“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”融入虛擬仿真教學(xué)案例設(shè)計(jì)及實(shí)踐
——以彩屏顯示硬件環(huán)境搭建為例

胡 耀，劉文晶，林麒麟

（重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 401520）

2018 年4 月-2022 年11 月教育部相繼發(fā)布了《教育信息化2.0 行動計(jì)劃》《職業(yè)院校數(shù)字校園建設(shè)規(guī)范》《職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)指南》等一系列文件，全方位涵蓋了平臺建設(shè)、資源建設(shè)以及課程建設(shè)等內(nèi)容，進(jìn)一步推進(jìn)了信息技術(shù)和職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)的深度融合，各高校從虛擬仿真平臺建設(shè)到虛擬仿真資源建設(shè)，再到虛擬仿真課程建設(shè)都給予了高度重視[1-4]。因此，如何開展以虛擬仿真實(shí)訓(xùn)為核心的實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革已成為各高校改革的重點(diǎn)內(nèi)容。

“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”是重慶工商職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)和應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，共54 學(xué)時(shí)，是為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和開發(fā)技能訓(xùn)練而設(shè)置的。該課程涉及方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、調(diào)試運(yùn)行等職業(yè)技能，是一門技術(shù)性、專業(yè)性、實(shí)踐性、綜合性都很強(qiáng)的課程，被廣泛應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車、機(jī)電一體化設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)、智能儀器儀表、家用電器、通信導(dǎo)航系統(tǒng)、個(gè)人數(shù)字處理器、辦公設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域，是學(xué)生從業(yè)能力形成的一門關(guān)鍵課程。本課程目前已建設(shè)為重慶市線上線下混合式教學(xué)一流課程，課程教學(xué)過程中有效運(yùn)用了虛擬仿真等信息化教學(xué)資源和手段。以“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”中彩屏顯示硬件環(huán)境搭建這一教學(xué)任務(wù)為切入點(diǎn)，對融入虛擬仿真資源的整體教學(xué)實(shí)施進(jìn)行設(shè)計(jì)，期望為同類型課程提供教學(xué)改革的思路。

1 課程設(shè)計(jì)思路

“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”課程立足電子產(chǎn)品開發(fā)崗位需求，依據(jù)高等職業(yè)學(xué)校應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和人才培養(yǎng)方案，對接全國職業(yè)院校技能大賽電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽和物聯(lián)網(wǎng)單片機(jī)應(yīng)用與開發(fā)職業(yè)技能“1+X”等級標(biāo)準(zhǔn)（中級）的任務(wù)考核要求，基于實(shí)際崗位工作過程和學(xué)生認(rèn)知能力進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，重新序化課程內(nèi)容，構(gòu)建模塊化課程體系。通過課程的學(xué)習(xí)完成“人機(jī)交互機(jī)器人控制系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

課程中的“人機(jī)交互機(jī)器人控制系統(tǒng)”能夠按照功能要求實(shí)現(xiàn)規(guī)定動作。此產(chǎn)品的核心板使用學(xué)院已有實(shí)訓(xùn)設(shè)備，基于此核心板進(jìn)行其他模塊的電路設(shè)計(jì)以及整體控制程序的編寫擬實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能。該產(chǎn)品共包含四大功能組成模塊，分別為：人機(jī)交互模塊、電機(jī)控制模塊、長征路多維呈現(xiàn)模塊、長征路智能導(dǎo)覽模塊。每個(gè)模塊又分為多個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)習(xí)任務(wù)以基于典型工作過程形式設(shè)計(jì)，分為方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和聯(lián)調(diào)測試，每一典型工作環(huán)節(jié)按照資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施、檢查和評價(jià)六步驟展開。

2 虛擬仿真教學(xué)實(shí)施案例設(shè)計(jì)

2.1 案例分析

2.1.1 內(nèi)容分析

彩屏顯示硬件環(huán)境搭建是“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”課程模塊三：長征路多維呈現(xiàn)中彩屏顯示學(xué)習(xí)任務(wù)中的教學(xué)內(nèi)容，如圖1 所示。本任務(wù)主要完成彩屏畫面模塊硬件環(huán)境的搭建，實(shí)現(xiàn)重走長征路中的畫面呈現(xiàn)環(huán)節(jié)的硬件基礎(chǔ)，為后續(xù)程序編寫做好準(zhǔn)備。

圖1 案例內(nèi)容分析

2.1.2 學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)完成了人機(jī)交互模塊和電機(jī)控制模塊內(nèi)容的學(xué)習(xí)，具備了搖桿電機(jī)、按鍵、搖桿模塊基礎(chǔ)知識，學(xué)生能夠進(jìn)行按鍵、電機(jī)、搖桿模塊電路的設(shè)計(jì)與程序編寫，掌握了語音芯片工作原理，同時(shí)學(xué)生完成了課前教師在智慧課堂教學(xué)平臺上推送的學(xué)習(xí)任務(wù)及課前測試。此外，每位同學(xué)都具備一定的團(tuán)隊(duì)合作能力，但缺乏實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，部分同學(xué)的學(xué)習(xí)積極性欠缺。

2.2 虛擬仿真技術(shù)引入

虛擬仿真技術(shù)的引入可以使學(xué)生直觀、形象地掌握比較枯燥的理論知識難點(diǎn)，幫助學(xué)生從傳統(tǒng)的被動接受知識向主動且積極的參與到實(shí)踐學(xué)習(xí)、親身感受并自覺進(jìn)行探索式學(xué)習(xí)，改變了以往只聽不思、只想不寫、只知書本不知生活的局限，使學(xué)生即使脫離課堂，也可以在線反復(fù)進(jìn)行實(shí)踐操作，鍛煉學(xué)生動手能力，可以有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果[5-8]。

綜上，為了提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，弱化教學(xué)難點(diǎn)，在本部分教學(xué)內(nèi)容中引入Visual HMI 串口屏虛擬仿真軟件，此軟件操作簡單、上手快，用戶新建工程后，導(dǎo)入設(shè)計(jì)好的素材，然后對每個(gè)畫面中的按鈕和其他控件進(jìn)行配置，模擬仿真正確后，再將整個(gè)工程下載到串口屏中查看仿真效果，虛擬串口屏仿真結(jié)果與真實(shí)串口屏一模一樣，因此，產(chǎn)品開發(fā)前期無需購買硬件，通過單片機(jī)RS232 串口與它相連，即可相互通信，鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕就會立刻上傳按鈕控件信息，一旦開發(fā)者調(diào)試通過，真實(shí)硬件則無需再調(diào)試。使用虛擬仿真軟件，每位同學(xué)都可以動手操作，彌補(bǔ)了原有硬件設(shè)備數(shù)量不足的問題。同時(shí)通過虛擬仿真環(huán)節(jié)，體驗(yàn)逼真的實(shí)驗(yàn)效果，讓學(xué)生深刻感受紅色文化，激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)長征精神，用于攻堅(jiān)克難，才能助力祖國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.3 教學(xué)資源

課程采用微助教平臺進(jìn)行課前微視頻學(xué)習(xí)和測試，以及課中教學(xué)活動實(shí)施和課后拓展任務(wù)測評；借助串口屏虛擬仿真資源讓學(xué)生仿真產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，教學(xué)過程中所使用到的教學(xué)資源如圖2 所示。

圖2 教學(xué)資源

2.4 教學(xué)實(shí)施

教學(xué)實(shí)施按照課前認(rèn)知探索、課中合作探究、課后任務(wù)拓展三階段為主線，將“明任務(wù)、進(jìn)角色、知理論、強(qiáng)技能、創(chuàng)臻品”五環(huán)節(jié)貫穿單元始終，按照基于工作過程的“資訊→計(jì)劃→決策→實(shí)施→檢查→評價(jià)”6 步驟開展教學(xué)。

（1）課前認(rèn)知探索

教師在課前布置學(xué)習(xí)任務(wù)：讓學(xué)生觀看如圖2 所示微課視頻和紅軍長征視頻，明確本次要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)效果，并在線上完成相應(yīng)測試題，根據(jù)學(xué)生課前測試反饋結(jié)果，教師進(jìn)行教學(xué)策略調(diào)整。此過程致力于借助在線教學(xué)平臺、微課視頻等信息化資源，滿足學(xué)生及時(shí)學(xué)習(xí)需求的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的動力，為課堂內(nèi)容學(xué)習(xí)做好知識儲備。

（2）課中合作探究

資訊環(huán)節(jié)（4 min）：教師首先下發(fā)資訊單，然后組織學(xué)生觀看彩屏顯示畫面呈現(xiàn)相關(guān)視頻，教師簡單分析畫面展示的工作原理，引導(dǎo)學(xué)生完成資訊單相關(guān)內(nèi)容填寫。

這一環(huán)節(jié)采用情境教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生了解彩屏顯示模塊的作用，通過師生互動，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

計(jì)劃和決策環(huán)節(jié)（15 min）：教師首先下發(fā)計(jì)劃單和決策單，然后對彩屏顯示原理進(jìn)行解析，最后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)模塊數(shù)據(jù)手冊的查閱，完成計(jì)劃、決策單上內(nèi)容的填寫。

這一環(huán)節(jié)致力于培養(yǎng)學(xué)生信息收集和篩選的能力。

實(shí)施環(huán)節(jié)（45 min）：長征路彩屏顯示虛擬仿真（20 min）

第一步：教師教師下發(fā)實(shí)施單和素材資料；學(xué)生查看實(shí)施單。

第二步：教師介紹彩屏顯示素材——長征路各點(diǎn)視頻和圖片；學(xué)生接收素材，理解任務(wù)。

第三步：教師介紹彩屏顯示配套仿真軟件USART HMI，并下發(fā)其操作流程；學(xué)生分組利用虛擬仿真工具Visual HMI 虛擬仿真軟件和素材，進(jìn)行長征路彩屏顯示仿真設(shè)計(jì)。

第四步：教師巡邏指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用Visual HMI 工具和素材，進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生軟件工具使用能力和創(chuàng)新能力；學(xué)生根據(jù)提供的素材進(jìn)行彩屏顯示的虛擬仿真。

第五步：教師選取3 組學(xué)生上臺分別展示語音、圖片以及視頻的虛擬仿真效果，并進(jìn)行點(diǎn)評；學(xué)生展示虛擬仿真顯示效果，并完成組間互評。

這一環(huán)節(jié)致力于引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用USART HMI 工具和素材，進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生軟件工具使用能力和創(chuàng)新能力；同時(shí)通過分享展示環(huán)節(jié)鍛煉學(xué)生的心理素質(zhì)及表達(dá)溝通能力。

彩屏顯示模塊功能測試和硬件環(huán)境搭建環(huán)（25 min）：首先，由教師播放彩屏顯示硬件測試視頻并演示彩屏硬件測試流程，然后由教師組織學(xué)生分組進(jìn)行模塊功能測試所需的元器件與設(shè)備準(zhǔn)備。

學(xué)生則按分組完成彩屏顯示模塊的測試與數(shù)據(jù)記錄，并將彩屏顯示模塊與硬件設(shè)備相連接，按照實(shí)施單的引導(dǎo)完成具體操作流程，并將硬件環(huán)境搭建流程以視頻方式錄制下來，將測試結(jié)果一起上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。

這一環(huán)節(jié)致力于引導(dǎo)學(xué)生積極思考，確定選型性價(jià)比較高的電路；同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和開拓創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思維。

檢查環(huán)節(jié)（8 min）：此環(huán)節(jié)主要完成彩屏顯示模塊搭建硬件環(huán)境的功能檢查與修正。首先由教師下發(fā)檢查單，然后教師組織學(xué)生按照分組方式進(jìn)行搭建的硬件環(huán)境的檢查工作。學(xué)生則按照分組首先進(jìn)行硬件環(huán)境搭建的檢查和測試；接下來分別給硬件電路和彩屏上電，用手指觸摸是否有初始屏幕出現(xiàn)；然后使用手指觸摸彩屏，選擇初始畫面之間進(jìn)行切換，驗(yàn)證彩屏顯示的有效性；對于出現(xiàn)問題的模塊進(jìn)行檢查與修正，確保硬件功能有效；最后，完成檢查單中相關(guān)內(nèi)容的填寫。

這一環(huán)節(jié)，通過電路測試，意在培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范用電、防范安全的意識。同時(shí)，通過問題電路的查找和修正，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

評價(jià)環(huán)節(jié)（8 min）：首先由教師下發(fā)評價(jià)單，然后由教師對分組學(xué)生任務(wù)完成情況進(jìn)行初評，最后對課堂教學(xué)進(jìn)行總結(jié)。

學(xué)生則按照分組對任務(wù)完成情況進(jìn)行自評和組間互評，主要評測點(diǎn)為：電路焊點(diǎn)是否光滑、無虛焊及短路等現(xiàn)象；電路電源模塊是否工作正常；電路輸出與輸入關(guān)系是否正確；最后完成評價(jià)單中相關(guān)內(nèi)容的填寫。

此環(huán)節(jié)通過課程總結(jié)，致力于完成知識鞏固與提升，通過電路功能性評價(jià)，致力于培養(yǎng)學(xué)生思考能力和語言表達(dá)能力。

（3）課后任務(wù)拓展

課后教師發(fā)布理論測試題，檢測學(xué)生學(xué)習(xí)效果，同時(shí)布置課后拓展任務(wù)，完成同時(shí)具備語音、視頻、音頻播放功能于一體的硬件模塊設(shè)計(jì)，并上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，進(jìn)一步提升學(xué)生對硬件環(huán)境搭建的能力。同時(shí)，創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師和企業(yè)導(dǎo)師根據(jù)學(xué)生提交的課后拓展作業(yè)，有針對性的進(jìn)行指導(dǎo)、答疑和點(diǎn)評；最后，由任課教師發(fā)布課后調(diào)研問卷，通過問卷數(shù)據(jù)分析，了解學(xué)生本次課對授課教師的評價(jià)以及對授課內(nèi)容和授課方式的滿意度。

3 教學(xué)效果

通過虛擬仿真軟件進(jìn)行彩屏顯示的虛擬仿真，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，有效降低彩屏顯示硬件實(shí)物搭建環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤率，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升了學(xué)生的知識技能水平，最終知識技能目標(biāo)掌握情況如圖3 所示：優(yōu)秀占比16.8%，良好占比50.6%，合格占比32.6%。

圖3 知識技能目標(biāo)掌握情況

4 結(jié)語

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源的有效使用令實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度得到了很大程度的拓展，同時(shí)延伸了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的空間和時(shí)間，當(dāng)下已成為實(shí)訓(xùn)教學(xué)信息化改革的重要內(nèi)容之一[9-10]。本案例基于崗位工作過程和學(xué)生認(rèn)知能力，對教學(xué)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，合理運(yùn)用虛擬仿真、線上教學(xué)平臺等信息化資源和手段，按照基于工作過程的“六步驟”展開教學(xué)實(shí)施。實(shí)踐結(jié)果表明：通過基于工作過程的“六步驟”實(shí)施，明確任務(wù)、細(xì)化步驟，學(xué)生學(xué)習(xí)效率明顯提高；通過Visual HMI 虛擬仿真軟件進(jìn)行彩屏顯示的虛擬仿真，成功激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低了彩屏顯示硬件搭建環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤率，并且克服了線下教學(xué)硬件資源不足或者疫情期間線上教學(xué)無硬件資源的難題，每位學(xué)生都可以動手參與進(jìn)來，滿足線上、線下教學(xué)需求。與此同時(shí)，本案例在教學(xué)過程中也巧妙融入了課程思政元素，通過紅軍長征路關(guān)鍵點(diǎn)發(fā)生的事件和畫面展示，重溫紅色文化，沁潤學(xué)生心靈，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揚(yáng)紅軍長征精神，不畏艱難才能創(chuàng)造更好的未來。