項目（VE2015046）。