單片機課程“學教并重”混合式教學探索

曹淑瑛 鄭加駒 耿讀艷 孫景峰 王宇哲

摘?要：在當前“減學時強能力”的教育環境下，依據單片機課程特點、教學中存在的問題，并結合本專業實際情況，提出了實驗與理論緊密結合的“學教并重”混合式教學模式。利用信息化教學手段對課前、課中、課后所有實驗和理論教學環節進行了設計，引進Keil+Protues虛擬仿真技術，采用“學教并重”教育理念，分層設計了實驗項目、優化了教學內容。教學實踐表明，這種教學模式能有效提高教學效率，培養學生自主學習、實踐和創新能力。

關鍵詞：單片機;混合式教學;虛擬仿真技術;學教并重

單片機技術被廣泛應用于家用電器、工業自動化、智能家居、物聯網等領域，該課程是一門應用性、實踐性和綜合性很強的課程。本課程涉及數電、模電、C語言、控制理論、電機學、電力電子技術等知識，是教育部和工信部舉辦的各項大學生競賽必不可少的工具[1]，在大學生創新創業實踐活動中起著重要作用，在電氣、自動化、機電一體化、通信等專業課程教學體系中起著承上啟下的作用。

然而，本課程學時數卻在不斷縮減，且很多高校的授課對象已從大三學生變為無計算機硬件知識和無專業知識的大二學生。在當前“減學時強能力”的教育環境下，對課程教學改革迫在眉睫。

一、課程教學存在的問題

（一）理論和實驗教學脫節

本課程理論知識點繁雜、內容抽象，在教學中既須掌握硬件設計、軟件設計，也須掌握硬件與軟件的協調設計、協調仿真和協調調試，因此其理論和實驗教學必須緊密結合。目前，教學多數仍是“先講解理論、后進行實驗”。授課與實驗時間可能相差1～2周，學生在學習中產生的想法和存在的疑問不能得到及時驗證和解決，學習主動性下降。

（二）教學模式待改進

教學模式主要有三種：“以教師為中心”填鴨式、以“學生為中心”翻轉課堂式和“學教并重”混合式。填鴨教學，學生被動學習，不適合創新性人才培養。翻轉課堂教學可培養學生自主學習能力，但對于無計算機硬件知識的大二學生來說，很難掌握單片機“軟硬件兼施開發與應用”。課堂面授、MOOC、翻轉課堂、虛擬仿真實驗等相結合的“學教并重”混合式教學開始出現[24]，而如何根據本課程特點，進行混合式教學需要深入研究。

（三）教學內容需更新

實驗系統集成度高，實驗中學生常只進行簡單連線，不能自行設計與搭建硬件，使得學生對實驗原理不能充分掌握，且常因實驗器材等的限制，放棄有創新的設計，挫傷學生實驗的積極性。雖然不少高校開展“虛擬仿真實驗教學”，旨在探索個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，但還處于起步階段。此外，隨著單片機技術（如嵌入式、云技術、物聯網、互聯網+人工智能等）迅猛發展，需更新教學內容，來滿足應用創新型人才培養需求。

二、課程教學模式改革探索

依據課程特點和教學中存在的問題，結合本校電氣工程與自動化專業實際情況：授課學時僅40、授課人數400多人，授課對象為無計算機硬件知識和專業知識的大二學生，課程組引進Keil+Protues虛擬仿真技術，采用“學教并重”教育理念，利用雨課堂、MOOC、超星、單片機技術等各種網絡平臺，打破教學上時間與空間的壁壘，提出下圖所示的實驗與理論緊密結合的混合式教學模式，對課前、課中、課后所有教學環節進行了設計。實踐教學中，將單片機實驗分為4個層次，并依據這4個層次實驗、優化教學方式和內容。

（一）基礎層實驗

基礎層實驗，如Keil+Proteus流水燈控制實驗，是針對51系列單片機理論知識點設置的驗證性實驗，教學方式上以教師為主。理論課上，教師借助雨課堂將知識點與虛擬仿真實驗結合（例表1仿真實驗與理論知識點的鏈接），實現課堂信息化溝通，采用演示法、講練互評等教學方法，營造自主學習氛圍，學生依據資料和授課，快速掌握課程基礎知識、Keil+Proteus仿真軟件及其調試等技能。

（二）設計層實驗

設計層實驗是融合若干知識點設置的“虛擬仿真+實物驗證”實驗。課程將輸入、輸出電路加上單片機的查詢、中斷及定時器控制等，構成難度適中的“硬件模塊+軟件模塊”設計層實驗，如按鍵控制數碼管、外部中斷溫度預警控制、定時器按鍵掃描LCD顯示等。教學方式上教師與學生并重。理論課上，教師借助雨課堂演示和講練該類實驗的知識點、設計思想和難點。課堂下，學生利用Keil+Protues軟件編寫程序、設計電路完成整個仿真調試。實驗課上，學生利用實驗器材，依據仿真原理進行實物連接，排查電路，進行實物調試，最終完成“虛擬仿真+實物驗證”相結合的實踐體檢。此類實驗可加強學生對課程三大主題：“軟硬件的協同設計、協同仿真和協同調試”的理解和靈活運用。

（三）應用層實驗

設計具有應用背景的單片機系統，是單片機走向應用的關鍵。為了保證應用層實驗順利完成，將實驗由易到難分為三個模塊：（1）模塊1，數字時鐘、簡易報警器、可調PWM輸出控制器、簡易計算器等;（2）模塊2，波形發生器、電壓采集顯示控制、步進電機控制等;（3）模塊3，溫度檢測報警系統、出租車計價器、萬年歷等。教學方式上以教師為輔，學生為主。學期開課時，教師將實驗項目發放，并為學生提供參考資料，學生可按照自身水平進行選擇。課堂下，學生基于“軟硬件模塊化設計思想”，利用Keil+Protues仿真軟件編寫主程序和各個模塊化子程序，并設計各模塊硬件電路，完成整個“硬件模塊+軟件模塊”仿真調試、PCB制版和三維PCB生成等“虛擬仿真系統”內容。限于學時少和學生過多，實驗課上僅要求學生展示和互評“虛擬仿真系統”。對于有制作實物需求的學生，實驗室提供輔導。該實驗過程包含著對課程內容的全面領悟、對應用的初步體驗、以及對模電、數電、電機學等知識的綜合應用，這三者均屬于深刻的實踐經歷。

（四）創新綜合層實驗

創新綜合層實驗為結合社會研究熱點和本專業特點的具有極強應用背景的實驗，如電機智能控制系統[1，5]、電磁饋能懸架控制系統[6，7]和環境智能監測儀等。教學方式上，學生和教師共同利用課余時間完成收集資料、商定方案、調試和驗證等過程。

步進電機作為電氣自動化專業的典型執行元件，具有成本低、快速啟停、定位準確及步距誤差不累計等優點，被廣泛用在數控設備、機器人、家居和醫療等領域中[5]，也在大學生各種科技競賽中廣泛采用[1]。本課程將“基于STM32的步進電機智能控制系統”實物制作實驗作為創新綜合層實驗項目。該系統分為手動按鈕、語音、手機APP、電機驅動、電機等模塊，可通過按鈕、語音、手機遠程這三種方式控制步進電機，極大拓寬了電機的使用范圍，真正實現了理論、實踐與應用的高度融合。

電磁饋能半主動懸架[6]可利用旋轉或直線電機回收車輛懸架上可觀的振動能，有望解決被動懸架阻尼不可調、減振效果差的問題，也有望克服主動懸架高能耗減振的缺陷，因而成為研究熱點。本課程將“基于單片機的電磁懸架半主動控制系統”這一復雜工程問題的仿真實驗作為創新綜合層實驗項目。該控制系統采用天棚算法和雙滯環電流控制器相結合的混合控制策略，利用單片機生成晶體管Q1Q4的脈沖信號S1S4來控制AC/DC雙向變換器，來實現低能耗饋能減振。該實驗項目利用本課程應用層實驗中“波形發生器”和“電機控制”等內容，建立了單片機課程與同步課程（如數電、模電等）和后續專業核心課程（如自動控制理論、電力電子技術、電機學等）之間的聯系，是單片機在新能源汽車智能控制中的典型應用[7]。

該類創新綜合層實驗項目可促進學生綜合能力提高，同時加強教師實踐性知識的積累和教學內容的整合能力，促進教師職能向導師職能的轉變。

三、結語

依據課程特點、教學中存在的問題，結合本專業實際情況，提出了實驗與理論緊密結合的“學教并重”混合式教學模式。實現了“學以致用”的教學目標，培養了學生自主學習、實踐和創新能力，提高了教師的綜合能力，推進了課程優質建設。

參考文獻：

[1]馮濤，李擎，崔家瑞，等.面向大學生科技競賽的步進電機控制創新教學實訓平臺設計[J].實驗技術與管理，2020，37（11）：110115.

[2]王通，朱士虎.“單片機原理與應用”課程教學改革研究[J].科技風，2020，7：3536.

[3]曾妍.《單片機技術》混合教學模式研究與實踐[J].教育現代化，2018，5（46）：119121.

[4]喬莉，魏海波.基于翻轉課堂和虛擬仿真的單片機教學改革[J].實驗技術與管理，2018，35（3）：112114.

[5]邵杰.單片機技術在閥門電動執行機構中的逐步應用和發展[J].科技創新與應用，2018，6：5356.

[6]戴建國，王程，劉正凡，等.饋能懸架技術研究綜述[J].科學技術與工程，2018，18（30）：131139.

[7]郜浩楠，徐俊，蒲曉暉，等.面向新能源汽車的懸架振動能量回收在線控制方法[J].西安交通大學學報，2020，54（4）：1926.

基金項目：河北省高等教育學會高等教育科學研究項目（GJXH2019014）;河北工業大學本科優質課程建設項目（YK2019001）

作者簡介：曹淑瑛（1970—?），女，天津人，教授，研究方向：系統建模、測試及控制技術。