基于翻轉(zhuǎn)課堂的單片機(jī)硬件實(shí)習(xí)教學(xué)改革

萬軍　李巖　韓學(xué)超

摘 要 針對傳統(tǒng)單片機(jī)硬件實(shí)習(xí)課程教學(xué)過程中存在的問題，探討基于翻轉(zhuǎn)課堂模式的教學(xué)過程，該過程由微視頻制作與學(xué)習(xí)、虛擬仿真和實(shí)物制作以及實(shí)習(xí)項(xiàng)目總結(jié)等部分組成，結(jié)合具體案例介紹關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。實(shí)踐表明，基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)過程有效提高了學(xué)生單片機(jī)理論聯(lián)系實(shí)際的能力，在單片機(jī)實(shí)習(xí)教學(xué)中取得較好的效果。

關(guān)鍵詞 翻轉(zhuǎn)課堂；單片機(jī)；微視頻；虛擬仿真

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）04-0144-03

Abstract Aiming at the existent problems in the teaching process of

single-chip microcomputer （SCM） hardware practice course， this paper discusses the teaching process based on the flipped classroom model. This teaching process consists of micro-video production and

learning， virtual simulation and circuit board production as well as

practice project summary. Combined with a specific case， key tea-ching sessions are introduced. Practices have showed that the new teaching process can effectively improve the ability of students to integrate theory with practice in SCM， and achieve good results in the SCM practice teaching.

Key words flipped classroom； single-chip microcomputer； micro-video； virtual simulation

1 前言

單片機(jī)課程是培養(yǎng)電子信息相關(guān)專業(yè)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的主干課程[1]，該課程概念抽象，實(shí)踐性強(qiáng)。單片機(jī)硬件實(shí)習(xí)教學(xué)在對學(xué)生鞏固和拓展單片機(jī)知識(shí)、硬軟件基本設(shè)計(jì)方法與調(diào)試技巧以及單片機(jī)應(yīng)用能力上起著不可替代的作用。

翻轉(zhuǎn)課堂具有以學(xué)生為中心、學(xué)生自主學(xué)習(xí)、師生互動(dòng)、教師成為導(dǎo)師、直接指導(dǎo)和建議式學(xué)習(xí)混合、缺席學(xué)生不會(huì)被落下功課、教學(xué)內(nèi)容永久保存、所有學(xué)生參與學(xué)習(xí)并獲得個(gè)性化教育等特征[2]。通過實(shí)踐表明，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式取得的教學(xué)效果遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的教學(xué)模式好得多。但是將翻轉(zhuǎn)課堂用于單片機(jī)實(shí)踐類教學(xué)的研究還較少。本文分析了目前單片機(jī)實(shí)習(xí)教學(xué)中導(dǎo)致效果不理想的原因，并設(shè)計(jì)了基于翻轉(zhuǎn)課堂模式的單片機(jī)實(shí)習(xí)教學(xué)過程。

2 單片機(jī)硬件實(shí)習(xí)教學(xué)存在的問題

單片機(jī)硬件實(shí)習(xí)是使學(xué)生結(jié)合一個(gè)具體的實(shí)習(xí)項(xiàng)目，能將已學(xué)過的模擬電路、數(shù)字電路以及單片機(jī)等知識(shí)綜合運(yùn)用于設(shè)計(jì)中，并完成電路板的制作和軟件調(diào)試。目前傳統(tǒng)授課形式是教師先實(shí)驗(yàn)室講解，學(xué)生再動(dòng)手實(shí)踐。近幾年，隨著課程教學(xué)改革的不斷深入，實(shí)踐環(huán)節(jié)逐漸受到重視，教學(xué)效果有一定的增強(qiáng)，但仍然存在一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）與課堂理論教學(xué)相比，實(shí)驗(yàn)室中的指導(dǎo)教師授課效果難以保證。學(xué)生因接受能力不同和上課條件的限制[3]，難以較好地理解教師對實(shí)習(xí)任務(wù)的講解。

2）實(shí)習(xí)任務(wù)的完成需要學(xué)生首先在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)裝置上對實(shí)習(xí)中涉及的單片機(jī)相關(guān)功能部件進(jìn)行單元化調(diào)試，由于受實(shí)驗(yàn)室條件和實(shí)習(xí)課時(shí)的限制，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室操作時(shí)間較短，限制了對相關(guān)內(nèi)容的熟悉。

3）部分學(xué)生由于不正確的原理方案，導(dǎo)致制作的電路板錯(cuò)誤并返工，從而造成實(shí)習(xí)任務(wù)未能按時(shí)完成。

3 基于翻轉(zhuǎn)課堂的單片機(jī)硬件實(shí)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)

基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的單片機(jī)硬件實(shí)習(xí)過程，強(qiáng)調(diào)以項(xiàng)目和學(xué)生為中心。教師以學(xué)生能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，擬定切實(shí)可行的項(xiàng)目[4]。項(xiàng)目選題可結(jié)合教師自身的科研項(xiàng)目或企業(yè)課題，應(yīng)具有綜合性、實(shí)用性和適合的難度。最終下達(dá)若干個(gè)實(shí)習(xí)項(xiàng)目給學(xué)生，學(xué)生以2～3人為1個(gè)小組，自由選擇一道題目完成一個(gè)實(shí)物作品。實(shí)習(xí)完成后，由教師驗(yàn)收作品并對小組每位成員進(jìn)行提問。

根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的思想，給出單片機(jī)硬件實(shí)習(xí)的實(shí)施方案，如圖1所示，具體流程如下。

學(xué)習(xí)微視頻 教師根據(jù)每個(gè)實(shí)習(xí)項(xiàng)目的要求，細(xì)化實(shí)習(xí)任務(wù)要點(diǎn)，并分解至各個(gè)單獨(dú)的模塊，將其分別錄制成微視頻。微視頻資源主要包括實(shí)習(xí)任務(wù)的解決方案、各個(gè)模塊的電路演示和大致講解以及軟件操作注意事項(xiàng)等內(nèi)容。學(xué)生在實(shí)習(xí)前自行觀看微視頻，思考教師在微視頻中提出的引導(dǎo)性問題。

進(jìn)行虛擬仿真和實(shí)物制作 學(xué)生學(xué)習(xí)完教學(xué)微視頻后，根據(jù)實(shí)習(xí)任務(wù)要求，使用Proteus軟件設(shè)計(jì)硬件電路，編寫軟件程序，完成虛擬仿真和測試。待Proteus虛擬仿真通過后，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成具體的作品制作。可首先依據(jù)仿真原理圖，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置上連接電路，下載程序以驗(yàn)證硬件測試效果；測試通過后，自行搭建實(shí)際的硬件電路板，對軟硬件進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。在實(shí)習(xí)過程中，師生進(jìn)行討論，教師解答學(xué)生的疑問。

項(xiàng)目驗(yàn)收和總結(jié) 學(xué)生根據(jù)實(shí)習(xí)內(nèi)容撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告，重點(diǎn)分析討論實(shí)習(xí)結(jié)果，總結(jié)微視頻學(xué)習(xí)以及實(shí)習(xí)過程中遇到的問題。指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生作品的完成情況、項(xiàng)目難易程度和創(chuàng)新性以及實(shí)習(xí)報(bào)告等，對學(xué)生的實(shí)習(xí)成績進(jìn)行綜合評定。教師還需根據(jù)學(xué)生反饋信息修改實(shí)習(xí)方案，完善微視頻，為后續(xù)實(shí)習(xí)提供改進(jìn)措施。

4 單片機(jī)硬件實(shí)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)案例

下面以項(xiàng)目“多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例，詳細(xì)說明具體實(shí)施步驟。此任務(wù)基于STC單片機(jī)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，實(shí)現(xiàn)8路通道的電壓信號(hào)采集和顯示，測量的通道通過按鍵切換，采集的數(shù)據(jù)顯示在LCD上，采用8255A并行接口芯片進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的輸入輸出，要求最終完成作品實(shí)物。

在基于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)習(xí)教學(xué)過程中，微視頻可有效地引導(dǎo)學(xué)生熟悉本次實(shí)習(xí)任務(wù)要求，Proteus虛擬仿真能夠使學(xué)生在沒有硬件條件的情況下熟悉電路的搭建和程序的調(diào)試，仿真成功可有效地保證實(shí)物作品的質(zhì)量。微視頻和Proteus仿真環(huán)節(jié)對增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)習(xí)效果起著較大的作用，以下結(jié)合本案例做詳細(xì)說明。

微視頻制作 針對多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，將其分解為ADC數(shù)據(jù)采集、LCD顯示和按鍵處理等幾個(gè)任務(wù)。制作的視頻中包括ADC0809單路采集和基于8255A的流水燈設(shè)計(jì)兩個(gè)單獨(dú)功能的Proteus電路仿真演示和講解，同時(shí)提出相關(guān)引導(dǎo)性問題和提高性要求，例如：ADC0809數(shù)據(jù)傳送方式和8255A的各個(gè)口操作方式是什么？如何完成16路通道的電壓采集？視頻制作完畢后，將微視頻上傳到課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)供學(xué)生下載后自主學(xué)習(xí)[5]。

Proteus虛擬仿真 學(xué)生觀看微視頻后，在熟悉各個(gè)單獨(dú)Proteus仿真模塊的基本上，根據(jù)實(shí)習(xí)任務(wù)的要求，分別進(jìn)行Proteus電路的各個(gè)獨(dú)立模塊的改進(jìn)和整合。針對此實(shí)習(xí)項(xiàng)目，在ADC0809單路采集仿真電路的基礎(chǔ)上完成8路數(shù)據(jù)采集的擴(kuò)充，在基于8255A的流水燈設(shè)計(jì)仿真電路基礎(chǔ)上修改完成基于8255A的LCD顯示。在電路設(shè)計(jì)完成后，學(xué)生需編寫對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)程序。各個(gè)獨(dú)立模塊完成后，實(shí)現(xiàn)電路模塊和程序模塊的整合。圖2顯示了8路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的Proteus仿真原理圖。

5 結(jié)束語

單片機(jī)硬件實(shí)習(xí)教學(xué)是單片機(jī)課程的重要組成部分，針對目前實(shí)習(xí)教學(xué)中存在的問題構(gòu)建基于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)習(xí)教學(xué)過程。此實(shí)習(xí)教學(xué)過程在常州大學(xué)城市軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)13級學(xué)生中進(jìn)行了具體實(shí)施并獲得較好的效果，與往屆學(xué)生相比，實(shí)習(xí)作品的質(zhì)量、按時(shí)完成率均得到較大提高。本文提出的實(shí)習(xí)教學(xué)改革方案可推廣到其他微機(jī)系列課程實(shí)習(xí)中，如微機(jī)原理實(shí)習(xí)、嵌入式系統(tǒng)實(shí)習(xí)等。

參考文獻(xiàn)

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