基于Proteus的混合教學模式設計與實踐
——以省屬地方高校“單片機原理與應用”實驗課程為例＊

新疆農業大學交通與物流工程學院 董丹華

在現有單片機實驗系統基礎上，設計基于Proteus的項目式仿真實例庫，并進行混合式教學模式設計與實踐。 以具體的綜合應用型的仿真實例，對教學內容和過程的設計、仿真電路繪制及仿真的主要過程進行闡述。實踐表明，利用Proteus的混合教學模式，可以加深學生對單片機原理與結構的理解，通過Proteus仿真軟件開發并設計的直觀的聯動仿真電路，進一步激發學生學習興趣，提高學生單片機外圍電路設計、編程能力及單片機綜合應用的能力。

針對新疆地方高校學生學習《單片機原理與應用》有很大困難，本文提出基于Proteus的混合教學模式，該模式是以“多路LED燈的花樣控制”“十字交通信號燈單片機模擬系統” “汽車溫度監測單片機模擬系統”“汽車倒車測距儀單片機模擬系統”等仿真電路實例庫，超星泛雅自建課程平臺、學習通App、釘釘直播課堂等網絡教學工具設計的混合教學模式，能有效促進學生學習的積極性，將課堂從以往老師的“教”為中心轉變成以學生的“學”為中心，培養學生的綜合能力，使學生的實驗思維方式由驗證型轉變為應用設計型，實現單片機外圍電路和程序的自主綜合設計。

1 課程教學現狀

《單片機原理及應用》是我校面向“交通運輸”“汽車檢測與維修技術”（專科）等專業學生開設的專業基礎課，該課程在學生科研項目訓練、學科競賽、專業課程設計、畢業設計等環節占據主要位置。《單片機原理及應用》課程內容較復雜和抽象，教改前：首先講解單片機內部結構、組成電路及工作原理，然后詳細闡述51指令系統的每一條指令，接著引導學習讀匯編程序及進行簡單程序的設計，再接下來講解單片機的外圍資源，如：外部中斷、定時／計數器、串行通信及接口、A/D和D/A轉換等，最后舉幾個應用實例。所有知識和理論通過此教學過程全部涉及到，但使得基礎知識和實際應用之間存在嚴重脫節，且由于知識點較多導致記憶的內容多，且抽象枯燥難懂學了后面忘了前面，造成相當一部分學生對單片機的學習失去興趣而影響整體教學效果。實驗環節的10～16學時的實驗，均為驗證性實驗，學生參考實驗指導書上的源程序在實驗箱上連幾根線即可完成實驗，學生收獲不大。

2 混合式教學與Proteus仿真

2.1 混合式教學

互聯網及移動網絡技術的發展不斷改變著高校師生的學習方式、學習空間及教師教學方式的創新與變革。高校師生高度關注線上與線下教學有機融合的混合式教學方法，有學者從不同角度對其進行研究。

祝智庭教授的《遠程教育中的混合學習》文獻中最早提出混合學習概念。何克抗教授認為課程理論與信息技術相融合是教學設計理論的新發展，指出混合式學習的方式采取的是運用網絡科技，打通“線上”和“線下”的空間隔閡，充分利用學習時間，突破傳統學習在時間和空間上的制約，能夠達到進一步激發學習者的學習興趣和熱情的目的[1]。張倩提出：疫情防控期間應著力從建設信息化、智能化的混合式教學設施，發展雙邊互動的混合式教學方式，篩選豐富而規范的混合式教學內容等方面構建融合式的混合式教學模式[2]。于歆杰結合近年來與不同類型學校的教師合作的經驗，總結了與混合式教學相關的六對系[3]。曹海艷等認為混合式教學設計是成功開展混合式教學的關鍵，并提出了4個階段、10個步驟的設計模式[4]。李海東等提出混合式教學質量評價流程模型、指標體系與方法[5]。有研究學者著重于用技術為學習提供有效支持，通過記錄、管理、考核、實時反饋等多種功能，做到學習過程數據可追溯和把控，保證學習效果的達成。20余年來混合式教學概念演變由聚焦信息技術逐步向關注師生共同成長、提升教學效果轉變[6]。

2.2 Proteus仿真軟件

Proteus軟件集成電路仿真、PCB設計和虛擬模型仿真的功能，在單片機仿真應用領域有獨特的優勢[7]。Proteus仿真軟件提供的單片機以及外圍元器件虛擬模型與硬件實物芯片功能是一一對應的，因此在教學實踐中把Proteus軟件與Keil編譯器聯動仿真引入到課堂、實驗教學中, 設計了將學生的興趣、所學專業相結合的綜合性實例庫，如圖1～圖4所示。

圖1 “多路LED燈的花樣控制”仿真實例Fig.1 Simulation example of "pattern control of multiple LED lights"

圖2 “十字交通信號燈單片機模擬系統”仿真實例Fig.2 Simulation example of "single-chip computer simulation system for cross traffic lights"

圖3 “汽車溫度監測單片機模擬系統”仿真實例Fig.3 Simulation example of "automotive temperature monitoring microcontroller simulation system"

圖4 “汽車倒車測距儀單片機模擬系統”仿真實例Fig.4 Simulation example of "single-chip computer simulation system of car reversing rangefinder"

學生將程序編譯生成.Hex文件導入至仿真電路的主控芯片中，就可以在Proteus軟件界面中通過播放按鈕直觀地看到程序控制的仿真電路其模擬運行的狀態和結果，代替了實物演示的需求。Proteus軟件能夠將單片機程序的燒錄、執行的過程形象地展現出來，這是傳統單片機原理課程教學難以做到的，課堂的生動與互動性增強了。

3 基于Proteu的混合教學模式設計

為了解決線下面授和學生實驗學時的不足，引發和督促學生對單片機知識的持續深入學習，引入基于Proteu的混合教學模式，用興趣和適當的壓力把學生端的“讓我學”改變為“我要學”。

3.1 教學內容組成

《單片機原理與應用》課程是一門面向應用的具有很強的綜合性和實踐性的課程。課程特點：（1）硬件結構和原理、接口技術與編程方法并重；（2）軟、硬件相結合；（3）理論與實踐相結合。

課程的主要教學內容包括三個部分：（1）51單片機的片內硬件結構，最小系統構成；（2）51匯編語言指令系統，常用程序設計；（3） 51單片機片內中斷系統、定時器、異步串行口的功能及工作原理以及應用程序設計。本課程總學時48，采用混合式教學，線上學時占總學的百分之40%（包含學生自主學習、線上遠程實驗指導等）。以51系列單片機為例，以項目為主線，系統介紹51系列單片機的原理和應用，是學生掌握單片機技術的基礎課程。

3.2 教學設計及環境

3.2.1 教學設計思路

（1）以學以致用為目的，教學設計為解決工程應用任務，培養學生專業知識的應用能力和創新意識。選擇與學生合適的教材和匹配的線上慕課資源來提高學生的自主學習能力，課前課后的測驗（網上搜不到的自編題目）檢測自學和掌握效果，通過成績排名進行督促，及時提供學習反饋及幫助；

（ 2）錄制淺顯易懂的微課小視頻，幫助漢語言水平較弱學生。英語類軟件安裝、聯調、操作環節遇到的困難，通過視頻一對一在線指導；

（3）根據學生擁有電腦情況建立學習小組，并根據小組成員的學習效果，制定合理評價細則。

3.2.2 教學環境

此處教學環境分為三部分：在線課程資源網址、實踐硬件環境和課堂交互軟件，具體如表1所示。

表1 教學環境Tab.1 Teaching environment

3.3 教學過程

利用各種線上線下互動工具進行教學任務的實施，采用基于實踐、理論、再實踐的教學過程，如圖5所示。

圖5 “Proteus的混合教學模式”教學過程Fig.5 The teaching process of "Proteus' blended teaching model"

具體的教學過程描述如下：

（1）課前。在自建的SPOC課程網站上，按合理的邏輯順序，組織好以完成項目案例為目標的相關慕課資源，錄制重組資源中未涉及的教學內容的微課視頻做為補充，提供資源中缺乏的文字資料，例如，8051匯編指令對應機器碼表、Proteus元器件名稱中英文對照表、單片機開發板的電路原理圖、各類元器件和傳感器技術說明文檔等。要求學生自主學習在線發布的學習內容，并完成相關的話題討論、限時作業或測驗。教師端加強對學生的討論、限時作業或測驗成績等學習數據進行分析，實時了解學生學習興趣，監控并督促學生的學習過程，診斷其薄弱環節，對其進行合適的匹配，并準備課中的講授內容、課堂互動、仿真動畫演示等。

（2）課中。緊緊圍繞項目案例所涉及到的相關知識，對學生課前掌握不足或理解偏差的知識進行組織和講授，通過課堂互動、仿真動畫演示等活躍課堂氛圍，激發學生的探索精神。

（3）課后。發布相關的作業及實操內容，作業或實操內容提交時間截止后，及時向學生提供參考答案及常見問題反饋，公布單元學習成績排名，激發學生適度的爭強好勝心。完善小組學習效果評價細則，鼓勵學生之間的交流與討論，加強學生間團隊協作。加大教師的參與度，有效的互動是學生所學知識得以內化、能力獲得提升的最重要體現。

最后，對學生在實驗、實踐過程出現的各類問題進行收集、匯總，完善“常見問題與解決辦法”文字材料。總結教學過程中值得繼續采納與推廣的，同時也不斷反思學生在學習過程中產生的問題及解決辦法。

4 實踐結果與研究

4.1 課程考核

課程考核是保證教學質量和檢驗最終教學效果的重要手段，其目的在于督促并指導學生系統地鞏固、復習所學知識與技能，檢驗學生對所學知識的理解程度和靈活運用能力。課程考核應堅持誠實、嚴謹、公平、公正的原則。本課程采用過程性考核，包含兩部分，如圖6所示。

圖6 課程考核指標Fig.6 Course assessment indicators

針對不同授課班級學生的特點具體的占比和權重可根據需要適當調整。

4.2 課程考核結果

本次教學實踐比較對象為新疆農業大學交通與物流工程學院交運176、交運2021級兩個民語言班級，每班學生19人，共計38人。交運176為對照班，交運2021為實驗班。實驗班采用Proteus的混合教學設計，對照班采用普通混合式教學。開課前進行的調查分析顯示：兩個班學生的語言表達、原有認知、英語水平、計算機水平、學習習慣相差不大，這為開展教學效果評價與比較提供了較好的前提條件。

兩個班的過程性考核結果如圖7所示，由此可見，采用基于Proteus的混合教學模式和多元化的過程性考核將重心放在學生學習過程考核上，督促學生課后持續投入時間和精力，避免了學生在考試前通過死記硬背的突擊學習來應付考試，改變了以往掛科人數居高不下，不能學以致用的局面。

圖7 學生成績分布柱圖Fig.7 Student achievement distribution column chart

5 結語

與以往普通的混合式教學模式相比，采用Proteus的混合教學模式可以提升學生的學習效率，增進學生與教師、學生與學生之間的互動，較好地解決了實驗教學存在的硬件資源有限、理論與實踐脫離、理論與實驗學時不足、課程內容抽象難理解導致學生學習興趣不高等一系列問題，拓展了學生的學習空間和時間，提高了合格率，加強了學生的動手實踐能力。

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引用

[1]何克抗.從“翻轉課堂”的本質,看“翻轉課堂”在我國的未來發展[J].電化教育研究,2014,35(7):5-16.

[2]張倩,馬秀鵬.后疫情時期高校混合式教學模式的構建與建議[J].江蘇高教,2021(2):93-97.

[3]于歆杰.論混合式教學的六大關系[J].中國大學教學,2019(5): 14-18+28.

[4]曹海艷,孫躍東,羅堯成,等.“以學生為中心”的高校混合式教學課程學習設計思考[J].高等工程教育研究,2021(1):187-192.

[5]李海東,吳昊.基于全過程的混合式教學質量評價體系研究——以國家級線上線下混合式一流課程為例[J].中國大學教學,2021(5): 65-71+91.

[6]張宏偉,王海星,郭建鋒,等.基于騰訊課堂和虛擬仿真技術的嵌入式系統線上教學[J].實驗技術與管理,2020,37(12):170-174.

[7]孟霆,張曉峻,車雪峰,等.基于Proteus軟件的單片機課程線上教學探索[J].實驗室研究與探索,2021,40(11):184-188+214.