基于數(shù)字孿生的單片機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)研究

朱永強(qiáng) 張平霞 潘福全

摘? 要：針對單片機(jī)知識晦澀難懂，學(xué)生能力培養(yǎng)不佳的問題，提出基于數(shù)字孿生的虛擬-實(shí)物項(xiàng)目的單片機(jī)樂學(xué)式教學(xué)模式，以能力培養(yǎng)及專業(yè)知識理論框架需求為基礎(chǔ)，對課程中涉及的單片機(jī)基本編程、綜合實(shí)驗(yàn)課、實(shí)物項(xiàng)目課、綜合素質(zhì)提升、期末考試等環(huán)節(jié)，進(jìn)行改革，采用虛擬實(shí)驗(yàn)室、實(shí)物實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目研究、數(shù)字孿生等技術(shù)，并與上位機(jī)的控制軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)與提升。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；數(shù)字孿生；教學(xué)改革；能力培養(yǎng)

中圖分類號：F407.471；G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1002-4107（2024）06-0000-04

一、引言

數(shù)字孿生（DT，Digital Twins）技術(shù)[1-3]能夠在虛擬空間中完成物理實(shí)體全過程的數(shù)字化表達(dá)，可全方位模擬并反饋機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動[4-7]，從而在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)一些大型或者復(fù)雜的機(jī)械設(shè)施的運(yùn)動狀態(tài)。

對于機(jī)械類的專業(yè)，如機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化、交通運(yùn)輸、車輛工程等而言，如果可以將數(shù)字孿生技術(shù)與單片機(jī)結(jié)合起來，先通過單片機(jī)采集外界的數(shù)據(jù)來驅(qū)動虛擬空間中數(shù)字化模型的運(yùn)動，再將模型運(yùn)動同步映射到真實(shí)世界中的實(shí)物運(yùn)動。在此過程中學(xué)生先在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單片機(jī)編程與電路搭建，可以避免元器件損壞的風(fēng)險(xiǎn)，并大大提高信心。最后再進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證編程代碼，從而縮短整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的時(shí)間花費(fèi)，并減少元器件的損耗，同時(shí)還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與能力。

二、存在的問題

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程是大學(xué)期間面向信控、機(jī)械控制等多專業(yè)開展的控制類課程，共32學(xué)時(shí)。主要任務(wù)是使學(xué)生通過編程，掌握控制單片機(jī)讀取外圍傳感器信息，控制執(zhí)行器動作，進(jìn)行串口等各種通訊的功能。但是，目前采用常規(guī)授課方式存在以下問題。（1）知識點(diǎn)授課，不利于應(yīng)用能力的培養(yǎng)。知識點(diǎn)授課的方式，導(dǎo)致教學(xué)方式較為呆板，知識點(diǎn)較為分散，學(xué)生無法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)融會貫通和活學(xué)活用。（2）實(shí)物箱實(shí)驗(yàn)，限制了實(shí)驗(yàn)空間與時(shí)間。采用實(shí)物實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能在規(guī)定時(shí)間和地點(diǎn)去實(shí)驗(yàn)室完成指定的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)接納的實(shí)驗(yàn)人數(shù)有限，不利于學(xué)生的拓展學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)意愿不強(qiáng)，同時(shí)實(shí)物實(shí)驗(yàn)容易造成損壞和出現(xiàn)事故，固化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也不利于后期升級。（3）知識陳舊、晦澀難懂。原課程中涉及較多的匯編語言及單片機(jī)底層內(nèi)容，導(dǎo)致授課時(shí)，學(xué)生很難理解，并且對于非單片機(jī)專業(yè)來講，這部分內(nèi)容實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。

三、方案改革

基于目前存在的問題，文章采用數(shù)字孿生技術(shù)，以項(xiàng)目需求為導(dǎo)向，采用虛實(shí)結(jié)合的方式，分階段完成數(shù)個(gè)小任務(wù)，快速形成樂學(xué)反饋，以此激勵(lì)學(xué)生，小進(jìn)步取得樂學(xué)的獎勵(lì)，不斷推進(jìn)項(xiàng)目，最終合成完成整個(gè)機(jī)械臂的數(shù)字孿生控制。

（一）項(xiàng)目需求為導(dǎo)向的知識點(diǎn)講解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

改變原來知識點(diǎn)式授課方式，首先提出項(xiàng)目需求，啟發(fā)學(xué)生提出單片機(jī)的需求，進(jìn)而提出對應(yīng)的知識點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“我要學(xué)習(xí)、我要解決”，而不是“你應(yīng)該學(xué)習(xí)”，激發(fā)學(xué)生的好奇心。

（二）網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，消除實(shí)驗(yàn)空間與時(shí)間的限制

采用網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生只需登錄網(wǎng)站，在線編寫代碼（圖1左側(cè)），然后添加元器件、連接電路（圖1右側(cè)），即可隨時(shí)隨地完成實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺可滿足多人同時(shí)學(xué)習(xí)的需要，大幅降低了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。通過本項(xiàng)目的研究，可以滿足相關(guān)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，而且可以通過筆記本在課堂上講授演示，滿足互動實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。

（三）新知識體系+新編程平臺，降低編程難度，保證學(xué)生精力集中于項(xiàng)目實(shí)施

采用最新的Arduino編程平臺，將單片機(jī)底層編程函數(shù)化，去掉對專業(yè)價(jià)值不大的匯編語言及底層架構(gòu)的內(nèi)容，讓學(xué)生集中精力于單片機(jī)的編程算法及功能實(shí)現(xiàn)上。

四、方案實(shí)施

在實(shí)施過程中，采用項(xiàng)目式教學(xué)，以項(xiàng)目產(chǎn)出為導(dǎo)向，以圖2所示的機(jī)械臂數(shù)字孿生為例，學(xué)生需要完成基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的單片機(jī)基本編程、機(jī)械臂實(shí)物裝配、傳感器-執(zhí)行器電路連接及底層單片機(jī)控制、上位機(jī)界面設(shè)計(jì)及控制算法設(shè)計(jì)。如表1所示，將整個(gè)項(xiàng)目分解為不同的模塊，對應(yīng)不同的難度和分值。

（一）單片機(jī)基本編程環(huán)節(jié)：講授與編程實(shí)踐同步進(jìn)行

該環(huán)節(jié)主要在課堂授課中完成，為課內(nèi)19學(xué)時(shí)，教師首先提出項(xiàng)目需求，例如如何實(shí)現(xiàn)LED燈閃爍，然后提問、引導(dǎo)學(xué)生，提出單片機(jī)需要具備哪些功能，才能實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，教師講解涉及的函數(shù)及用法、以及網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺的操作。學(xué)生立即在課堂上，完成電路搭建及編程，在此過程中，教師巡視所有學(xué)生的操作，并根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題，進(jìn)行針對性講解。這樣一個(gè)環(huán)節(jié)完成后，學(xué)生立即對單片機(jī)產(chǎn)生了濃厚的興趣，同時(shí)較低的入門檻，也大大提升了學(xué)生的自信心。根據(jù)課題組教師的授課體驗(yàn)，相對以前的教師單向授課，新的授課方式，由于分值以及課程編程效果即時(shí)反饋（正確完成項(xiàng)目后，仿真時(shí)LED燈立即可以可控的閃爍）的關(guān)系，基本這個(gè)環(huán)節(jié)下來，學(xué)生上課的狀態(tài)非常好，全部認(rèn)真聽講，眼睛都亮晶晶的。

教師在授課過程中，一定注意：第一個(gè)項(xiàng)目一定要選擇簡單的項(xiàng)目，例如LED燈閃爍，才會提升學(xué)生的信心，并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

另外為了便于信息交流，要對聽課的同學(xué)建立課程QQ群，學(xué)生完成基本編程項(xiàng)目后，將仿真的視頻傳到QQ群里，便于教師給出本項(xiàng)目的成績。同時(shí)由于學(xué)生的從眾心理，上傳項(xiàng)目視頻，也會促進(jìn)同學(xué)互相競爭，積極學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)正向激勵(lì)以及良好的班風(fēng)。

（二）綜合實(shí)驗(yàn)課環(huán)節(jié)：初步接觸實(shí)物編程

由于第一個(gè)環(huán)節(jié)的新的教學(xué)手段大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，會推動授課的進(jìn)度，因此課程基本知識點(diǎn)講解的進(jìn)度會非?？欤趯?shí)驗(yàn)所涉及的知識點(diǎn)講解完成后，學(xué)生基本掌握了單片機(jī)編程、電路連接的理論部分，為加深印象，鞏固所學(xué)的知識，進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，要及時(shí)進(jìn)入不同的實(shí)驗(yàn)課環(huán)節(jié)，進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，該環(huán)節(jié)主要在實(shí)驗(yàn)室完成，為4學(xué)時(shí)。

學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，結(jié)合課堂講解，完成實(shí)驗(yàn)電路連接、單片機(jī)編程及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫。

（三）實(shí)物項(xiàng)目課環(huán)節(jié)：借助實(shí)物編程，實(shí)現(xiàn)初步算法設(shè)計(jì)

前兩個(gè)環(huán)節(jié)完成后，學(xué)生基本上有足夠的信心和濃厚的興趣，來解決和實(shí)現(xiàn)單片機(jī)項(xiàng)目問題，因此需要給出有一定難度的實(shí)際項(xiàng)目問題。

結(jié)合交通、車輛、機(jī)械控制的專業(yè)特色以及電動車的企業(yè)人才需求，提出“基于PWM的電動小車速度控制”項(xiàng)目。具體實(shí)施為：

每3個(gè)同學(xué)為一組，并配備搖桿電位器、單片機(jī)、L298驅(qū)動模塊、電動小車等用于實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的器材。組織開展每個(gè)項(xiàng)目6學(xué)時(shí)（課內(nèi)3學(xué)時(shí)）的項(xiàng)目啟動、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)指導(dǎo)、實(shí)物研討、實(shí)物答辯演示，鍛煉學(xué)生利用控制芯片編程、設(shè)計(jì)控制算法、連接外圍電路的綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力，并提交紙質(zhì)版研究報(bào)告、電子版PPT。以小組為單位，協(xié)作制作PPT，進(jìn)行小組匯報(bào)，并根據(jù)各自的工作分工，撰寫不少于3000字的研制報(bào)告（每人分別完成）。

特別要注意的是在項(xiàng)目答辯時(shí)，一定要讓學(xué)生穿正裝，并拍照，從而激發(fā)學(xué)生的研究動力和重視程度，而且這種儀式感，也會大大鍛煉學(xué)生在以后公眾演講的能力和心理素質(zhì)。

（四）綜合素質(zhì)提升課環(huán)節(jié)：借助數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合能力提升

經(jīng)過前面三個(gè)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，學(xué)生不但掌握了單片機(jī)基本編程，而且具備了一定的解決實(shí)際問題的能力。為了進(jìn)一步提升學(xué)生的科研素質(zhì)、提升學(xué)生的競爭力。需要給出有具有培養(yǎng)綜合能力的實(shí)際項(xiàng)目問題。

該環(huán)節(jié)包含1個(gè)學(xué)時(shí)課堂項(xiàng)目需求講解、3個(gè)學(xué)時(shí)的課下編程與上位機(jī)虛擬控制和2個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)際控制測試。具體為：

教師首先講解本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)需求及設(shè)計(jì)的執(zhí)行器和傳感器，上位機(jī)-下位機(jī)通信以及上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)。

學(xué)生在課下，利用網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺和上位機(jī)數(shù)字孿生虛擬演示系統(tǒng)（圖3），初步完成機(jī)械臂執(zhí)行器和傳感器的單片機(jī)編程以及串口通訊指令傳遞，并仿真驗(yàn)證。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室，分工完成機(jī)械臂執(zhí)行器和傳感器的電路連接、單片機(jī)代碼驗(yàn)證調(diào)試、單片機(jī)與上位機(jī)軟件通訊測試、上位機(jī)控制機(jī)械臂實(shí)物完成基本抓取動作。并拍攝實(shí)物實(shí)驗(yàn)照片，完成小論文撰寫。

具體實(shí)施如下：

1. 單片機(jī)程序控制

通過編程，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂多種傳感器信息的讀取、機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的控制、故障檢測、串口無線通訊以及上位機(jī)指令的接收，如圖4所示。

2. LabVIEW-Simulink上位機(jī)算法設(shè)計(jì)

利用上位機(jī)軟件LabVIEW-Simulink，編制相應(yīng)的機(jī)械臂軌跡控制算法、距離保持算法、角度偏離檢測及位置修正控制算法，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過單片機(jī)控制驅(qū)動關(guān)節(jié)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)在線機(jī)械臂狀態(tài)參數(shù)：機(jī)械臂運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)載、電機(jī)溫度、故障、關(guān)節(jié)姿勢、目標(biāo)距離、電流等各種參數(shù)的全面顯示及控制。并通過陀螺儀姿勢傳感器、角度傳感器、視覺傳感器，檢測機(jī)械臂的位置、空間姿勢，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂目標(biāo)抓取、軌跡規(guī)劃的數(shù)字孿生功能，實(shí)現(xiàn)基本的抓取、障礙物規(guī)避、速度控制、繪制軌跡曲線等，如圖5所示。

由于本環(huán)節(jié)內(nèi)容較多，需要將內(nèi)容分解給不同的組來完成，最后集中起來，構(gòu)成完整的數(shù)字孿生項(xiàng)目。

（五）期末考試環(huán)節(jié)：項(xiàng)目問題式編程，注重能力應(yīng)用

前四個(gè)環(huán)節(jié)完成后，學(xué)生達(dá)到了本課程的能力培養(yǎng)要求，因?yàn)楸菊n程主要是單片機(jī)編程能力的培養(yǎng)，因此為進(jìn)一步檢驗(yàn)學(xué)生掌握知識和應(yīng)用能力的水平，在期末考試時(shí)，通過5-7個(gè)應(yīng)用編程題來進(jìn)行測試。這樣也與學(xué)生平時(shí)的培養(yǎng)環(huán)節(jié)相吻合。并解決當(dāng)前存在的一考定成績的問題，實(shí)現(xiàn)注重平時(shí)訓(xùn)練、注重學(xué)習(xí)過程、注重知識掌握與應(yīng)用、注重解決問題的能力、注重科研素質(zhì)培養(yǎng)。

五、創(chuàng)新點(diǎn)

1.以現(xiàn)有器材為基礎(chǔ)，緊跟數(shù)字孿生-虛擬實(shí)驗(yàn)-物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前沿，采用物聯(lián)網(wǎng)+智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂數(shù)字孿生信息的動態(tài)顯示與交互控制。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行中，讓學(xué)生結(jié)合所研究的題目，進(jìn)行知識應(yīng)用，一方面促進(jìn)了知識鞏固；另一方面，通過具體問題的解決，讓學(xué)生體會到學(xué)習(xí)的樂趣，大大提升他們的學(xué)習(xí)信心和興趣，促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)，愛上學(xué)習(xí)。

2.LabVIEW-Simulink與單片機(jī)控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)控制及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化，改善實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的效果。

利用網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合單片機(jī)實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以及學(xué)生感興趣的實(shí)際應(yīng)用題目，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的可視化，以及單片機(jī)運(yùn)行的可視化，提高實(shí)驗(yàn)的興趣，大大改善學(xué)生實(shí)際操作的效果。特別是虛擬實(shí)驗(yàn)中大量虛擬元器件的采用，可以避免實(shí)際調(diào)試時(shí)，元器件控制損壞的幾率，使學(xué)生可以放心地操作，鍛煉動手能力并節(jié)省時(shí)間。進(jìn)而解決了知識應(yīng)用的問題，提高學(xué)生的科研素質(zhì)，特別是實(shí)際題目的解決，大大提高學(xué)生在智能控制方面的應(yīng)用水平。

基于LabVIEW和Simulink的上位機(jī)操作軟件，也為后期設(shè)計(jì)更復(fù)雜的控制算法提供了基礎(chǔ)。

六、實(shí)踐效果

新的教學(xué)-實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭肓司W(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺和數(shù)字孿生技術(shù)，可以利用現(xiàn)有單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序的下載和編寫，在此基礎(chǔ)上加入Wifi聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并結(jié)合智能控制算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂控制。由于網(wǎng)絡(luò)編程以及硬件電路搭建，有非常大的擴(kuò)展空間，因此可以充分調(diào)動學(xué)生的積極性、創(chuàng)新性，并鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動手能力。結(jié)合OBE成果導(dǎo)向式教育模式，注重課本知識點(diǎn)的運(yùn)用和培養(yǎng)產(chǎn)出，使學(xué)生學(xué)有所得；同時(shí)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)物真實(shí)實(shí)驗(yàn)、虛擬三維孿生數(shù)字模型、真實(shí)實(shí)物控制響應(yīng)的結(jié)果反饋，也可以讓學(xué)生即時(shí)體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的收獲，并享受學(xué)習(xí)的成果，實(shí)現(xiàn)“樂學(xué)”，使同學(xué)們的學(xué)習(xí)變被動為主動。

采用新的教學(xué)-實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶螅瑢W(xué)生的大創(chuàng)和比賽起到了顯著的推動作用，大創(chuàng)獲批項(xiàng)目由原來的幾項(xiàng)猛增到接近二十多項(xiàng)，并在全國各種比賽中取得各種優(yōu)異成績，例如獲得全國交通科技大賽二等獎。

七、結(jié)束語

文章探討了“數(shù)字孿生技術(shù)”在單片機(jī)授課中的應(yīng)用，通過將大項(xiàng)目分解為難度層層遞增的多個(gè)小項(xiàng)目，以注重學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)，結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)室、實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以項(xiàng)目教學(xué)為手段，以項(xiàng)目需求為導(dǎo)向，進(jìn)行知識點(diǎn)的重組，并結(jié)合專業(yè)需求的特點(diǎn)，采用最易用的Arduino作為單片機(jī)編程平臺，并與上位機(jī)的LabVIEW-Simulink軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的智能控制，在此過程中，即完成了單片機(jī)課程培養(yǎng)的要求，同時(shí)又完成了學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)與提升。

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編輯/丁俊玲

作者簡介：朱永強(qiáng)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人、車輛動力學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；張平霞，女，講師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人設(shè)計(jì)與控制；潘福全，男，教授，博士，研究方向?yàn)榻煌ò踩c交通控制。

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“撲翼飛行器拓?fù)漭p量化與翼翅伸縮飛行狀態(tài)耦合控制及樹隙自主穿越應(yīng)用機(jī)理研究”（ZR2022MF332）；山東省高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于多維分層次項(xiàng)目式樂學(xué)課堂教學(xué)方法研究與實(shí)踐”（M2023190）；青島理工大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于自我效能激發(fā)的研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式探究”（Y032022-014）；青島理工大學(xué)本科教學(xué)改革與研究項(xiàng)目“基于VR的設(shè)計(jì)類課程創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學(xué)改革研究”（F2021-013）、“數(shù)字孿生技術(shù)在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用”（F2023-178）；機(jī)械與汽車工程學(xué)院教學(xué)研究專項(xiàng)項(xiàng)目（No.2023-001）