基于翻轉課堂和虛擬仿真的單片機教學改革

喬 莉, 魏海波

(1. 遼寧裝備制造職業技術學院, 遼寧 沈陽 110061； 2. 遼寧廣播電視大學, 遼寧 沈陽 110034 )

單片機是現代電子工程領域中迅速發展的技術,廣泛應用于工業自動化、智能儀器儀表、通信工程、武器裝備制造等行業之中[1-3]。“單片機技術”課程是國家開放大學電氣自動化技術共享專業的一門統設必修專業核心課程,旨在讓學生掌握單片機的基本原理和軟硬件開發技術,為嵌入式產品的開發奠定基礎。“單片機技術”課程的專業性和實踐性較強,是難教、難學的課程之一[4]。本文針對國家開放大學中單片機課程教學存在的若干問題,提出了基于翻轉課堂和“Proteus+Keil”虛擬仿真技術的單片機教學方式。

1 翻轉課堂在單片機技術課程中的應用

1.1 翻轉課堂

2007年,美國科羅拉多州林地公園高中首次采用“翻轉課堂”的教學模式。該校2位化學教師制作了教學演示視頻資料,讓學生在家里觀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[5]。

“翻轉課堂”教學模式是對師生角色的翻轉、對課堂講授和課下學習模式的翻轉。知識點的學習不是主要依靠課堂中教師講授完成,而是課下學生自主、靈活地安排學習；傳統的課堂也不再是教師為主的舞臺,而是師生之間和學生之間答疑解惑、互動討論的場所。伴隨著翻轉課堂這一教學模式的成功運用,國內的一些高校也開展了基于翻轉課堂的教學改革[6-7]。

1.2 構建翻轉課堂教學模式的可行性

“單片機技術”是一門綜合性、面向應用的課程,應用領域廣、可操作行強,但內容抽象。在教學中既要講解硬件組成、又要介紹程序設計,更要全面考慮軟、硬件的協調與分工[8-9]。

然而,開放大學的學生多為來自于企業、具有中等學歷的人員,知識基礎較為薄弱。面對“單片機技術”這門比較抽象的課程,學生普遍反映硬件結構不好理解、軟件和硬件結合的內容不易掌握。在這種情況下,有必要對傳統的教學方法進行改革,其目的是讓學生能夠靈活地安排時間進行學習,并且在課堂上作為教學主體主動參與到教學活動中,提高學習效率和學習的積極性,提高教學效果[10]。

在單片機課程的教學中,教師需要逐一講解單片機的內部結構、外部引腳、編程指令、存儲器擴展和各種外圍芯片的應用等。對于基礎知識略顯薄弱的開放大學的學生,非常適合進行翻轉課堂式學習。翻轉課堂的優越性在于學生可以自己安排和控制學習時間,觀看視頻課件等教學資源的節奏也可以自己掌握:懂了的可以快進,沒懂的可以退回去反復觀看,或停下來思考。課堂上,學生根據觀看視頻的情況提出問題,教師給予指導講解,也可小組討論,增加了教師與學生之間以及學生與學生之間的互動[10]。教師準備的微課、視頻、課件等資源在翻轉課堂模式下可以方便學生隨時隨地多次學習,在一定程度上彌補了傳統教學模式的不足。

1.3 “單片機技術”課程的翻轉課堂教學設計

根據翻轉課堂的教育理念及開放大學的教學特點,在“單片機技術”課程的教學中,教師將基礎知識點及示例操作演示等布置在課外,方便學生靈活、自主地學習。在課堂上,師生可以面對面地討論,解決學生在自主學習中遇到的問題,或者進行更深一步的練習指導等,以提高教學效果。

以“交通燈控制系統的設計與實現”項目為例,進行了翻轉課堂模式的教學設計。

(1) 教師布置任務。教師依據授課標準,細化知識點,錄制視頻、動畫、微課,通過網絡資源發布,供學生下載和觀看。教師同時布置項目任務,啟發學生解決綜合性問題,例如交通燈控制系統的定時方法、交通燈的亮滅的控制、倒計時的顯示等。

(2) 學生自主學習。學生根據教師提出的任務,靈活安排教學視頻資源的觀看學習,并反饋遇到的問題。為了保證自學效果,教師可以借助QQ、微信等社交軟件,了解學生學習的情況或者與學生討論學習中的問題。

(3) 師生共同完成任務。該環節主要在面對面的課堂上完成,教師和學生一起解決學生反饋的問題。教師強調項目任務的要點及注意事項,有針對性地對學生進行指導。

1.4 交通燈控制系統的翻轉課堂教學內容設計

(1) 教學內容：設計十字路口交通燈控制系統。交通燈的變化要求是：首先A通道(東西方向)綠燈點亮4 s，同時B通道(南北方向)紅燈點亮4 s；然后A通道變為黃燈點亮2 s，同時B通道維持紅燈點亮2 s；再次A通道變為紅燈點亮4 s，同時B通道變為綠燈點亮4 s；最后A通道維持紅燈點亮2 s，同時B通道變為黃燈點亮2 s。不斷重復上述過程。時鐘頻率f=12 MHz。

(2) 課程標準。掌握單片機I/O口的輸出控制方法,掌握LED電路設計與制作；掌握定時的實現方法、簡單電路設計及程序設計的方法、排除故障的方法。

(3) 對比分析。傳統教學存在的困難是理論性強,需記憶的內容較多,課堂上的有限時間很難將理論教學和實驗教學全部完成。分析其中原因,主要是課程知識抽象、學生理論基礎薄弱、對課程缺乏興趣；在有限的課堂時間教師很難保證所有學生能接受教學內容。翻轉課堂的優勢在于學生可以自主分配時間,在課前通過微課、視頻、錄像等資源學習理論知識,且可以多次反復學習；在有限的課堂時間內,學生可以和教師交流探討,提升知識學習的深度和廣度。

(4) 教學環節的配套資源和教學活動。教師提前發布視頻、微課、課件等教學資源,并布置教學要求；課堂分組討論學生設計過程中遇到的問題；教師對典型問題輔以指導。

2 單片機虛擬仿真實驗教學設計

2.1 傳統“單片機技術”課程實驗教學分析

“單片機技術”課程實踐性較強,在教學過程中需要軟硬件結合,以理論教學為主,實驗教學為輔,才能使學生更好、更直觀地理解所學知識,并能學以致用。傳統的單片機實驗室需要配備電腦、仿真器、實驗箱、編程器等硬件設備,需要有實驗場地并配備實驗員。此外,由于場地和時間等因素也很難解決學生課后自主實驗的需求；實驗室配備的硬件實驗設備多是成品,很難為學生提供更多的二次開發機會,使得學生動手能力很難得到鍛煉和提高。

傳統單片機硬件實驗室的建設成本較高,設備更新換代緩慢,而且資金花費較多,所以有必要提出新的實驗模式。

2.2 基于“Proteus+Keil”虛擬仿真技術的實驗教學設計

從“交通燈控制系統的設計與實現”教學內容的設置可以看出,實驗在單片機課程中占有舉足輕重的地位。緊密配合理論教學的實驗是幫助學生接受、理解、掌握單片機工作原理和開發技巧的重要環節。所以單片機課程教學過程中必須安排足夠的實驗教學學時。

隨著現代科技的發展,利用計算機仿真技術可以充分地仿真實際的工程問題。仿真能節約設計成本,大大增強實驗的便利性。Proteus是一款嵌入式系統軟硬件設計仿真平臺,具有電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統仿真等強大功能。它的獨特之處是能夠在線、實時仿真多種類型的單片機,實現硬件電路的交互仿真且功能非常強大。Proteus自帶有ASM、PIC、AVR匯編器等,也可與第三方軟件Keil結合使用。用單片機原理及接口技術的理論知識與Proteus、Keil軟件結合,設計出以MCS-51單片機為核心的系列虛擬實驗,應用到單片機課程的教學中,可以解決單片機課堂教學無法及時實驗等問題,輔助學生達到對單片機應用系統設計的深入理解[11-13]。

本文提出將仿真軟件Proteus和Keil應用于單片機課程的教學,解決實驗室緊張、學生課后無法自主實驗等問題的一種新教學方法。單片機課程教學中引入“基于Proteus+Keil軟件的虛擬實驗平臺”后,可以節約實驗教學的人力、物力和財力,還可以增加學生課后練習的機會,大大提升教學質量。

圖1為在教學中引入Proteus和Keil軟件后，學生自主完成的交通燈控制系統實驗效果。

圖1 基于Proteus和Keil的交通燈控制系統虛擬實驗效果

3 翻轉課堂的特色與創新

3.1 構建翻轉課堂教學模式

教師通過網絡平臺發布視頻、動畫、微課等學習資源,學生利用課余時間學習掌握基本的知識點、完成任務并提交作業；教師通過學生所提交的作業了解其學習效果,并通過反饋分析的結果設計課堂教學內容,在面對面的課堂教學中解決個性化問題。

3.2 基于 Proteus和Keil的虛擬實驗設計

結合教學實際情況,利用“Proteus+Keil”軟件進行與單片機系統相關的虛擬仿真實驗開發,不僅接近工程實際,而且具有一定的趣味性和實用性。學生可以利用計算機進行練習,不必受學校實驗室的約束,在提高教學直觀性和形象性、提高學生軟硬件綜合開發的能力和學習興趣的同時,也提高了學生的學習效率,加深了學生對單片機開發過程的認識,進而提高了教學質量[14]。

教學中引入基于“Proteus+Keil”軟件的虛擬仿真實驗后,可以節約實驗教學的人力、物力和財力，降低成本,還可以增加學生課后練習的機會,極大地開拓了學生動手實踐的時間和空間,降低了學習成本,提高了教學的效果[15]。

4 結語

在“單片機技術”翻轉課堂教學中,教師將不斷發展的信息化教學手段融入單片機課程教學過程的各個環節,使教學模式從傳統的課堂灌輸向可隨時隨地學習的“翻轉課堂”的教學模式轉變,使學生從被動學習向主動探究性學習方式轉變,實現翻轉課堂的教學理念。將Proteus和Keil仿真技術應用于單片機實踐教學中,不僅為解決實驗條件有限等問題提供了一些思路,還可以借助虛擬實驗環境的直觀性、真實感和可參與性激發學生的學習興趣,真正實現隨時隨地的練習,尤其對實驗教學將產生積極影響。

經過兩年多的教學實踐探索,基于翻轉課堂和虛擬仿真平臺的 “單片機技術”課程改革已收益顯著。不僅教師的教學水平有了明顯提升,而且還促進了教師科研水平的大幅度提高,完成了多項教改立項和科研課題，并發表多篇論文。開放大學學生的考試成績和學習效果也較改革前有大大提高,平均成績達到了80分以上。

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