《單片機原理與接口技術》混合式教學探索與實踐

馬春燕 鄭劍海 王淑紅 李志鋒

摘要：在《單片機原理與接口技術》課程教學過程中，為了滿足不同層次學生的學習需求，針對不同的教學內容、教學目標，設計了線上與線下相結合、講與練相結合、虛擬仿真與實體實驗相結合、實驗箱與“口袋機”相結合的多種混合教學模式，特別是引進“口袋”實驗室概念，應用“口袋機”這一便攜式實驗設備，實現了真正意義上的開放式教學，建立信息化管理系統平臺，實現了“口袋機”的借用、歸還、預約、續借等管理功能，調動學生的學習熱情，讓學生“動起來、忙起來”，使學生在項目實踐中學習和掌握系統的知識體系。

關鍵詞：單片機;混合式教學;口袋實驗室

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）50-0168-03

新工科是當前我國在面臨新一輪科技革命、產業變革和新經濟環境，基于國家戰略發展提出的新要求。教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”等指導性文件，指明了以學生為中心的教學理念和工程教育教學改革的路線，而教學模式改革是重要途徑[1]。

一、混合式教學模式

目前，全國高等學校的教學模式包括：傳統課堂教學、MOOC、SPOC、翻轉課堂和混合式教學模式等[2-4]。混合式教學模式源自混合式學習，可以看作面對面的課堂學習與在線學習兩種方式的有機整合，混合學習的核心思想是根據不同問題和要求，采用不同的方式解決問題。混合式教學模式包括教學形式、教學技術、教學手段和教學評價等四個方面的混合教學。教學形式表現為傳統面對面學習與網絡在線學習的混合;教學技術表現為視頻、音頻和文本等多媒體技術的混合;教學手段表現為教師面授教學引導與學生自主學習混合;教學評價表現為過程性評價與總結性評價的混合。其核心思想是教師的“教”與學生的“學”的混合，要求根據不同教學問題，采用不同的教學方式解決，通過為學生提供自主學習的通道和信息傳遞方式，更有利于促進學生接受知識，從而實現較為理想的教學效果[5]。

二、混合式教學模式設計與實踐

“教學有法，教無定法”，這意味著沒有一個現成的、放之四海皆準的混合式教學模式可以套用。必須根據不同的教學內容和教學目標，設計并采用不同的教學模式，完成教學任務。

（一）混合式教學模式設計

面對面課堂教學以教師的“教”為主要特征的教學活動，教師可以根據學生、學習內容、學習目標的不同，選擇一種或多種教學模式進行混合式教學設計，積極引導學生完成自主學習和小組學習，對于難于理解和掌握的知識點，教師可以在課堂上融合多種教學策略進行精講，充分激發學生學習興趣，提高學習能力，達到教學目標。在線學習以學生的“學”為主要特征，實現學生自定步調、自主學習同教師在線指導相結合。學生通過在線網絡學習平臺對視頻資源、測試等任務進行學習，借助在線論壇、QQ、微信、Email等方式與其他同學或教師進行同步或異步交流、討論、分享等學習互動環節，方便及時解決遇見的困難和問題。把混合式教學模式應用于《單片機原理與接口技術》課程的教學過程，目的是滿足不同層次學生的學習需要。在課堂上教師講解理論知識和具體應用實例，帶領學生開展項目實踐。在網絡上重現課堂例題操作步驟、錄制視頻，同時提供拓展高階編程實踐，并對學生項目的實施進行跟蹤管理。對不同的教學內容、教學目標、教學形式、教學技術、教學手段，設計了線上與線下相結合、講與練相結合、虛擬仿真與實體實驗相結合、實驗箱與“口袋機”相結合的多種混合教學模式，旨在激發學生學習的主動性和創造性，培養學生的創新思維和實踐能力。

（二）混合式教學模式實踐

以《單片機原理與接口技術》課程為例，進行混合式教學模式的探索與實踐。課程主要內容包括單片機結構及原理、匯編語言指令系統及程序設計、接口技術及應用系統設計三大部分。各部分內容緊密相關，但又各具特點，需要采用不同的教學方法和手段進行教學。

1.線上與線下相結合。單片機結構及原理部分，介紹AT89S52單片機片內硬件結構和引腳功能，要求重點掌握AT89S52單片機的存儲器結構、特殊功能寄存器的基本功能以及復位電路與時鐘電路的設計，建立單片機最小系統的概念。這部分教學采用線上與線下相結合的教學方式，學生提前線上觀看教學視頻，對AT89S52單片機先有一個總體認識，然后帶著問題進入課堂，聽教師講解分析教學難點和重點，師生展開面對面的討論和學習，化解難點，掌握重點，為后續課程的學習奠定基礎。

2.講與練相結合。匯編語言指令系統及程序設計部分，介紹8051單片機匯編語言指令系統和匯編語言程序設計方法，重點掌握111條指令的格式及功能，順序結構、查表、分支轉移、循環等程序的基本結構及設計方法。對于這部分內容，采用基于虛擬仿真軟件，講與練相結合的教學方式，應用Keil μVision單片機集成仿真軟件，學習并運行指令和程序，觀察每條指令執行中，寄存器和指針的變化以及程序的執行過程，邊講邊練，使學生能更加直觀、形象地學習和掌握指令的功能和編程的技巧。

3.虛擬仿真與實體實驗相結合。接口技術及應用系統設計部分，介紹單片機片內資源的結構以及接口電路的設計方法。重點包括AT89S52單片機中斷系統、定時器、串行接口、LED/LCD顯示器、開關/鍵盤、ADC與DAC等內容。對于這部分內容，采用虛擬仿真與實體實驗相結合的教學方式，在Proteus仿真實驗平臺上搭建功能電路，編寫初始化及功能程序，初步學習和了解定時器的定時、計數及中斷、串行通信、LED顯示器、開關輸入、鍵盤掃描的工作原理及編程方法，而后在單片機實驗箱上插接電路，構成硬件系統，全面熟悉并掌握單片機接口電路的設計、測試、編程及調試的步驟和方法。

4.實驗箱與“口袋機”相結合。目前，全國各高校普遍采用單片機實驗箱進行《單片機原理與接口技術》實驗，實驗箱可靠性強，但是實驗箱的接口電路基本固定，不具備再開發的功能，不利于學生發散思維的訓練，同時受空間和時間限制，實驗教學滯后于課堂教學，很難保證學生在有實驗激情和創作靈感的時候進行實驗、設計與探索。因此在實驗和課程設計環節，為了有效提高學生實際動手和創新實踐能力，在教學過程中，采用實驗箱與“口袋機”相結合的開放式教學方式，打破傳統固定實驗室空間和時間的限制，調動學生的學習熱情，讓學生動起來、忙起來，使學生在硬件實驗、系統設計和項目實踐中學習和掌握單片機的知識體系，培養學生知識綜合運用能力和工程實踐能力。（1）“口袋機”教學實驗系統。為解決傳統實驗室存在的空間和時間相對固定，不能滿足學生隨學、隨做的需求問題，設計開發了基于“口袋機”的“單片機原理與接口技術”開放式教學實驗系統。系統由“口袋機”主機、接口模塊、虛擬終端顯示微信小程序及借用管理系統組成。學生可以像借閱圖書一樣，用學生證便可借用“口袋機”和接口模塊，在寢室、圖書館、自習室，甚至任何一個可以學習的地方，隨時進行學習和實驗，完成課程實驗、課程設計和創新活動。（2）“口袋機”主機。“口袋機”主機采用“核心板+底板+功能擴展板+虛擬外設”的設計理念，功能可搭配，便于學生實驗、課程設計及項目開發。“口袋機”尺寸為135mm×90mm×20mm，體積小，便于攜帶，功耗低，可以隨時隨地邊學、邊練。“口袋機”主芯片采用STCmicro宏晶科技公司IAP15W4K58S4單片機，可以完成發光二極管流水燈控制、紅外傳感器測距、獨立按鍵控制流水燈以及OLED顯示等實驗。“口袋機”外形及核心板如圖1所示。（3）“口袋機”接口模塊。系統共有13個接口模塊，包括矩陣鍵盤與撥碼開關模塊、16×16點陣顯示模塊、7段LED數碼管模塊、電機控制模塊、十字路口交通燈控制模塊和繼電器控制模塊，尺寸為100mm×55mm，通過GPIO的A口和B口與“口袋機”主機相連。可以完成矩陣鍵盤控制、矩陣鍵盤控制、數碼管動態顯示、直流電機調速、交流電機PWM調速、智能交通燈和繼電器控制等實驗。（4）“口袋機”虛擬終端顯示微信小程序。“口袋機”底板上設計有WiFi、藍牙、無線射頻單元電路，可以通過對應的虛擬終端程序發送信息，在智能手機上顯示程序運行結果，即虛擬終端顯示功能。使用WiFi功能，可以實現“一點對多點”的信息傳輸，便于教師演示性教學，不受時間、空間和設備限制，可以隨時發布教學信息，便于學生實時觀察實驗結果。智能手機關注“北京杰創永恒科技有限公司”微信公眾號，進入“杰創POK虛擬終端”，打開手機藍牙或接入WiFi局域網，“口袋機”上電，搜索附近的“口袋機”設備，連接成功后，進入實驗列表界面。以交通燈實驗為例，點擊交通燈實驗，“口袋機”開始運行控制程序，數據通過藍牙或WiFi實時傳輸到智能手機，顯示“十字路口”交通燈的控制場景，如圖2所示。（5）“口袋機”借用管理系統。通過“口袋機”借用管理系統，學生使用學生證即可完成借用和歸還，實現“口袋機”的借用、歸還、預約、續借等管理功能，共享“口袋機”實驗設備，隨借、隨用，打破傳統固定實驗室空間和時間的限制，使學生在課堂上積極動腦學習，課后有靈感、有想法時就可以拿出“口袋機”做實驗，鞏固和拓展知識面。

三、結語

混合教學是在對在線學習反思的基礎上形成的新的術語，不只是線上和線下兩種形式的簡單組合，而是要充分發揮和利用在線學習和面對面教學的優勢，通過“混合”促進傳統教學模式的變革。因此，混合教學模式可以說是一個教學理念的回歸，又是一個發展。混合式教學模式在《單片機原理與接口技術》課程教學過程中的應用和實踐，收到了良好的教學效果。混合式教學模式課程設計的理論探索和實踐應用的不斷深化，將為越來越多的學生帶來優化的學習效果。

參考文獻：

[1]伍龍，苗磊，黃凱峰.新工科下單片機課程混合式教學模式改革[J].淮南師范大學學報，2019，21（113）：132-136.

[2]王婷婷，彭熙，葛非.SPOC與翻轉課堂混合教學模式在通識教育中的應用[J].科技文匯，2019，4（456）：124-126.

[3]李克東，趙建華.混合學習的原理與應用模式[J].電化教育研究，2004，7（135）：1-6.

[4]陳雅.基于混合式學習的任務驅動式教學[J].中國成人教育，2017，（2）：85-87.

[5]孫娜，劉永良，孫向南.“互聯網+”新時代背景下混合形態教學模式構建[J].計算機教育，2019，（2）：102-106.