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

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基于Arduino的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)MOOC平臺(tái)設(shè)計(jì)*

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

為解決低年級(jí)本科生參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽需要學(xué)習(xí)單片機(jī)相關(guān)知識(shí)的難題，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Arduino的開放式在線單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程平臺(tái)。該平臺(tái)引入123D.CIRCUITS.IO仿真系統(tǒng)，學(xué)生登錄后，可以觀看在線課程視頻；根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，在線完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與仿真，參與階段測(cè)試；在移動(dòng)終端上參與課程學(xué)習(xí)、社區(qū)討論；在學(xué)生互評(píng)的基礎(chǔ)上，評(píng)分系統(tǒng)給出實(shí)驗(yàn)成績。

Arduino；仿真系統(tǒng)；在線平臺(tái)；Rubric算法

一、引言

目前，國內(nèi)理工科院校的《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程一般開設(shè)在第5學(xué)期，由于每年有數(shù)以萬計(jì)的本科一、二年級(jí)學(xué)生要參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等活動(dòng)，迫切需要學(xué)習(xí)相關(guān)課程知識(shí)。但許多院校受實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)施條件限制，無法滿足這部分學(xué)生的需求。因此，開發(fā)一個(gè)微控制器設(shè)計(jì)應(yīng)用開放式在線實(shí)驗(yàn)課程平臺(tái)（MOOC）能夠擺脫現(xiàn)有教學(xué)資源的束縛，從而解決上述問題［1］。

2015年，吉林大學(xué)開始統(tǒng)一建設(shè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行平臺(tái)，本實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目將作為選修課納入吉林大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，為各個(gè)學(xué)院的學(xué)生服務(wù)?？紤]到通信工程學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程使用的是飛思卡爾16位單片機(jī)，相對(duì)零基礎(chǔ)的低年級(jí)學(xué)生而言學(xué)習(xí)難度較大，所以，實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用Arduino單片機(jī)。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Ar-duino IDE），學(xué)生完全不需要了解其內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和寄存器設(shè)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(xué)者。

二、平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)采用PHP+MySQL方式架設(shè)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(diǎn)：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(shù)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(yùn)行在主流PHP+ MySQL環(huán)境［2］。平臺(tái)由主頁、教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、成績?cè)u(píng)定、討論組和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)幾個(gè)基本模塊構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

2.數(shù)據(jù)庫

在MySQL的數(shù)據(jù)庫中加入學(xué)生的學(xué)號(hào)，默認(rèn)登錄密碼設(shè)置為身份證號(hào)后六位，學(xué)生可以通過學(xué)號(hào)登錄并且進(jìn)行相關(guān)操作。數(shù)據(jù)庫的基本字段包括ID（學(xué)號(hào)）、PWD（密碼）、link（連接地址）、其他驗(yàn)證是否提交作品內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)成績的相關(guān)字段［3］。

3.內(nèi)容管理

平臺(tái)為學(xué)生提供在線實(shí)驗(yàn)課程的基本信息資料（如大綱、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和前期準(zhǔn)備）；提供在線教學(xué)服務(wù)，包括在線視頻教程、試題下載、集體討論、教師解答等；學(xué)生利用123circuit設(shè)計(jì)和仿真，完成實(shí)驗(yàn)后提交他們的工作成果（包括報(bào)告、代碼和仿真鏈接）；對(duì)其他同學(xué)的作品進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而給出分?jǐn)?shù)。

三、移動(dòng)終端應(yīng)用設(shè)計(jì)

為了能夠更好地體現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的便利性，在網(wǎng)站建設(shè)的基礎(chǔ)上，開發(fā)移動(dòng)應(yīng)用程序，方便學(xué)生隨時(shí)隨地獲取相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容。

移動(dòng)應(yīng)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(gè)基本選項(xiàng)卡——“發(fā)現(xiàn)課程”與“我的課程”。每選擇不同的選項(xiàng)卡，會(huì)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(xiàng)卡，提供了不同用戶在學(xué)習(xí)單片機(jī)在線課程的具體內(nèi)容，包括成績查詢、資料下載等。

當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)，檢測(cè)到用戶沒有登錄的時(shí)候，會(huì)彈出用戶登錄，Activity要求用戶登錄，同時(shí)手機(jī)平臺(tái)面向外網(wǎng)，學(xué)生可以在任何時(shí)候、任意地點(diǎn)接入，充分體現(xiàn)了移動(dòng)便捷。

四、在線仿真工具介紹

本平臺(tái)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和仿真使用一款來自國外的免費(fèi)在線仿真軟件，網(wǎng)址：https://123d.circuits.io/。這是一個(gè)支持在線Arduino仿真設(shè)計(jì)的網(wǎng)站，用戶可以在網(wǎng)站模擬Arduino實(shí)物進(jìn)行仿真操作，支持Arduino IDE模擬；用戶還可以編輯代碼，實(shí)現(xiàn)Arduino的在線電路設(shè)計(jì)與單片機(jī)的運(yùn)行。

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

五、在線實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)課程安排

對(duì)比國內(nèi)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)情況，設(shè)計(jì)了如表1所示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在一個(gè)學(xué)期內(nèi)，在線實(shí)驗(yàn)課程安排4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目有20天的時(shí)間限制；在此期間內(nèi)，學(xué)生提交作業(yè)有效。課程滿分100分，各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所占評(píng)分比重如下：實(shí)驗(yàn)1，20%；實(shí)驗(yàn) 2，20%；實(shí)驗(yàn)3，30%；實(shí)驗(yàn)4，30%。

表1　課程內(nèi)容

2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1為例，任務(wù)是用按鍵控制虛擬面包板上的7個(gè)LED燈有序閃爍。當(dāng)按鍵按下時(shí)，LED燈開始從右到左閃爍；再一次按下時(shí)，反方向閃爍。這是一個(gè)最基本的實(shí)驗(yàn)，目的在于指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)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(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)該掌握Arduino數(shù)字I/O口的使用，學(xué)會(huì)用LED作為復(fù)雜項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1仿真

為了讓學(xué)生能夠有一個(gè)輕松的學(xué)習(xí)過程，平臺(tái)提供兩個(gè)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(yùn)行仿真。仿真平臺(tái)也提供Arduino Uno的基本信息和編程語言的語句結(jié)構(gòu)，還提供有關(guān)按鍵和上拉、下拉電阻的微型講座。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)評(píng)分規(guī)則

六、評(píng)分系統(tǒng)

1.評(píng)分系統(tǒng)流程

評(píng)分系統(tǒng)分為3個(gè)部分：①學(xué)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(shí)驗(yàn)報(bào)告、程序代碼、123circuit鏈接和作業(yè)視頻鏈接（最后一項(xiàng)不做硬性要求）；②提交作業(yè)截止日之后，系統(tǒng)將自動(dòng)選擇已完成作業(yè)的學(xué)生評(píng)價(jià)其他幾個(gè)學(xué)生的作業(yè)（匿名），評(píng)價(jià)邏輯如圖3所示。③學(xué)生互評(píng)后，系統(tǒng)將計(jì)算等級(jí)；學(xué)生得到分?jǐn)?shù)和評(píng)語后，如果認(rèn)為有差錯(cuò)，還可以提交申請(qǐng)，重新評(píng)定，成績?cè)u(píng)定流程如圖4所示。

圖3　學(xué)生互評(píng)邏輯圖

圖4　成績?cè)u(píng)定流程圖

2.互評(píng)匹配原則

互評(píng)系統(tǒng)滿足以下要求：①提供可靠性高、準(zhǔn)確率高的評(píng)估；②每個(gè)參與互評(píng)的學(xué)生應(yīng)該承擔(dān)相對(duì)均等、合理的工作量；③系統(tǒng)的擴(kuò)展性好，上千學(xué)生可以參加學(xué)習(xí)［4］。

為了保證互評(píng)的公平性，做以下條件限制：①匿名評(píng)價(jià)且禁止評(píng)價(jià)自己提交的作業(yè)；②嚴(yán)格遵照教師預(yù)先設(shè)定的評(píng)價(jià)規(guī)則；③保證每份提交的作業(yè)有相同的評(píng)價(jià)次數(shù)；④每次評(píng)價(jià)過程中，要求同一份作業(yè)每人僅評(píng)價(jià)一次。

表3　互評(píng)匹配原則示意

表3給出了互評(píng)匹配模型：設(shè)存在n名學(xué)生，則每個(gè)學(xué)生最多需評(píng)價(jià)n-1份作業(yè)，按照互評(píng)匹配原則的條件限制，得到唯一解。在匿名評(píng)價(jià)過程中，假設(shè)每人需評(píng)價(jià)k份作業(yè)，則在表3的前n-1行中隨機(jī)抽取出k行作為評(píng)價(jià)對(duì)象，這樣即可滿足無法自評(píng)且每人評(píng)價(jià)份數(shù)相同［8］。

3.成績?cè)u(píng)定算法

一個(gè)學(xué)生的得分包含兩部分：①其他學(xué)生對(duì)這個(gè)學(xué)生的作業(yè)給出的互評(píng)分?jǐn)?shù)S1；②該學(xué)生為他人評(píng)分而獲得的反饋分?jǐn)?shù)S2。本文采用rubric算法來計(jì)算學(xué)生的分?jǐn)?shù)［5］。

先將每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為若干評(píng)分點(diǎn)，教師給出評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重。

⑴假設(shè)有k個(gè)學(xué)生對(duì)A同學(xué)評(píng)分，則A同學(xué)受評(píng)的分?jǐn)?shù)按照不同采分點(diǎn)加權(quán)求和得到受評(píng)分?jǐn)?shù)S1

表4　互評(píng)分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

⑵A同學(xué)在第i個(gè)采分點(diǎn)對(duì)其他學(xué)生的評(píng)分的結(jié)果偏差|di|可表示為

反饋分?jǐn)?shù)S2與結(jié)果偏差|di|呈負(fù)相關(guān)。

分別計(jì)算每個(gè)學(xué)生的|d|，取|d|最小的分?jǐn)?shù)為“最優(yōu)值”，即“最優(yōu)值”是最接近平均值的k位學(xué)生中某一個(gè)學(xué)生的評(píng)分。若存在相等的|d|，取較大數(shù)為“最優(yōu)值”。

反饋分?jǐn)?shù)S2的數(shù)學(xué)表達(dá)式

其中，q為A同學(xué)打分的學(xué)生總數(shù)；xm，i為A同學(xué)給第m位學(xué)生的第i個(gè)采分點(diǎn)打分的分值；bm，i為第m位學(xué)生的第i個(gè)采分點(diǎn)的最優(yōu)值。

⑶A同學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得分S為

其中，f1為互評(píng)分?jǐn)?shù)S1占的比重；f2為反饋分?jǐn)?shù)S2占的比重［6］。

以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1為例，令k=4，q=4，f1=0.8，f2=0.2，即有4個(gè)學(xué)生同時(shí)給A同學(xué)評(píng)分，A同學(xué)也為其4個(gè)學(xué)生評(píng)分。互評(píng)分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示，求得A同學(xué)S1=87，S2=81，S=85。

七、結(jié)束語

國內(nèi)院校的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課程MOOC平臺(tái)多是以在線視頻授課為主，學(xué)生只能被動(dòng)地接受學(xué)習(xí)內(nèi)容，缺乏傳統(tǒng)課堂教學(xué)的互動(dòng)環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的基于Arduino的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)MOOC平臺(tái)，由于設(shè)置了在線仿真模塊，使學(xué)生有了“動(dòng)手”機(jī)會(huì)；并且，利用Rubric算法，開發(fā)了在學(xué)生互評(píng)基礎(chǔ)上的評(píng)分系統(tǒng)，提供了學(xué)生之間“互動(dòng)”學(xué)習(xí)的機(jī)制。這是一種全新的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，隨著平臺(tái)的上線運(yùn)行，必將對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（8）：192-195.

［2］李華，龔藝，紀(jì)娟等.面向MOOC的學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)［J］現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2013（3）：28-33.

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［6］王秀婷.基于edX的MOOC互動(dòng)交流平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

（編輯：魯利瑞）

TP391.9

A

1673-8454（2016）10-0087-04

吉林大學(xué)2015年網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)建設(shè)項(xiàng)目（VE2015046）。