基于翻轉課堂的單片機原理及應用課程教學改革

王春榮，夏爾冬，衛(wèi) 沅，鄭飛杰

（1.三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004；2.河南科技大學車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003）

單片機原理及應用是電子技術專業(yè)和機械設計制造及其自動化等本科學生的專業(yè)必修課，同時也是一門實踐性很強的課，該門課運用到電工學、C程序設計、機電技術、電工學、自動控制原理等前續(xù)課程的知識[1-2]，使得該課程具有內(nèi)容多、學時少、學習難度大的特點。基于傳統(tǒng)的教學方式，往往把有限的學時更多地分配給了理論教學，被動的“滿堂灌”式的理論教學，難免會顯得枯燥單一，缺乏互動性，進而使得學生失去學習的主動性。由于實驗學時的不足，也決定了實驗的內(nèi)容更多的是以驗證性為主的簡單實驗，使得理論知識與實踐無法很好地結合，學生的實際動手能力與自主創(chuàng)新能力得不到有效鍛煉。

“翻轉課堂”是一種能較好地解決上述問題的教學改革方案[3]。翻轉課堂這種教學模式，借助于便捷的網(wǎng)絡通信技術，以微視頻、PPT等形式的教學多媒體為核心，把教學場地與時間，從空間與時間上都進行了有效延伸，不僅可以克服傳統(tǒng)教學方式下，時間與空間的不足或限制，而且還可以有效提高學生的自主學習能力，把更多的學習內(nèi)容與更多的學習主動性交給學生。傳統(tǒng)模式下的45 min教學課堂，成為了師生之間或討論或引導的時間與場地。將教師與學生在教學過程中的角色進行了翻轉，體現(xiàn)了以學生的自主學習為中心、教師的組織引導為輔助的教學特點。相比傳統(tǒng)教學模式，“翻轉課堂”模式往往具有更好的教學效果[4]。為此，本文在對傳統(tǒng)教學方式的不足進行分析的基礎上，提出了一種以“翻轉課堂”為核心的教學改革方案。

1 基于翻轉課堂的單片機原理及應用課程改革

1.1 翻轉課堂

翻轉課堂即所謂的顛倒課堂，是一種與傳統(tǒng)教學模式完全不同的創(chuàng)新型教學模式。翻轉課堂改變了教學中教師與學生的角色，與傳統(tǒng)教學模式不同，翻轉課堂教學模式的主體是學生，學生在課下自主的安排時間對各個知識點進行學習，總結疑問；然后在課堂上針對疑惑問題進行討論，將課堂轉變以學生為主體的答疑解惑過程。

1.2 可行性分析

單片機原理及應用是一門應用性、綜合性較強的課程，不但要求學生掌握所學的理論知識，而且還應將理論知識應用到實踐中。目前，單片機原理及應用課程多采用傳統(tǒng)的教學模式，即以教師為中心向學生講授理論知識的教學模式。傳統(tǒng)的教學模式，不僅存在著知識的強行灌輸、“填鴨式”教學，使得學生難以真正融入到課程中、與教師互動少、對課程學習興趣低等[5-6]；而且往往存在教師在講臺上講的津津有味、自我感覺良好，而學生則是云里霧里、不知所云的現(xiàn)象。此外，課程涉及的內(nèi)容包括單片機內(nèi)部硬件結構與程序設計兩大部分，課程內(nèi)容抽象，學生普遍反映較難理解，而且利用傳統(tǒng)的教學模式，教師很難在課堂上利用有限的時間調(diào)動學生的自主學習積極性、提高學生學習效率和教學效果等。

翻轉課堂特別適合單片機原理及應用課程中單片機引腳的介紹、內(nèi)外部結構、指令系統(tǒng)、程序設計、系統(tǒng)擴展等內(nèi)容。由于這些知識在課程中將反復應用，教師可將以上課程內(nèi)容制作成視頻，上傳至我校使用的“學習通”APP軟件中，學生可在課前觀看視頻，并借助“學習通”的聊天功能與班級的學生或教師進行交流，或在課堂上學生根據(jù)自己的疑問與教師進行討論或小組內(nèi)討論，加強了學生與教師的互動。課后學生可還以隨時觀看視頻并結合PPT對自己忘記的知識進行鞏固學習。因此，將翻轉課堂引入到單片機原理及應用課程中能夠彌補傳統(tǒng)教學模式的不足，提高學生的學習效率和教師的教學效果。

1.3 循環(huán)程序設計的翻轉課堂教學設計

循環(huán)程序設計是本課程的一個重點與難點，幾乎在各種實際應用中都離不開循環(huán)程序。然而，由于設計循環(huán)體、循環(huán)次數(shù)以及循環(huán)次數(shù)的修改一直是學生的難點。本文以循環(huán)程序設計為例，介紹提出的翻轉課程與實踐操作相結合教學設計的具體實施，具體如表1所示。在設計的教學過程中始終以學生為主體，以激發(fā)學生的自主學習積極性和提高實踐能力、學習興趣為切入點，并引入跑馬燈將理論知識與實踐緊密結合，提高教學效果且符合我校應用型本科辦學的特點。

表1 教學設計Tab.1 Teaching design

1.4 翻轉課堂與科技競賽結合的實驗教學改革

1.4.1 實驗教學現(xiàn)存問題

實驗環(huán)節(jié)是建立在學生掌握了所需的理論知識的基礎上，并且是對理論知識查缺補漏的一種手段，更重要的是培養(yǎng)學生的實踐能力。但目前各個高校的單片機實驗多以驗證性實驗為主，例如簡單的跑馬燈實驗、矩陣鍵盤實驗、串行通信實驗、外部中斷實驗等。這些實驗基本上都能從課本上或者是實驗指導手冊上查閱到相關的資料，即學生基本上可以照葫蘆畫瓢的完成實驗，缺乏一定的創(chuàng)新，不能有效的培養(yǎng)學生的實踐能力和團隊協(xié)作能力；而且學生在完成了實驗環(huán)節(jié)之后，對單片機的實際應用也知之甚微，無法通過實驗激發(fā)學生的學習興趣。

1.4.2 改革措施

針對傳統(tǒng)實驗多為驗證性實驗，引入與單片機相關的科技競賽（例如：電子設計大賽、世界機器人大賽機器人格斗賽、世界機器人大賽機器人格斗賽技術挑戰(zhàn)等）對實驗教學進行改革。教師通過翻轉課堂教學模式，了解到學生對單片機課程的掌握程度，將歷年競賽中的關鍵技術提煉成各個創(chuàng)新實驗，并將學生分組來完成不同的實驗。這樣的實驗內(nèi)容不僅具有較大的創(chuàng)新性，而且杜絕了學生復制他人程序的情況，有效的提高了學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。同時，可以邀請歷年參加比賽并獲獎的高年級學生錄制與實驗相關或者是調(diào)試機器人程序過程遇見的各種問題的視頻，學生通過觀看這些視頻不僅有助順利完成實驗任務，而且可通過學長參加競賽獲獎來激發(fā)學生自主學習的興趣。具體改革措施詳見圖1。

圖1 翻轉課堂與科技競賽結合的實驗教學改革Fig.1 The experiment teaching reform of the combination of the overturned classroom and the science and technology competition

1.4.3 具體實例

本節(jié)以“機器人登臺實驗”為例，詳細介紹改革措施的具體實施。本實驗基于單片機，通過機器人尾部兩個紅外傳感器采集信息，判斷機器人是否已經(jīng)上臺，（當機器人本體未全部登臺時，通過電機控制最前兩輪前傾，使得機器人重心靠前，增加登臺的成功率與速度；當機器人已經(jīng)登臺時，控制最前兩輪立起，準備執(zhí)行相應任務），最終完成機器人模塊搭建和程序調(diào)試，機器人登臺具體過程如圖2所示。

圖2 機器人登臺過程Fig.2 The robot steps onto the stage

（1）制作微視頻

針對實驗需完成的內(nèi)容，將其分解為機器人模塊拼接、紅外信息的采集、電機轉速的控制、電機轉角的控制等子任務，并制作相應的視頻講解和PPT。同時，指出相關問題，如：P3口的第二功能有哪些？TIMER1和TIMER2分別是幾位的定時器計數(shù)器？PWM波產(chǎn)生的原理等。錄制完視頻之后，上傳至學習通平臺，供學生觀看學習。

（2）實驗實施過程

首先，學生可在課外時間通過“學習通”平臺觀看微視頻和PPT等相關材料，明確實驗任務、目的、重難點、機器人各模塊的功能和拼接要點。然后，在上課時主要完成機器人模塊的拼接和相對應程序的調(diào)試。具體如圖3所示。

圖3 實驗實施過程Fig.3 Experimental procedure

1.5 考核方式改革

目前，單片機原理及應用課程的考核方式多以期末理論考試為主，或者期末考試占70%、實驗考核占30%。單一以期末考試為主的考核方式，使得學生不注重平時學習和實踐能力的訓練，期末搞突擊，并且考試作弊情況多發(fā)。期末考試與實驗考核相結合的考核方式雖然優(yōu)于單一以期末為主的考核，但是在普通的驗證性實驗環(huán)節(jié)中，有些學生通過復制別人程序來完成實驗，這導致了實驗考核與實際情況存在著較大偏差。

翻轉課堂教學模式主要分為課前學習、問題提煉與反饋、問題的討論與解決[7-8]。為了避免單一考核方式引起的考核結果偏差，本文結合翻轉課堂教學模式對考核方式進行改革，具體考核方式為：翻轉課堂為20%、平時成績?yōu)?0%、科技競賽與考證為10%、創(chuàng)新實驗為20%、期末成績?yōu)?0%。具體考核依據(jù)如表2所示。

表2 考核方式Tab.2 Evaluation method

通過對于傳統(tǒng)考核方式進行改革，提高了學生自主學習興趣、參加各類科技競賽的積極性、提煉問題的能力。其中翻轉課堂模式與科技競賽創(chuàng)新實驗的提出，真正使學生在課前自主的對課堂內(nèi)容進行學習，并且提高了實際動力能力。

2 教學改革結果分析

2016年提出了上述改革方案，并在機械設計制作及其自動化專業(yè)的本科生中進行了教學實踐。表3給出了改革前后，學生參加電工考證和參加部分科技競賽的對比情況。分析表1可以發(fā)現(xiàn)，通過本文教學改革方法的實施，大幅度地提高了學生參加電工考證和參加科技競賽的比率，并且獲2017年和2018年世界機器人大賽，機器人格斗賽無差別輪式機器人2V2-大學組冠軍，以及2018年世界機器人大賽，機器人格斗賽技術挑戰(zhàn)-大學組季軍等佳績。這些都表明：通過翻轉課堂的教學改革，學生的實際動手能力、創(chuàng)新能力得到了較明顯的提高。

表3 教學改革前后對比分析Tab.3 Comparison before and after the teaching reform

3 結論

本文在對傳統(tǒng)教學方式的不足進行分析的基礎上，為了提高我校單片機原理及應用課程的教學效果，提出了一種基于翻轉課堂的教學改革方案。三年多的教學實踐表明，本文提出的翻轉課堂教學模式，借助于微視頻等教學媒介，以及在任課教師的精心組織與引導下，不僅能夠較好地克服傳統(tǒng)教學模式的不足，而且使得教師能夠真正督促與把握學生的學習情況，從而激發(fā)了學生自主學習的積極性；同時，翻轉課堂與科技競賽結合的創(chuàng)新型實驗教學方式和考核方式，也在提高學生的實際動手能力和創(chuàng)新能力方面，起到了很明顯的促進和督促作用。本文所提的教學改革方案，為單片機原理及應用課程的教學改革，提供了一種參考方案。