基于翻轉(zhuǎn)課堂的單片機教學改革研究*

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基于翻轉(zhuǎn)課堂的單片機教學改革研究*

王娜

(福建師范大學福清分校 電子與信息工程學院，福建 福清 350300)

摘要:針對目前單片機原理教學中存在的問題構(gòu)建了基于翻轉(zhuǎn)課堂的單片機教學模型.該模型將線上學習與課堂學習有機地結(jié)合在一起，充分調(diào)動學生的積極性，讓學生成為學習的主體.學生根據(jù)自身情況選擇適合自己的學習方式，通過對以實踐為主的微視頻教程及其課件的學習彌補學時偏少的缺陷.翻轉(zhuǎn)課堂突破了傳統(tǒng)教學模式的局限性,增加了師生之間交流的時間，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神.

關(guān)鍵詞:單片機； 翻轉(zhuǎn)課堂；教學改革； 教學模式

翻轉(zhuǎn)課堂顛覆了傳統(tǒng)教學中的教師在課堂上傳授知識、學生在課下完成作業(yè)的教學模式，將二者進行了轉(zhuǎn)換.2007年，美國科羅拉多州落基山的“林地公園高中”的兩位教師Jonathan Bergmann和Aaron Sams為了幫助課堂缺席的學生補課，采用了“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學模式，即讓學生在家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的方式[1].這對搭檔發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂能夠幫助學生們理解和內(nèi)化知識，改變了他們的教學實踐.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，但是將翻轉(zhuǎn)課堂用于單片機教學的研究還較少.單片機課程內(nèi)容晦澀難懂，新器件、新技術(shù)層出不窮，學生難以入門，是高等工科院校中公認的難教難學的課程之一[2].本文分析了目前單片機教學中存在的若干問題并設計了基于翻轉(zhuǎn)課堂的單片機教學模型.

1目前單片機教學中存在的問題

單片機原理是電子信息類專業(yè)的主干課程，旨在通過教學讓該專業(yè)的學生掌握單片機的基本原理和軟硬件開發(fā)技術(shù)，提高其動手操作和技術(shù)創(chuàng)新的能力，為將來從事嵌入式開發(fā)等應用類工作奠定堅實的基礎.然而在實際教學中卻存在著一些問題，例如，學習者自身存在的差異使得分層教學在開展上有一定的難度.目前的單片機教學中普遍存在如下問題：

(1)忽略了學習者自身存在的差異.在當前的教學模式中，一名教師往往要面臨著數(shù)十甚至上百名學生，課程學習以教師講授為主，學生課下練習為輔.這種“灌輸”式的教學方式忽略了學習者自身存在的差異，無法滿足學生的個性化需求.由于學生年齡一般在18~24歲之間，他們在認知水平和學習習慣等方面表現(xiàn)出了一定的差異，單純的知識講授不能順應學生發(fā)展的需要.部分學生基礎較弱，缺乏學習的主動性，加之單片機課程涵蓋了電路、數(shù)字電子、模擬電子和程序設計等多個學科，一些學生在一兩次課程聽不懂的情況下對該課程逐漸失去了興趣.這就要求教師要針對學習能力不同的學生進行有針對性的教學，激發(fā)學生的學習興趣并彌補其不足，讓學有余力的學生發(fā)揮他們的優(yōu)勢，成績比較差的學生樹立學習的信心，鼓勵學生利用學到的知識和技能去解決問題.

(2)過多的理論降低了學生的學習效率.單片機課程注重理論和實踐性結(jié)合，如果教師一味在課堂上講授過多的理論，學生會因為覺得枯燥而產(chǎn)生注意力分散的情況.特別是一些學生在課前沒有閱讀過課本，集中45分鐘注意力聽理論課對于他們來說是一件非常困難的事情.如果用單純的文字代替實驗，學生缺乏實驗基礎而只是一味地進行機械記憶，久而久之，學生的學習效果并不能令人滿意.獲得高分的學生的動手能力不一定很強，也就是說，此類學生對書本上的概念、原理只停留在記憶層面，而感性認識不能代替真正的體驗.

(3)勉強接受的知識無法真正吸收.傳統(tǒng)的教學模式下，教師批改作業(yè)采用了統(tǒng)一講評的方式.為了節(jié)約課堂上的時間，教師往往把解題思路和步驟直接顯示在幻燈片上給學生觀看，學生機械地將答案記錄下來.由于學生沒有做過實驗，只是勉強接受答案，他們無法理解題目的真正含義，不利于培養(yǎng)學生的獨立思考能力.

(4)驗證性實驗偏多，開發(fā)性實驗偏少.目前實驗教學一般是一些驗證性的訓練，沒有與具體的項目相結(jié)合.在理論課學時與實驗課學時3：1的情況下，學生只需完成教師規(guī)定的幾個實驗，很少進行設計性的實驗.教學所用的實驗平臺仍以仿真器和編程器為主，其中的一些部件在工程應用上早已經(jīng)被淘汰了，導致實踐能力的培養(yǎng)與人才需求結(jié)合不夠緊密，不利于教學活動的開展.

(5)師生間的互動環(huán)節(jié)偏少.在傳統(tǒng)的面對面教學中，教師的講授占課堂的大部分時間，很少有時間與學生進行互動.特別是在實驗教學的有限時間內(nèi)，一位教師想對多名學生進行個別輔導是非常困難的.

(6)考核結(jié)果有失偏頗.當前的考核方式大多是以理論測試為主，學生為了應付考試不注重動手能力的訓練.另外一些學生在實驗課上存在復制他人程序的情況，這就給實驗考核加大了難度.

總之，現(xiàn)行的教學方式由于存在局限性，不利于學習者個性的發(fā)揮和創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)，教學改革勢在必行.

2基于翻轉(zhuǎn)課堂的單片機教學模式設計

2.1翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped Classroom或Inverted Classroom)是指通過對知識傳授和內(nèi)化的顛倒安排，改變傳統(tǒng)教學中的師生角色，并對課堂時間的使用進行重新規(guī)劃，實現(xiàn)對傳統(tǒng)教學模式的革新[3].也就是說，翻轉(zhuǎn)課堂擺脫了傳統(tǒng)的“教師講課為先，學生消化知識在后”的教學模式的束縛，顛倒了二者的順序，讓學生根據(jù)自身的學習情況選擇教學資源進行學習，學習的方式包括觀看教學視頻和網(wǎng)絡課件、教師和學生互動等等.教師則利用課堂時間組織學習活動，教學的方式從講授轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑В瑤椭鷮W生理解單片機的原理.

2.2用任務驅(qū)動貫穿教學過程

任務驅(qū)動教學法又可稱為行動導向教學法或項目驅(qū)動教學法.它是指在教學過程中，充分體現(xiàn)學生的學習活動與完成任務相結(jié)合，學生在教師的指導下，為完成一個具體的任務，積極主動地應用學習資源，自主探索和協(xié)同合作的學習方式[4].教師要根據(jù)教學內(nèi)容向?qū)W生布置一定數(shù)量的任務，引導學生進行思考.學生通過分析、討論得知應該做哪些事情，需要去學習哪方面的內(nèi)容.學生在實踐中得到的經(jīng)驗比單純背書得到的知識更為寶貴.因為學生在嘗試解決問題的過程中可能會遇到新的問題，即經(jīng)歷一個探究式的學習過程.在這個過程中，學生往往需要和其他同學互相交流，必要的時候請教師加以點撥.考慮到學生對知識的掌握情況不同，教師對不同認知水平的學生分配以不同難度的任務，用匯報或答辯的形式對學生的任務進展情況予以評價，這樣可以避免有惰性的學生自己不去思考而過多或者完全依賴同組同學完成任務的情況出現(xiàn).

2.3學生在課前觀看微視頻

學生根據(jù)自身情況通過移動終端如手機、IPAD或電腦等設備選擇播放教師的微視頻，遇到重點、難點的時候可以調(diào)慢播放速度或重復播放，直到聽懂為止，在聽的過程中完成筆記供討論或復習使用.學生在一個輕松的環(huán)境中觀看微視頻，不必擔心跟不上老師的講課速度，因為視頻的播放速度可以自行控制，明白的地方可以跳過，還可以在適當?shù)臅r候暫停，對微視頻中提出的問題進行認真思考.

學生在觀看完微視頻后要完成教師布置的作業(yè)，通過做作業(yè)加強對知識的內(nèi)化.教師在作業(yè)題的設計上要區(qū)分層次，做到難易得當，以適用于不同學習水平的學生.

學生在觀看微視頻的過程中并不是孤立的.學生在學習的過程中需要溝通交流，同時教師也需要摸清學生的認知水平和學習進度并對其加強引導.課上的交流體現(xiàn)在學生匯報、小組討論、教師或其他學生答疑和評價四個方面，具體由師生之間、學生之間和小組之間的交流互動環(huán)節(jié)實現(xiàn).學生在這個過程中充分發(fā)揮了主觀能動性，真正成為了學習主人.課下的交流主要通過網(wǎng)絡交流平臺實現(xiàn).在線交流突破了空間的限制，一方面，教師針對學生提出的問題進行回答，另一方面，學生也可以與其他同學互動交流，共同提高.

2.4改革考核方式

以往的考試一般只考理論不考實驗或者把筆試成績的70%與實驗成績的30%求和作為該門課程的最終成績.這樣的考核方式導致了高分低能現(xiàn)象的出現(xiàn).也就是說，一些學生為了追求高分數(shù)或者通過考試一味地背誦書本而忽視操作環(huán)節(jié)，雖然題目能答出來卻不一定能夠設計并實現(xiàn)實際的硬件電路.

為了培養(yǎng)學生的動手能力，將考核分為理論課考試和實驗考試兩部分.其中，理論課考試以閉卷考試的方式進行，一方面考查學生對基本概念的掌握情況，另一方面考查學生分析和應用的能力.比如考查由硬件電路分析端口地址并對可編程接口芯片進行初始化編程的題目，看學生能否分析出硬件地址并寫出正確的程序.理論課考試成績由平時成績20%、期中筆試成績的30%和期末筆試成績的50%構(gòu)成.實驗考試分為仿真實驗考試、實際操作考試和課程設計三部分，這三者的比重分別是20%、30%、50%.仿真實驗考試用于考查學生運用Proteus和Keil的能力，題目不宜過難，時間控制在100分鐘以內(nèi).實際操作考試在實驗室進行，教師事先準備好十幾套題目供學生抽取.實驗考試的基本要求是測試學生對實驗裝置的熟悉程度，要求他們掌握單片機的基本工作原理和軟件的編程方法.比如要求學生在100分鐘以內(nèi)實現(xiàn)16×16LED點陣顯示的實驗，這就要求學生掌握16×16LED點陣的工作原理和C語言的應用能力.課程設計一般歷時兩周，主要考核學生對單片機知識綜合運用的能力.學生在選題之后，通過查找相關(guān)資料，在設計的過程中難免會遇到各種問題，在尋找解決方案的過程中有可能走彎路，這些對學生來說都是探索知識的過程.比如學生要做一個數(shù)字電子鐘的設計并撰寫課程設計報告.學生通過論證方案之后要畫出系統(tǒng)原理框圖，即總體設計，接著做出硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計.系統(tǒng)搭建完畢后要進行仿真測試，記錄實驗數(shù)據(jù)并做出誤差分析.這些工作完成后要總結(jié)出該課題在硬件、軟件設計的特點，考慮如何完善該系統(tǒng)并列出參考文獻.學生通過撰寫課程設計報告鍛煉自己的文檔書寫能力，對于將來做畢業(yè)論文大有幫助.

實踐證明，新型的打分方法大大優(yōu)于單純的閉卷考試，有利于加強學生對工程實踐能力的重視和綜合運用單片機知識的能力.

3構(gòu)建基于翻轉(zhuǎn)課堂的網(wǎng)絡教學模型

如何更好地提高學生的學習能力和動手能力是每一位教師思考和面臨的問題.如何讓教師從單純的課堂講授和繁重的作業(yè)批改中解脫出來，讓學生成為學習的主人也是師生亟待解決的問題.因此，開發(fā)一個基于翻轉(zhuǎn)課堂的網(wǎng)絡教學模型是非常有必要的.

3.1制作微視頻

目前,我國的精品課程網(wǎng)站中提供了大量的課堂內(nèi)容系統(tǒng)講授、教學重難點解決、實驗過程展示及教學輔助等類型的視頻資源[5].微視頻不同于普通意義上的在線視頻.一些在線視頻的時間在40分鐘到2小時之間，特別是一些課堂實況的錄像，存在著針對性不強、內(nèi)容雜亂無章的問題，不利于自學.在翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式下，教師要花費大量的時間和精力制作時間長度在十分鐘左右的微視頻并上傳到云計算網(wǎng)絡教育平臺供學生觀看、學習.單片機教學微視頻分為基礎視頻、實驗視頻和開發(fā)視頻.

為了明確教學重點、突出難點，教師在制作教學微視頻時可以選擇合適的錄屏軟件，以WORD或記事本為電子白板，將問題的分析過程有序地呈現(xiàn)出來，并配有語音講解，教師個人的影像不必出現(xiàn)在微視頻中.教師在錄制微視頻的過程中，可以按需要插入一些精心設置的問題，幫助學生進行探究式學習，培養(yǎng)學生獨立分析和思考的能力.另外教師要注意的是，一定要在安靜的環(huán)境中進行視頻的錄制，避免在微視頻中出現(xiàn)雜音分散學生的注意力.教師在錄制好視頻后可以請部分學生觀看，請他們提出修改意見，便于教師進行后期制作.為了讓學生看到教學微視頻，教師可以將微視頻發(fā)布到校園多媒體中心，學生可以通過登錄賬戶的方式進行觀看和交流.

3.2使用仿真軟件

PC機上構(gòu)建的虛擬單片機仿真平臺能夠使學生在沒有硬件條件的情況下完成電路的搭建和程序的調(diào)試等實驗.教師需要對單片機仿真軟件如Proteus的使用方法進行演示，設計一些實驗環(huán)節(jié)供學生練習.Proteus軟件內(nèi)置了豐富的器件庫，用戶還可以方便地創(chuàng)建新的元器件.它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字電路和模擬電路的混合仿真，不但支持匯編語言的編譯，還提供了Keil、Hitech等接口，突破了傳統(tǒng)實驗中使用單片機實驗箱的局限性，有利于學生理解單片機的工作原理.學生通過在軟件上畫出器件并連線即可完成電路圖的設計，避免了因檢查焊接點是否牢固導致實驗失敗的麻煩，同時降低了實際電路搭建完畢后由于產(chǎn)生的短路等不正確操作規(guī)程而造成的元器件消耗.學生使用Proteus軟件可以自由地設計一些虛擬硬件實驗，通過軟件編程和電路搭建完成仿真和測試，有利于發(fā)揮其創(chuàng)造性.教師在講授單片機A/D轉(zhuǎn)換接口電路的時候，可以通過布置一個小型的任務來鍛煉學生編寫C程序的能力.教師可以讓學生運用Proteus和Keil做一些仿真實驗，如利用單片機芯片AT89C51與A/D轉(zhuǎn)換器件設計一個數(shù)字電壓表并實現(xiàn).學生首先用Proteus設計出電路圖，然后用Keil軟件進行編程，通過對軟硬件的共同調(diào)試完成用四位數(shù)碼管顯示5V以內(nèi)直流電壓值的實驗.再比如讓學生根據(jù)自身的情況擬定課程設計的題目，必要的時候兩人一組，通過合作完成方案的設計，這樣做的好處是有利于培養(yǎng)學生的參與意識和協(xié)作精神.當然，仿真軟件不能完全代替硬件實驗.學生利用軟件的仿真結(jié)果進行硬件電路的搭建和程序的調(diào)試，克服了理論和實際脫節(jié)的缺陷，加強了動手能力的培養(yǎng)，同時有助于實驗室減緩硬件的磨損速度.

3.3建立完善的約束機制

將教學活動由課堂上改為課堂外，對于學習主動性較強的學生來說節(jié)約了聽課時間，提高了學習效率.但是對于一些學習主動性較差的學生來說，如果沒有一種約束機制督促他們按時完成作業(yè)的話，翻轉(zhuǎn)課堂的效果自然就會降低.這就要求網(wǎng)絡教學平臺應該有完善的記錄功能，如記錄學生登錄的次數(shù)，以及時長、學生與教師或其他同學在論壇上交流的次數(shù)等[6].

為了防止學生作弊，可以讓他們將匯報視頻(包括講述自己作業(yè)的解題思路或作品的設計過程等)上傳到網(wǎng)絡教育平臺.教師對這些視頻審核通過以后將其發(fā)布到論壇供交流使用.

4結(jié)束語

單片機課程是培養(yǎng)電子信息相關(guān)專業(yè)學生的動手能力和創(chuàng)新意識的主干課程，實驗教學也同樣不容忽視.本文針對目前單片機教學中存在的問題構(gòu)建了基于翻轉(zhuǎn)課堂的單片機網(wǎng)絡教學模型，闡述了通過教師制作單片機教學微視頻、學生觀看微視頻并匯報學習成果、開展課堂討論等環(huán)節(jié)對傳統(tǒng)的教學模型進行改革的方案.翻轉(zhuǎn)課堂教學法以學生為主體，讓學生在約束機制的激勵下完成個性化學習，將理論與實踐相結(jié)合，有利于其工程素質(zhì)的培養(yǎng).當然，翻轉(zhuǎn)課堂在具體的實施過程中難免存在著一些需要思考的問題，如：教師要花大量的時間和精力去設計微視頻和課上、課下的任務導航，這無疑增加了備課的難度；學生需要在課外觀看微視頻等教學資源并完成任務，這對學生的學習自覺性有很高的要求.因此，翻轉(zhuǎn)課堂的教學改革還需要教育工作者的進一步研究和探索.

參考文獻：

[1]Jonathan B,Aaron S. Flip your classroom: reach every student in every class every day[M]. Eugene, OR: International Society for Technology in Education, 2012.

[2]徐進強，左翠紅.單片機技術(shù)任務驅(qū)動式教程[M].天津:天津大學出版社,2010.

[3]沈書生,劉強,謝同祥.一種基于電子書包的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式[J].中國電化教育,2013(12):107-111.

[4]王忠誠，王逸軒.任務驅(qū)動學電子元器件[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[5]張新明,何文濤.支持翻轉(zhuǎn)課堂的網(wǎng)絡教學系統(tǒng)模型探究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2013(8):21-25.

[6]李寶慶，胡亞慧.在社會網(wǎng)絡理論視域下教師專業(yè)發(fā)展的立體化路徑[J].現(xiàn)代中小學教育,2014(09).

(責任編輯:王前)

Research on Single-chip Microcomputer Teaching Reform Based on Flipped Classroom

WANG Na

(CollegeofPhysicsandInformationEngineering,

FuqingBranchofFujianNormalUniversity,Fuqing,Fujian350300,China)

Abstract:The single-chip microcomputer teaching model is established based on the existent problems in the single-chip microcomputer teaching. The combination of online learning and academics plays a key role in improving the enthusiasm of students and letting them shift from passive learning to active learning. Depending on their situations, the students obtain knowledge through the micro video based on practice and other instructional resources to make up for the defect of less teaching hours. The communication between teacher and students has increased. The flipped classroom, which breaks through the limitation of traditional teaching patterns, make the students'innovation inspirit develop.

Keywords:single-chip microcomputer; teaching reform; teaching model; problem-driven

中圖分類號：G420

文獻標志碼：A

文章編號：1008-7974(2015)06-0090-04

作者簡介：王娜，女，河北保定人，副教授.

基金項目：福建省中青年教師教育科研社科A類項目“2014年福建省高等學校教學改革研究專項”(JAS14789)

收稿日期：*2015-06-26

DOI:10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.12.029