基于數字孿生的單片機項目式教學研究

朱永強 張平霞 潘福全

摘? 要：針對單片機知識晦澀難懂，學生能力培養不佳的問題，提出基于數字孿生的虛擬-實物項目的單片機樂學式教學模式，以能力培養及專業知識理論框架需求為基礎，對課程中涉及的單片機基本編程、綜合實驗課、實物項目課、綜合素質提升、期末考試等環節，進行改革，采用虛擬實驗室、實物實驗、項目研究、數字孿生等技術，并與上位機的控制軟件相結合，實現學生綜合能力的培養與提升。

關鍵詞：單片機；虛擬實驗室；數字孿生；教學改革；能力培養

中圖分類號：F407.471；G642.0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1002-4107（2024）06-0000-04

一、引言

數字孿生（DT，Digital Twins）技術[1-3]能夠在虛擬空間中完成物理實體全過程的數字化表達，可全方位模擬并反饋機械設備的運動[4-7]，從而在計算機上再現一些大型或者復雜的機械設施的運動狀態。

對于機械類的專業，如機械設計制造及自動化、交通運輸、車輛工程等而言，如果可以將數字孿生技術與單片機結合起來，先通過單片機采集外界的數據來驅動虛擬空間中數字化模型的運動，再將模型運動同步映射到真實世界中的實物運動。在此過程中學生先在虛擬實驗室進行單片機編程與電路搭建，可以避免元器件損壞的風險，并大大提高信心。最后再進行實物實驗，驗證編程代碼，從而縮短整個實驗項目的時間花費，并減少元器件的損耗，同時還能提高學生的學習興趣與能力。

二、存在的問題

“單片機原理及應用”課程是大學期間面向信控、機械控制等多專業開展的控制類課程，共32學時。主要任務是使學生通過編程，掌握控制單片機讀取外圍傳感器信息，控制執行器動作，進行串口等各種通訊的功能。但是，目前采用常規授課方式存在以下問題。（1）知識點授課，不利于應用能力的培養。知識點授課的方式，導致教學方式較為呆板，知識點較為分散，學生無法在短期內實現融會貫通和活學活用。（2）實物箱實驗，限制了實驗空間與時間。采用實物實驗，學生只能在規定時間和地點去實驗室完成指定的實驗，同時接納的實驗人數有限，不利于學生的拓展學習，導致學生參與實驗意愿不強，同時實物實驗容易造成損壞和出現事故，固化的實驗設備也不利于后期升級。（3）知識陳舊、晦澀難懂。原課程中涉及較多的匯編語言及單片機底層內容，導致授課時，學生很難理解，并且對于非單片機專業來講，這部分內容實際應用價值不大。

三、方案改革

基于目前存在的問題，文章采用數字孿生技術，以項目需求為導向，采用虛實結合的方式，分階段完成數個小任務，快速形成樂學反饋，以此激勵學生，小進步取得樂學的獎勵，不斷推進項目，最終合成完成整個機械臂的數字孿生控制。

（一）項目需求為導向的知識點講解，激發學習興趣

改變原來知識點式授課方式，首先提出項目需求，啟發學生提出單片機的需求，進而提出對應的知識點，實現“我要學習、我要解決”，而不是“你應該學習”，激發學生的好奇心。

（二）網絡實驗室，消除實驗空間與時間的限制

采用網絡實驗室，學生只需登錄網站，在線編寫代碼（圖1左側），然后添加元器件、連接電路（圖1右側），即可隨時隨地完成實驗。網絡實驗教學平臺可滿足多人同時學習的需要，大幅降低了學生的實驗費用。通過本項目的研究，可以滿足相關課程教學實驗的需要，而且可以通過筆記本在課堂上講授演示，滿足互動實驗教學需要。

（三）新知識體系+新編程平臺，降低編程難度，保證學生精力集中于項目實施

采用最新的Arduino編程平臺，將單片機底層編程函數化，去掉對專業價值不大的匯編語言及底層架構的內容，讓學生集中精力于單片機的編程算法及功能實現上。

四、方案實施

在實施過程中，采用項目式教學，以項目產出為導向，以圖2所示的機械臂數字孿生為例，學生需要完成基于網絡虛擬實驗平臺的單片機基本編程、機械臂實物裝配、傳感器-執行器電路連接及底層單片機控制、上位機界面設計及控制算法設計。如表1所示，將整個項目分解為不同的模塊，對應不同的難度和分值。

（一）單片機基本編程環節：講授與編程實踐同步進行

該環節主要在課堂授課中完成，為課內19學時，教師首先提出項目需求，例如如何實現LED燈閃爍，然后提問、引導學生，提出單片機需要具備哪些功能，才能實現該項目。在此基礎上，教師講解涉及的函數及用法、以及網絡虛擬實驗室平臺的操作。學生立即在課堂上，完成電路搭建及編程，在此過程中，教師巡視所有學生的操作，并根據發現的問題，進行針對性講解。這樣一個環節完成后，學生立即對單片機產生了濃厚的興趣，同時較低的入門檻，也大大提升了學生的自信心。根據課題組教師的授課體驗，相對以前的教師單向授課，新的授課方式，由于分值以及課程編程效果即時反饋（正確完成項目后，仿真時LED燈立即可以可控的閃爍）的關系，基本這個環節下來，學生上課的狀態非常好，全部認真聽講，眼睛都亮晶晶的。

教師在授課過程中，一定注意：第一個項目一定要選擇簡單的項目，例如LED燈閃爍，才會提升學生的信心，并激發學習興趣。

另外為了便于信息交流，要對聽課的同學建立課程QQ群，學生完成基本編程項目后，將仿真的視頻傳到QQ群里，便于教師給出本項目的成績。同時由于學生的從眾心理，上傳項目視頻，也會促進同學互相競爭，積極學習，實現正向激勵以及良好的班風。

（二）綜合實驗課環節：初步接觸實物編程

由于第一個環節的新的教學手段大大激發了學生的學習興趣，會推動授課的進度，因此課程基本知識點講解的進度會非常快，在實驗所涉及的知識點講解完成后，學生基本掌握了單片機編程、電路連接的理論部分，為加深印象，鞏固所學的知識，進一步提升學生的學習興趣，要及時進入不同的實驗課環節，進行實物實驗，該環節主要在實驗室完成，為4學時。

學生需要根據實驗指導書，結合課堂講解，完成實驗電路連接、單片機編程及實驗報告撰寫。

（三）實物項目課環節：借助實物編程，實現初步算法設計

前兩個環節完成后，學生基本上有足夠的信心和濃厚的興趣，來解決和實現單片機項目問題，因此需要給出有一定難度的實際項目問題。

結合交通、車輛、機械控制的專業特色以及電動車的企業人才需求，提出“基于PWM的電動小車速度控制”項目。具體實施為：

每3個同學為一組，并配備搖桿電位器、單片機、L298驅動模塊、電動小車等用于實現本項目的器材。組織開展每個項目6學時（課內3學時）的項目啟動、方案設計、技術指導、實物研討、實物答辯演示，鍛煉學生利用控制芯片編程、設計控制算法、連接外圍電路的綜合運用所學知識的能力，并提交紙質版研究報告、電子版PPT。以小組為單位，協作制作PPT，進行小組匯報，并根據各自的工作分工，撰寫不少于3000字的研制報告（每人分別完成）。

特別要注意的是在項目答辯時，一定要讓學生穿正裝，并拍照，從而激發學生的研究動力和重視程度，而且這種儀式感，也會大大鍛煉學生在以后公眾演講的能力和心理素質。

（四）綜合素質提升課環節：借助數字孿生技術，實現綜合能力提升

經過前面三個環節的訓練，學生不但掌握了單片機基本編程，而且具備了一定的解決實際問題的能力。為了進一步提升學生的科研素質、提升學生的競爭力。需要給出有具有培養綜合能力的實際項目問題。

該環節包含1個學時課堂項目需求講解、3個學時的課下編程與上位機虛擬控制和2個學時的實驗室實際控制測試。具體為：

教師首先講解本項目所設計需求及設計的執行器和傳感器，上位機-下位機通信以及上位機控制軟件設計。

學生在課下，利用網絡虛擬實驗平臺和上位機數字孿生虛擬演示系統（圖3），初步完成機械臂執行器和傳感器的單片機編程以及串口通訊指令傳遞，并仿真驗證。

學生在實驗室，分工完成機械臂執行器和傳感器的電路連接、單片機代碼驗證調試、單片機與上位機軟件通訊測試、上位機控制機械臂實物完成基本抓取動作。并拍攝實物實驗照片，完成小論文撰寫。

具體實施如下：

1. 單片機程序控制

通過編程，利用單片機實現機械臂多種傳感器信息的讀取、機械臂關節電機的控制、故障檢測、串口無線通訊以及上位機指令的接收，如圖4所示。

2. LabVIEW-Simulink上位機算法設計

利用上位機軟件LabVIEW-Simulink，編制相應的機械臂軌跡控制算法、距離保持算法、角度偏離檢測及位置修正控制算法，通過物聯網模塊，基于網絡技術，通過單片機控制驅動關節電機，實現在線機械臂狀態參數：機械臂運行狀態、負載、電機溫度、故障、關節姿勢、目標距離、電流等各種參數的全面顯示及控制。并通過陀螺儀姿勢傳感器、角度傳感器、視覺傳感器，檢測機械臂的位置、空間姿勢，實現機械臂目標抓取、軌跡規劃的數字孿生功能，實現基本的抓取、障礙物規避、速度控制、繪制軌跡曲線等，如圖5所示。

由于本環節內容較多，需要將內容分解給不同的組來完成，最后集中起來，構成完整的數字孿生項目。

（五）期末考試環節：項目問題式編程，注重能力應用

前四個環節完成后，學生達到了本課程的能力培養要求，因為本課程主要是單片機編程能力的培養，因此為進一步檢驗學生掌握知識和應用能力的水平，在期末考試時，通過5-7個應用編程題來進行測試。這樣也與學生平時的培養環節相吻合。并解決當前存在的一考定成績的問題，實現注重平時訓練、注重學習過程、注重知識掌握與應用、注重解決問題的能力、注重科研素質培養。

五、創新點

1.以現有器材為基礎，緊跟數字孿生-虛擬實驗-物聯網發展前沿，采用物聯網+智能控制技術，實現機械臂數字孿生信息的動態顯示與交互控制。

在實驗項目進行中，讓學生結合所研究的題目，進行知識應用，一方面促進了知識鞏固；另一方面，通過具體問題的解決，讓學生體會到學習的樂趣，大大提升他們的學習信心和興趣，促使學生主動學習，愛上學習。

2.LabVIEW-Simulink與單片機控制相結合，實現控制及實驗數據的可視化，改善實際實驗操作環節的效果。

利用網絡虛擬實驗系統，結合單片機實物實驗，以及學生感興趣的實際應用題目，實現控制系統的可視化，以及單片機運行的可視化，提高實驗的興趣，大大改善學生實際操作的效果。特別是虛擬實驗中大量虛擬元器件的采用，可以避免實際調試時，元器件控制損壞的幾率，使學生可以放心地操作，鍛煉動手能力并節省時間。進而解決了知識應用的問題，提高學生的科研素質，特別是實際題目的解決，大大提高學生在智能控制方面的應用水平。

基于LabVIEW和Simulink的上位機操作軟件，也為后期設計更復雜的控制算法提供了基礎。

六、實踐效果

新的教學-實驗模式引入了網絡虛擬實驗平臺和數字孿生技術，可以利用現有單片機開發系統，實現單片機程序的下載和編寫，在此基礎上加入Wifi聯網技術，并結合智能控制算法，實現機械臂控制。由于網絡編程以及硬件電路搭建，有非常大的擴展空間，因此可以充分調動學生的積極性、創新性，并鍛煉學生的實踐動手能力。結合OBE成果導向式教育模式，注重課本知識點的運用和培養產出，使學生學有所得；同時網絡虛擬實驗、實物真實實驗、虛擬三維孿生數字模型、真實實物控制響應的結果反饋，也可以讓學生即時體驗到學習的收獲，并享受學習的成果，實現“樂學”，使同學們的學習變被動為主動。

采用新的教學-實驗模式后，對學生的大創和比賽起到了顯著的推動作用，大創獲批項目由原來的幾項猛增到接近二十多項，并在全國各種比賽中取得各種優異成績，例如獲得全國交通科技大賽二等獎。

七、結束語

文章探討了“數字孿生技術”在單片機授課中的應用，通過將大項目分解為難度層層遞增的多個小項目，以注重學生應用能力培養為目標，結合虛擬實驗室、實物實驗，以項目教學為手段，以項目需求為導向，進行知識點的重組，并結合專業需求的特點，采用最易用的Arduino作為單片機編程平臺，并與上位機的LabVIEW-Simulink軟件相結合，實現機械臂的智能控制，在此過程中，即完成了單片機課程培養的要求，同時又完成了學生的綜合能力培養與提升。

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編輯/丁俊玲

作者簡介：朱永強，男，副教授，博士，研究方向為機器人、車輛動力學、虛擬現實技術；張平霞，女，講師，博士，研究方向為機器人設計與控制；潘福全，男，教授，博士，研究方向為交通安全與交通控制。

基金項目：山東省自然科學基金面上項目“撲翼飛行器拓撲輕量化與翼翅伸縮飛行狀態耦合控制及樹隙自主穿越應用機理研究”（ZR2022MF332）；山東省高等教育本科教學改革研究項目“基于多維分層次項目式樂學課堂教學方法研究與實踐”（M2023190）；青島理工大學研究生教育教學改革研究項目“基于自我效能激發的研究生創新能力培養模式探究”（Y032022-014）；青島理工大學本科教學改革與研究項目“基于VR的設計類課程創新能力培養教學改革研究”（F2021-013）、“數字孿生技術在單片機實驗中的應用”（F2023-178）；機械與汽車工程學院教學研究專項項目（No.2023-001）