《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》混合式教學(xué)探索與實(shí)踐

馬春燕 鄭劍海 王淑紅 李志鋒

摘要：在《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程教學(xué)過(guò)程中，為了滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了線上與線下相結(jié)合、講與練相結(jié)合、虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)箱與“口袋機(jī)”相結(jié)合的多種混合教學(xué)模式，特別是引進(jìn)“口袋”實(shí)驗(yàn)室概念，應(yīng)用“口袋機(jī)”這一便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的開(kāi)放式教學(xué)，建立信息化管理系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了“口袋機(jī)”的借用、歸還、預(yù)約、續(xù)借等管理功能，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生“動(dòng)起來(lái)、忙起來(lái)”，使學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中學(xué)習(xí)和掌握系統(tǒng)的知識(shí)體系。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);混合式教學(xué);口袋實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）50-0168-03

新工科是當(dāng)前我國(guó)在面臨新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革和新經(jīng)濟(jì)環(huán)境，基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展提出的新要求。教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”、“天大行動(dòng)”和“北京指南”等指導(dǎo)性文件，指明了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念和工程教育教學(xué)改革的路線，而教學(xué)模式改革是重要途徑[1]。

一、混合式教學(xué)模式

目前，全國(guó)高等學(xué)校的教學(xué)模式包括：傳統(tǒng)課堂教學(xué)、MOOC、SPOC、翻轉(zhuǎn)課堂和混合式教學(xué)模式等[2-4]?；旌鲜浇虒W(xué)模式源自混合式學(xué)習(xí)，可以看作面對(duì)面的課堂學(xué)習(xí)與在線學(xué)習(xí)兩種方式的有機(jī)整合，混合學(xué)習(xí)的核心思想是根據(jù)不同問(wèn)題和要求，采用不同的方式解決問(wèn)題?；旌鲜浇虒W(xué)模式包括教學(xué)形式、教學(xué)技術(shù)、教學(xué)手段和教學(xué)評(píng)價(jià)等四個(gè)方面的混合教學(xué)。教學(xué)形式表現(xiàn)為傳統(tǒng)面對(duì)面學(xué)習(xí)與網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)的混合;教學(xué)技術(shù)表現(xiàn)為視頻、音頻和文本等多媒體技術(shù)的混合;教學(xué)手段表現(xiàn)為教師面授教學(xué)引導(dǎo)與學(xué)生自主學(xué)習(xí)混合;教學(xué)評(píng)價(jià)表現(xiàn)為過(guò)程性評(píng)價(jià)與總結(jié)性評(píng)價(jià)的混合。其核心思想是教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”的混合，要求根據(jù)不同教學(xué)問(wèn)題，采用不同的教學(xué)方式解決，通過(guò)為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的通道和信息傳遞方式，更有利于促進(jìn)學(xué)生接受知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)較為理想的教學(xué)效果[5]。

二、混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)與實(shí)踐

“教學(xué)有法，教無(wú)定法”，這意味著沒(méi)有一個(gè)現(xiàn)成的、放之四海皆準(zhǔn)的混合式教學(xué)模式可以套用。必須根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)并采用不同的教學(xué)模式，完成教學(xué)任務(wù)。

（一）混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)

面對(duì)面課堂教學(xué)以教師的“教”為主要特征的教學(xué)活動(dòng)，教師可以根據(jù)學(xué)生、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)目標(biāo)的不同，選擇一種或多種教學(xué)模式進(jìn)行混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，積極引導(dǎo)學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)和小組學(xué)習(xí)，對(duì)于難于理解和掌握的知識(shí)點(diǎn)，教師可以在課堂上融合多種教學(xué)策略進(jìn)行精講，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)能力，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。在線學(xué)習(xí)以學(xué)生的“學(xué)”為主要特征，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自定步調(diào)、自主學(xué)習(xí)同教師在線指導(dǎo)相結(jié)合。學(xué)生通過(guò)在線網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)對(duì)視頻資源、測(cè)試等任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，借助在線論壇、QQ、微信、Email等方式與其他同學(xué)或教師進(jìn)行同步或異步交流、討論、分享等學(xué)習(xí)互動(dòng)環(huán)節(jié)，方便及時(shí)解決遇見(jiàn)的困難和問(wèn)題。把混合式教學(xué)模式應(yīng)用于《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程的教學(xué)過(guò)程，目的是滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。在課堂上教師講解理論知識(shí)和具體應(yīng)用實(shí)例，帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)展項(xiàng)目實(shí)踐。在網(wǎng)絡(luò)上重現(xiàn)課堂例題操作步驟、錄制視頻，同時(shí)提供拓展高階編程實(shí)踐，并對(duì)學(xué)生項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)行跟蹤管理。對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)形式、教學(xué)技術(shù)、教學(xué)手段，設(shè)計(jì)了線上與線下相結(jié)合、講與練相結(jié)合、虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)箱與“口袋機(jī)”相結(jié)合的多種混合教學(xué)模式，旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

（二）混合式教學(xué)模式實(shí)踐

以《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程為例，進(jìn)行混合式教學(xué)模式的探索與實(shí)踐。課程主要內(nèi)容包括單片機(jī)結(jié)構(gòu)及原理、匯編語(yǔ)言指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)、接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)三大部分。各部分內(nèi)容緊密相關(guān)，但又各具特點(diǎn)，需要采用不同的教學(xué)方法和手段進(jìn)行教學(xué)。

1.線上與線下相結(jié)合。單片機(jī)結(jié)構(gòu)及原理部分，介紹AT89S52單片機(jī)片內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)和引腳功能，要求重點(diǎn)掌握AT89S52單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、特殊功能寄存器的基本功能以及復(fù)位電路與時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)，建立單片機(jī)最小系統(tǒng)的概念。這部分教學(xué)采用線上與線下相結(jié)合的教學(xué)方式，學(xué)生提前線上觀看教學(xué)視頻，對(duì)AT89S52單片機(jī)先有一個(gè)總體認(rèn)識(shí)，然后帶著問(wèn)題進(jìn)入課堂，聽(tīng)教師講解分析教學(xué)難點(diǎn)和重點(diǎn)，師生展開(kāi)面對(duì)面的討論和學(xué)習(xí)，化解難點(diǎn)，掌握重點(diǎn)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

2.講與練相結(jié)合。匯編語(yǔ)言指令系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)部分，介紹8051單片機(jī)匯編語(yǔ)言指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)掌握111條指令的格式及功能，順序結(jié)構(gòu)、查表、分支轉(zhuǎn)移、循環(huán)等程序的基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法。對(duì)于這部分內(nèi)容，采用基于虛擬仿真軟件，講與練相結(jié)合的教學(xué)方式，應(yīng)用Keil μVision單片機(jī)集成仿真軟件，學(xué)習(xí)并運(yùn)行指令和程序，觀察每條指令執(zhí)行中，寄存器和指針的變化以及程序的執(zhí)行過(guò)程，邊講邊練，使學(xué)生能更加直觀、形象地學(xué)習(xí)和掌握指令的功能和編程的技巧。

3.虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，介紹單片機(jī)片內(nèi)資源的結(jié)構(gòu)以及接口電路的設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)包括AT89S52單片機(jī)中斷系統(tǒng)、定時(shí)器、串行接口、LED/LCD顯示器、開(kāi)關(guān)/鍵盤、ADC與DAC等內(nèi)容。對(duì)于這部分內(nèi)容，采用虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，在Proteus仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建功能電路，編寫初始化及功能程序，初步學(xué)習(xí)和了解定時(shí)器的定時(shí)、計(jì)數(shù)及中斷、串行通信、LED顯示器、開(kāi)關(guān)輸入、鍵盤掃描的工作原理及編程方法，而后在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱上插接電路，構(gòu)成硬件系統(tǒng)，全面熟悉并掌握單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)、測(cè)試、編程及調(diào)試的步驟和方法。

4.實(shí)驗(yàn)箱與“口袋機(jī)”相結(jié)合。目前，全國(guó)各高校普遍采用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)箱可靠性強(qiáng)，但是實(shí)驗(yàn)箱的接口電路基本固定，不具備再開(kāi)發(fā)的功能，不利于學(xué)生發(fā)散思維的訓(xùn)練，同時(shí)受空間和時(shí)間限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)滯后于課堂教學(xué)，很難保證學(xué)生在有實(shí)驗(yàn)激情和創(chuàng)作靈感的時(shí)候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)與探索。因此在實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，為了有效提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手和創(chuàng)新實(shí)踐能力，在教學(xué)過(guò)程中，采用實(shí)驗(yàn)箱與“口袋機(jī)”相結(jié)合的開(kāi)放式教學(xué)方式，打破傳統(tǒng)固定實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間的限制，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生動(dòng)起來(lái)、忙起來(lái)，使學(xué)生在硬件實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和項(xiàng)目實(shí)踐中學(xué)習(xí)和掌握單片機(jī)的知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)綜合運(yùn)用能力和工程實(shí)踐能力。（1）“口袋機(jī)”教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在的空間和時(shí)間相對(duì)固定，不能滿足學(xué)生隨學(xué)、隨做的需求問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于“口袋機(jī)”的“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”開(kāi)放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)由“口袋機(jī)”主機(jī)、接口模塊、虛擬終端顯示微信小程序及借用管理系統(tǒng)組成。學(xué)生可以像借閱圖書(shū)一樣，用學(xué)生證便可借用“口袋機(jī)”和接口模塊，在寢室、圖書(shū)館、自習(xí)室，甚至任何一個(gè)可以學(xué)習(xí)的地方，隨時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，完成課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新活動(dòng)。（2）“口袋機(jī)”主機(jī)?！翱诖鼨C(jī)”主機(jī)采用“核心板+底板+功能擴(kuò)展板+虛擬外設(shè)”的設(shè)計(jì)理念，功能可搭配，便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)及項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。“口袋機(jī)”尺寸為135mm×90mm×20mm，體積小，便于攜帶，功耗低，可以隨時(shí)隨地邊學(xué)、邊練?！翱诖鼨C(jī)”主芯片采用STCmicro宏晶科技公司IAP15W4K58S4單片機(jī)，可以完成發(fā)光二極管流水燈控制、紅外傳感器測(cè)距、獨(dú)立按鍵控制流水燈以及OLED顯示等實(shí)驗(yàn)?！翱诖鼨C(jī)”外形及核心板如圖1所示。（3）“口袋機(jī)”接口模塊。系統(tǒng)共有13個(gè)接口模塊，包括矩陣鍵盤與撥碼開(kāi)關(guān)模塊、16×16點(diǎn)陣顯示模塊、7段LED數(shù)碼管模塊、電機(jī)控制模塊、十字路口交通燈控制模塊和繼電器控制模塊，尺寸為100mm×55mm，通過(guò)GPIO的A口和B口與“口袋機(jī)”主機(jī)相連。可以完成矩陣鍵盤控制、矩陣鍵盤控制、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示、直流電機(jī)調(diào)速、交流電機(jī)PWM調(diào)速、智能交通燈和繼電器控制等實(shí)驗(yàn)。（4）“口袋機(jī)”虛擬終端顯示微信小程序?！翱诖鼨C(jī)”底板上設(shè)計(jì)有WiFi、藍(lán)牙、無(wú)線射頻單元電路，可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的虛擬終端程序發(fā)送信息，在智能手機(jī)上顯示程序運(yùn)行結(jié)果，即虛擬終端顯示功能。使用WiFi功能，可以實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的信息傳輸，便于教師演示性教學(xué)，不受時(shí)間、空間和設(shè)備限制，可以隨時(shí)發(fā)布教學(xué)信息，便于學(xué)生實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。智能手機(jī)關(guān)注“北京杰創(chuàng)永恒科技有限公司”微信公眾號(hào)，進(jìn)入“杰創(chuàng)POK虛擬終端”，打開(kāi)手機(jī)藍(lán)牙或接入WiFi局域網(wǎng)，“口袋機(jī)”上電，搜索附近的“口袋機(jī)”設(shè)備，連接成功后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)列表界面。以交通燈實(shí)驗(yàn)為例，點(diǎn)擊交通燈實(shí)驗(yàn)，“口袋機(jī)”開(kāi)始運(yùn)行控制程序，數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙或WiFi實(shí)時(shí)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)，顯示“十字路口”交通燈的控制場(chǎng)景，如圖2所示。（5）“口袋機(jī)”借用管理系統(tǒng)。通過(guò)“口袋機(jī)”借用管理系統(tǒng)，學(xué)生使用學(xué)生證即可完成借用和歸還，實(shí)現(xiàn)“口袋機(jī)”的借用、歸還、預(yù)約、續(xù)借等管理功能，共享“口袋機(jī)”實(shí)驗(yàn)設(shè)備，隨借、隨用，打破傳統(tǒng)固定實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間的限制，使學(xué)生在課堂上積極動(dòng)腦學(xué)習(xí)，課后有靈感、有想法時(shí)就可以拿出“口袋機(jī)”做實(shí)驗(yàn)，鞏固和拓展知識(shí)面。

三、結(jié)語(yǔ)

混合教學(xué)是在對(duì)在線學(xué)習(xí)反思的基礎(chǔ)上形成的新的術(shù)語(yǔ)，不只是線上和線下兩種形式的簡(jiǎn)單組合，而是要充分發(fā)揮和利用在線學(xué)習(xí)和面對(duì)面教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)“混合”促進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)模式的變革。因此，混合教學(xué)模式可以說(shuō)是一個(gè)教學(xué)理念的回歸，又是一個(gè)發(fā)展。混合式教學(xué)模式在《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用和實(shí)踐，收到了良好的教學(xué)效果。混合式教學(xué)模式課程設(shè)計(jì)的理論探索和實(shí)踐應(yīng)用的不斷深化，將為越來(lái)越多的學(xué)生帶來(lái)優(yōu)化的學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]伍龍，苗磊，黃凱峰.新工科下單片機(jī)課程混合式教學(xué)模式改革[J].淮南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，21（113）：132-136.

[2]王婷婷，彭熙，葛非.SPOC與翻轉(zhuǎn)課堂混合教學(xué)模式在通識(shí)教育中的應(yīng)用[J].科技文匯，2019，4（456）：124-126.

[3]李克東，趙建華.混合學(xué)習(xí)的原理與應(yīng)用模式[J].電化教育研究，2004，7（135）：1-6.

[4]陳雅.基于混合式學(xué)習(xí)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)[J].中國(guó)成人教育，2017，（2）：85-87.

[5]孫娜，劉永良，孫向南.“互聯(lián)網(wǎng)+”新時(shí)代背景下混合形態(tài)教學(xué)模式構(gòu)建[J].計(jì)算機(jī)教育，2019，（2）：102-106.