單片機(jī)課程“學(xué)教并重”混合式教學(xué)探索

曹淑瑛 鄭加駒 耿讀艷 孫景峰 王宇哲

摘?要：在當(dāng)前“減學(xué)時(shí)強(qiáng)能力”的教育環(huán)境下，依據(jù)單片機(jī)課程特點(diǎn)、教學(xué)中存在的問題，并結(jié)合本專業(yè)實(shí)際情況，提出了實(shí)驗(yàn)與理論緊密結(jié)合的“學(xué)教并重”混合式教學(xué)模式。利用信息化教學(xué)手段對(duì)課前、課中、課后所有實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，引進(jìn)Keil+Protues虛擬仿真技術(shù)，采用“學(xué)教并重”教育理念，分層設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)實(shí)踐表明，這種教學(xué)模式能有效提高教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);混合式教學(xué);虛擬仿真技術(shù);學(xué)教并重

單片機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)自動(dòng)化、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，該課程是一門應(yīng)用性、實(shí)踐性和綜合性很強(qiáng)的課程。本課程涉及數(shù)電、模電、C語言、控制理論、電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)等知識(shí)，是教育部和工信部舉辦的各項(xiàng)大學(xué)生競賽必不可少的工具[1]，在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)中起著重要作用，在電氣、自動(dòng)化、機(jī)電一體化、通信等專業(yè)課程教學(xué)體系中起著承上啟下的作用。

然而，本課程學(xué)時(shí)數(shù)卻在不斷縮減，且很多高校的授課對(duì)象已從大三學(xué)生變?yōu)闊o計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)和無專業(yè)知識(shí)的大二學(xué)生。在當(dāng)前“減學(xué)時(shí)強(qiáng)能力”的教育環(huán)境下，對(duì)課程教學(xué)改革迫在眉睫。

一、課程教學(xué)存在的問題

（一）理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)

本課程理論知識(shí)點(diǎn)繁雜、內(nèi)容抽象，在教學(xué)中既須掌握硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，也須掌握硬件與軟件的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)仿真和協(xié)調(diào)調(diào)試，因此其理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須緊密結(jié)合。目前，教學(xué)多數(shù)仍是“先講解理論、后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”。授課與實(shí)驗(yàn)時(shí)間可能相差1～2周，學(xué)生在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的想法和存在的疑問不能得到及時(shí)驗(yàn)證和解決，學(xué)習(xí)主動(dòng)性下降。

（二）教學(xué)模式待改進(jìn)

教學(xué)模式主要有三種：“以教師為中心”填鴨式、以“學(xué)生為中心”翻轉(zhuǎn)課堂式和“學(xué)教并重”混合式。填鴨教學(xué)，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，不適合創(chuàng)新性人才培養(yǎng)。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)可培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，但對(duì)于無計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)的大二學(xué)生來說，很難掌握單片機(jī)“軟硬件兼施開發(fā)與應(yīng)用”。課堂面授、MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等相結(jié)合的“學(xué)教并重”混合式教學(xué)開始出現(xiàn)[24]，而如何根據(jù)本課程特點(diǎn)，進(jìn)行混合式教學(xué)需要深入研究。

（三）教學(xué)內(nèi)容需更新

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集成度高，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生常只進(jìn)行簡單連線，不能自行設(shè)計(jì)與搭建硬件，使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理不能充分掌握，且常因?qū)嶒?yàn)器材等的限制，放棄有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，挫傷學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性。雖然不少高校開展“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，旨在探索個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，但還處于起步階段。此外，隨著單片機(jī)技術(shù)（如嵌入式、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+人工智能等）迅猛發(fā)展，需更新教學(xué)內(nèi)容，來滿足應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求。

二、課程教學(xué)模式改革探索

依據(jù)課程特點(diǎn)和教學(xué)中存在的問題，結(jié)合本校電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)實(shí)際情況：授課學(xué)時(shí)僅40、授課人數(shù)400多人，授課對(duì)象為無計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)和專業(yè)知識(shí)的大二學(xué)生，課程組引進(jìn)Keil+Protues虛擬仿真技術(shù)，采用“學(xué)教并重”教育理念，利用雨課堂、MOOC、超星、單片機(jī)技術(shù)等各種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，打破教學(xué)上時(shí)間與空間的壁壘，提出下圖所示的實(shí)驗(yàn)與理論緊密結(jié)合的混合式教學(xué)模式，對(duì)課前、課中、課后所有教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)踐教學(xué)中，將單片機(jī)實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)層次，并依據(jù)這4個(gè)層次實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化教學(xué)方式和內(nèi)容。

（一）基礎(chǔ)層實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)層實(shí)驗(yàn)，如Keil+Proteus流水燈控制實(shí)驗(yàn)，是針對(duì)51系列單片機(jī)理論知識(shí)點(diǎn)設(shè)置的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，教學(xué)方式上以教師為主。理論課上，教師借助雨課堂將知識(shí)點(diǎn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合（例表1仿真實(shí)驗(yàn)與理論知識(shí)點(diǎn)的鏈接），實(shí)現(xiàn)課堂信息化溝通，采用演示法、講練互評(píng)等教學(xué)方法，營造自主學(xué)習(xí)氛圍，學(xué)生依據(jù)資料和授課，快速掌握課程基礎(chǔ)知識(shí)、Keil+Proteus仿真軟件及其調(diào)試等技能。

（二）設(shè)計(jì)層實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)層實(shí)驗(yàn)是融合若干知識(shí)點(diǎn)設(shè)置的“虛擬仿真+實(shí)物驗(yàn)證”實(shí)驗(yàn)。課程將輸入、輸出電路加上單片機(jī)的查詢、中斷及定時(shí)器控制等，構(gòu)成難度適中的“硬件模塊+軟件模塊”設(shè)計(jì)層實(shí)驗(yàn)，如按鍵控制數(shù)碼管、外部中斷溫度預(yù)警控制、定時(shí)器按鍵掃描LCD顯示等。教學(xué)方式上教師與學(xué)生并重。理論課上，教師借助雨課堂演示和講練該類實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)、設(shè)計(jì)思想和難點(diǎn)。課堂下，學(xué)生利用Keil+Protues軟件編寫程序、設(shè)計(jì)電路完成整個(gè)仿真調(diào)試。實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)器材，依據(jù)仿真原理進(jìn)行實(shí)物連接，排查電路，進(jìn)行實(shí)物調(diào)試，最終完成“虛擬仿真+實(shí)物驗(yàn)證”相結(jié)合的實(shí)踐體檢。此類實(shí)驗(yàn)可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程三大主題：“軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同仿真和協(xié)同調(diào)試”的理解和靈活運(yùn)用。

（三）應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)具有應(yīng)用背景的單片機(jī)系統(tǒng)，是單片機(jī)走向應(yīng)用的關(guān)鍵。為了保證應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)順利完成，將實(shí)驗(yàn)由易到難分為三個(gè)模塊：（1）模塊1，數(shù)字時(shí)鐘、簡易報(bào)警器、可調(diào)PWM輸出控制器、簡易計(jì)算器等;（2）模塊2，波形發(fā)生器、電壓采集顯示控制、步進(jìn)電機(jī)控制等;（3）模塊3，溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、出租車計(jì)價(jià)器、萬年歷等。教學(xué)方式上以教師為輔，學(xué)生為主。學(xué)期開課時(shí)，教師將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)放，并為學(xué)生提供參考資料，學(xué)生可按照自身水平進(jìn)行選擇。課堂下，學(xué)生基于“軟硬件模塊化設(shè)計(jì)思想”，利用Keil+Protues仿真軟件編寫主程序和各個(gè)模塊化子程序，并設(shè)計(jì)各模塊硬件電路，完成整個(gè)“硬件模塊+軟件模塊”仿真調(diào)試、PCB制版和三維PCB生成等“虛擬仿真系統(tǒng)”內(nèi)容。限于學(xué)時(shí)少和學(xué)生過多，實(shí)驗(yàn)課上僅要求學(xué)生展示和互評(píng)“虛擬仿真系統(tǒng)”。對(duì)于有制作實(shí)物需求的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)室提供輔導(dǎo)。該實(shí)驗(yàn)過程包含著對(duì)課程內(nèi)容的全面領(lǐng)悟、對(duì)應(yīng)用的初步體驗(yàn)、以及對(duì)模電、數(shù)電、電機(jī)學(xué)等知識(shí)的綜合應(yīng)用，這三者均屬于深刻的實(shí)踐經(jīng)歷。

（四）創(chuàng)新綜合層實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新綜合層實(shí)驗(yàn)為結(jié)合社會(huì)研究熱點(diǎn)和本專業(yè)特點(diǎn)的具有極強(qiáng)應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)，如電機(jī)智能控制系統(tǒng)[1，5]、電磁饋能懸架控制系統(tǒng)[6，7]和環(huán)境智能監(jiān)測(cè)儀等。教學(xué)方式上，學(xué)生和教師共同利用課余時(shí)間完成收集資料、商定方案、調(diào)試和驗(yàn)證等過程。

步進(jìn)電機(jī)作為電氣自動(dòng)化專業(yè)的典型執(zhí)行元件，具有成本低、快速啟停、定位準(zhǔn)確及步距誤差不累計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用在數(shù)控設(shè)備、機(jī)器人、家居和醫(yī)療等領(lǐng)域中[5]，也在大學(xué)生各種科技競賽中廣泛采用[1]。本課程將“基于STM32的步進(jìn)電機(jī)智能控制系統(tǒng)”實(shí)物制作實(shí)驗(yàn)作為創(chuàng)新綜合層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該系統(tǒng)分為手動(dòng)按鈕、語音、手機(jī)APP、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)等模塊，可通過按鈕、語音、手機(jī)遠(yuǎn)程這三種方式控制步進(jìn)電機(jī)，極大拓寬了電機(jī)的使用范圍，真正實(shí)現(xiàn)了理論、實(shí)踐與應(yīng)用的高度融合。

電磁饋能半主動(dòng)懸架[6]可利用旋轉(zhuǎn)或直線電機(jī)回收車輛懸架上可觀的振動(dòng)能，有望解決被動(dòng)懸架阻尼不可調(diào)、減振效果差的問題，也有望克服主動(dòng)懸架高能耗減振的缺陷，因而成為研究熱點(diǎn)。本課程將“基于單片機(jī)的電磁懸架半主動(dòng)控制系統(tǒng)”這一復(fù)雜工程問題的仿真實(shí)驗(yàn)作為創(chuàng)新綜合層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該控制系統(tǒng)采用天棚算法和雙滯環(huán)電流控制器相結(jié)合的混合控制策略，利用單片機(jī)生成晶體管Q1Q4的脈沖信號(hào)S1S4來控制AC/DC雙向變換器，來實(shí)現(xiàn)低能耗饋能減振。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目利用本課程應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)中“波形發(fā)生器”和“電機(jī)控制”等內(nèi)容，建立了單片機(jī)課程與同步課程（如數(shù)電、模電等）和后續(xù)專業(yè)核心課程（如自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)等）之間的聯(lián)系，是單片機(jī)在新能源汽車智能控制中的典型應(yīng)用[7]。

該類創(chuàng)新綜合層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可促進(jìn)學(xué)生綜合能力提高，同時(shí)加強(qiáng)教師實(shí)踐性知識(shí)的積累和教學(xué)內(nèi)容的整合能力，促進(jìn)教師職能向?qū)熉毮艿霓D(zhuǎn)變。

三、結(jié)語

依據(jù)課程特點(diǎn)、教學(xué)中存在的問題，結(jié)合本專業(yè)實(shí)際情況，提出了實(shí)驗(yàn)與理論緊密結(jié)合的“學(xué)教并重”混合式教學(xué)模式。實(shí)現(xiàn)了“學(xué)以致用”的教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐和創(chuàng)新能力，提高了教師的綜合能力，推進(jìn)了課程優(yōu)質(zhì)建設(shè)。

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作者簡介：曹淑瑛（1970—?），女，天津人，教授，研究方向：系統(tǒng)建模、測(cè)試及控制技術(shù)。