喬 莉, 魏海波

(1. 遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學院, 遼寧 沈陽 110061； 2. 遼寧廣播電視大學, 遼寧 沈陽 110034 )

單片機是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域中迅速發(fā)展的技術(shù),廣泛應用于工業(yè)自動化、智能儀器儀表、通信工程、武器裝備制造等行業(yè)之中[1-3]?！皢纹瑱C技術(shù)”課程是國家開放大學電氣自動化技術(shù)共享專業(yè)的一門統(tǒng)設(shè)必修專業(yè)核心課程,旨在讓學生掌握單片機的基本原理和軟硬件開發(fā)技術(shù),為嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)奠定基礎(chǔ)?！皢纹瑱C技術(shù)”課程的專業(yè)性和實踐性較強,是難教、難學的課程之一[4]。本文針對國家開放大學中單片機課程教學存在的若干問題,提出了基于翻轉(zhuǎn)課堂和“Proteus+Keil”虛擬仿真技術(shù)的單片機教學方式。

1 翻轉(zhuǎn)課堂在單片機技術(shù)課程中的應用

1.1 翻轉(zhuǎn)課堂

2007年,美國科羅拉多州林地公園高中首次采用“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學模式。該校2位化學教師制作了教學演示視頻資料,讓學生在家里觀看他們上傳的教學視頻,回到課堂上師生共同討論學習中的問題[5]。

“翻轉(zhuǎn)課堂”教學模式是對師生角色的翻轉(zhuǎn)、對課堂講授和課下學習模式的翻轉(zhuǎn)。知識點的學習不是主要依靠課堂中教師講授完成,而是課下學生自主、靈活地安排學習；傳統(tǒng)的課堂也不再是教師為主的舞臺,而是師生之間和學生之間答疑解惑、互動討論的場所。伴隨著翻轉(zhuǎn)課堂這一教學模式的成功運用,國內(nèi)的一些高校也開展了基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學改革[6-7]。

1.2 構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的可行性

“單片機技術(shù)”是一門綜合性、面向應用的課程,應用領(lǐng)域廣、可操作行強,但內(nèi)容抽象。在教學中既要講解硬件組成、又要介紹程序設(shè)計,更要全面考慮軟、硬件的協(xié)調(diào)與分工[8-9]。

然而,開放大學的學生多為來自于企業(yè)、具有中等學歷的人員,知識基礎(chǔ)較為薄弱。面對“單片機技術(shù)”這門比較抽象的課程,學生普遍反映硬件結(jié)構(gòu)不好理解、軟件和硬件結(jié)合的內(nèi)容不易掌握。在這種情況下,有必要對傳統(tǒng)的教學方法進行改革,其目的是讓學生能夠靈活地安排時間進行學習,并且在課堂上作為教學主體主動參與到教學活動中,提高學習效率和學習的積極性,提高教學效果[10]。

在單片機課程的教學中,教師需要逐一講解單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部引腳、編程指令、存儲器擴展和各種外圍芯片的應用等。對于基礎(chǔ)知識略顯薄弱的開放大學的學生,非常適合進行翻轉(zhuǎn)課堂式學習。翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)越性在于學生可以自己安排和控制學習時間,觀看視頻課件等教學資源的節(jié)奏也可以自己掌握:懂了的可以快進,沒懂的可以退回去反復觀看,或停下來思考。課堂上,學生根據(jù)觀看視頻的情況提出問題,教師給予指導講解,也可小組討論,增加了教師與學生之間以及學生與學生之間的互動[10]。教師準備的微課、視頻、課件等資源在翻轉(zhuǎn)課堂模式下可以方便學生隨時隨地多次學習,在一定程度上彌補了傳統(tǒng)教學模式的不足。

1.3 “單片機技術(shù)”課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學設(shè)計

根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂的教育理念及開放大學的教學特點,在“單片機技術(shù)”課程的教學中,教師將基礎(chǔ)知識點及示例操作演示等布置在課外,方便學生靈活、自主地學習。在課堂上,師生可以面對面地討論,解決學生在自主學習中遇到的問題,或者進行更深一步的練習指導等,以提高教學效果。

以“交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”項目為例,進行了翻轉(zhuǎn)課堂模式的教學設(shè)計。

(1) 教師布置任務(wù)。教師依據(jù)授課標準,細化知識點,錄制視頻、動畫、微課,通過網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)布,供學生下載和觀看。教師同時布置項目任務(wù),啟發(fā)學生解決綜合性問題,例如交通燈控制系統(tǒng)的定時方法、交通燈的亮滅的控制、倒計時的顯示等。

(2) 學生自主學習。學生根據(jù)教師提出的任務(wù),靈活安排教學視頻資源的觀看學習,并反饋遇到的問題。為了保證自學效果,教師可以借助QQ、微信等社交軟件,了解學生學習的情況或者與學生討論學習中的問題。

(3) 師生共同完成任務(wù)。該環(huán)節(jié)主要在面對面的課堂上完成,教師和學生一起解決學生反饋的問題。教師強調(diào)項目任務(wù)的要點及注意事項,有針對性地對學生進行指導。

1.4 交通燈控制系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)課堂教學內(nèi)容設(shè)計

(1) 教學內(nèi)容：設(shè)計十字路口交通燈控制系統(tǒng)。交通燈的變化要求是：首先A通道(東西方向)綠燈點亮4 s，同時B通道(南北方向)紅燈點亮4 s；然后A通道變?yōu)辄S燈點亮2 s，同時B通道維持紅燈點亮2 s；再次A通道變?yōu)榧t燈點亮4 s，同時B通道變?yōu)榫G燈點亮4 s；最后A通道維持紅燈點亮2 s，同時B通道變?yōu)辄S燈點亮2 s。不斷重復上述過程。時鐘頻率f=12 MHz。

(2) 課程標準。掌握單片機I/O口的輸出控制方法,掌握LED電路設(shè)計與制作；掌握定時的實現(xiàn)方法、簡單電路設(shè)計及程序設(shè)計的方法、排除故障的方法。

(3) 對比分析。傳統(tǒng)教學存在的困難是理論性強,需記憶的內(nèi)容較多,課堂上的有限時間很難將理論教學和實驗教學全部完成。分析其中原因,主要是課程知識抽象、學生理論基礎(chǔ)薄弱、對課程缺乏興趣；在有限的課堂時間教師很難保證所有學生能接受教學內(nèi)容。翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢在于學生可以自主分配時間,在課前通過微課、視頻、錄像等資源學習理論知識,且可以多次反復學習；在有限的課堂時間內(nèi),學生可以和教師交流探討,提升知識學習的深度和廣度。

(4) 教學環(huán)節(jié)的配套資源和教學活動。教師提前發(fā)布視頻、微課、課件等教學資源,并布置教學要求；課堂分組討論學生設(shè)計過程中遇到的問題；教師對典型問題輔以指導。

2 單片機虛擬仿真實驗教學設(shè)計

2.1 傳統(tǒng)“單片機技術(shù)”課程實驗教學分析

“單片機技術(shù)”課程實踐性較強,在教學過程中需要軟硬件結(jié)合,以理論教學為主,實驗教學為輔,才能使學生更好、更直觀地理解所學知識,并能學以致用。傳統(tǒng)的單片機實驗室需要配備電腦、仿真器、實驗箱、編程器等硬件設(shè)備,需要有實驗場地并配備實驗員。此外,由于場地和時間等因素也很難解決學生課后自主實驗的需求；實驗室配備的硬件實驗設(shè)備多是成品,很難為學生提供更多的二次開發(fā)機會,使得學生動手能力很難得到鍛煉和提高。

傳統(tǒng)單片機硬件實驗室的建設(shè)成本較高,設(shè)備更新?lián)Q代緩慢,而且資金花費較多,所以有必要提出新的實驗模式。

2.2 基于“Proteus+Keil”虛擬仿真技術(shù)的實驗教學設(shè)計

從“交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”教學內(nèi)容的設(shè)置可以看出,實驗在單片機課程中占有舉足輕重的地位。緊密配合理論教學的實驗是幫助學生接受、理解、掌握單片機工作原理和開發(fā)技巧的重要環(huán)節(jié)。所以單片機課程教學過程中必須安排足夠的實驗教學學時。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,利用計算機仿真技術(shù)可以充分地仿真實際的工程問題。仿真能節(jié)約設(shè)計成本,大大增強實驗的便利性。Proteus是一款嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計仿真平臺,具有電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)仿真等強大功能。它的獨特之處是能夠在線、實時仿真多種類型的單片機,實現(xiàn)硬件電路的交互仿真且功能非常強大。Proteus自帶有ASM、PIC、AVR匯編器等,也可與第三方軟件Keil結(jié)合使用。用單片機原理及接口技術(shù)的理論知識與Proteus、Keil軟件結(jié)合,設(shè)計出以MCS-51單片機為核心的系列虛擬實驗,應用到單片機課程的教學中,可以解決單片機課堂教學無法及時實驗等問題,輔助學生達到對單片機應用系統(tǒng)設(shè)計的深入理解[11-13]。

本文提出將仿真軟件Proteus和Keil應用于單片機課程的教學,解決實驗室緊張、學生課后無法自主實驗等問題的一種新教學方法。單片機課程教學中引入“基于Proteus+Keil軟件的虛擬實驗平臺”后,可以節(jié)約實驗教學的人力、物力和財力,還可以增加學生課后練習的機會,大大提升教學質(zhì)量。

圖1為在教學中引入Proteus和Keil軟件后，學生自主完成的交通燈控制系統(tǒng)實驗效果。

圖1 基于Proteus和Keil的交通燈控制系統(tǒng)虛擬實驗效果

3 翻轉(zhuǎn)課堂的特色與創(chuàng)新

3.1 構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂教學模式

教師通過網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布視頻、動畫、微課等學習資源,學生利用課余時間學習掌握基本的知識點、完成任務(wù)并提交作業(yè)；教師通過學生所提交的作業(yè)了解其學習效果,并通過反饋分析的結(jié)果設(shè)計課堂教學內(nèi)容,在面對面的課堂教學中解決個性化問題。

3.2 基于 Proteus和Keil的虛擬實驗設(shè)計

結(jié)合教學實際情況,利用“Proteus+Keil”軟件進行與單片機系統(tǒng)相關(guān)的虛擬仿真實驗開發(fā),不僅接近工程實際,而且具有一定的趣味性和實用性。學生可以利用計算機進行練習,不必受學校實驗室的約束,在提高教學直觀性和形象性、提高學生軟硬件綜合開發(fā)的能力和學習興趣的同時,也提高了學生的學習效率,加深了學生對單片機開發(fā)過程的認識,進而提高了教學質(zhì)量[14]。

教學中引入基于“Proteus+Keil”軟件的虛擬仿真實驗后,可以節(jié)約實驗教學的人力、物力和財力，降低成本,還可以增加學生課后練習的機會,極大地開拓了學生動手實踐的時間和空間,降低了學習成本,提高了教學的效果[15]。

4 結(jié)語

在“單片機技術(shù)”翻轉(zhuǎn)課堂教學中,教師將不斷發(fā)展的信息化教學手段融入單片機課程教學過程的各個環(huán)節(jié),使教學模式從傳統(tǒng)的課堂灌輸向可隨時隨地學習的“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學模式轉(zhuǎn)變,使學生從被動學習向主動探究性學習方式轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的教學理念。將Proteus和Keil仿真技術(shù)應用于單片機實踐教學中,不僅為解決實驗條件有限等問題提供了一些思路,還可以借助虛擬實驗環(huán)境的直觀性、真實感和可參與性激發(fā)學生的學習興趣,真正實現(xiàn)隨時隨地的練習,尤其對實驗教學將產(chǎn)生積極影響。

經(jīng)過兩年多的教學實踐探索,基于翻轉(zhuǎn)課堂和虛擬仿真平臺的 “單片機技術(shù)”課程改革已收益顯著。不僅教師的教學水平有了明顯提升,而且還促進了教師科研水平的大幅度提高,完成了多項教改立項和科研課題，并發(fā)表多篇論文。開放大學學生的考試成績和學習效果也較改革前有大大提高,平均成績達到了80分以上。

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