基于騰訊課堂和虛擬仿真技術的嵌入式系統線上教學

張宏偉，王海星，郭建鋒，王新環

（河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454003）

高等學校人員密集、流動性大，是新冠肺炎疫情防控的重點領域。為阻斷疫情向校園蔓延，確保師生生命安全和身體健康，教育部根據疫情的變化，適時做出2020 年春季學期延期開學的決定，并提出了“停課不停學”的工作要求?！巴Ｕn不停學”雖然是當前的應急之舉，但充分利用互聯網開展線上教學卻是教育的新形態。此次大規模在線教學實踐是全國教師的一次集體探索，勢必會極大促進我國教育教學信息化建設與發展，以滿足學習者個性化、多樣化、終身化學習需求。

目前線上教學工具和平臺很多，各有特點和局限，教師要結合課程特點和學生實際情況，精選資源，有的放矢。本文針對“嵌入式系統”課程特點，提出了基于“騰訊課堂直播+虛擬仿真實驗技術”的線上線下混合式教學模式。從教學平臺選擇、虛擬仿真實驗環境構建、教學案例設計等方面進行了研究。

1 線上教學平臺的選擇與使用

在信息技術和網絡普及的互聯網時代，人們對個性化、多樣化、終身化學習的需求日益增加，在線學習成為一種新的學習方式。以慕課（massive open online courses，MOOC）為代表的在線教育模式打破了傳統教育的時空界限，以“雨課堂”“藍墨云班課”“微助教”“課堂派”為代表，移動環境下智慧教學平臺越來越多地被用于課堂教學[1-5]。線上教學應注意以下事項[3-6]。

（1）在線課程建設周期長、成本高、難度大，沒有必要要求每位教師去錄制課程視頻，可充分利用現有的精品視頻公開課、精品資源共享課、在線開放課程，以及企業提供的免費在線教學資源。可以將核心知識點利用“屏幕錄像專家”等電腦屏幕捕獲軟件制作成小視頻，推送給學生，供學生課下學習，作為教學的補充。

（2）優質的學習資源并不等同于有效的學習。學習資源需要與教學內容和教學目標密切關聯，需要與學習者的身心特征相匹配，才能夠有效促進學生深度學習。由于高等教育沒有像義務教育那樣采用統一教材、統一大綱，各個高校定位不同，學生層次不同，教材及教學內容不同，任課教師在選擇MOOC 等在線教學資源時，一定要結合課程實際情況進行選擇。

（3）MOOC 等在線教學資源缺少教師與學生之間的互動，無法感受到教師現場教學的“氣場”和個人魅力，教學效果不如直播授課，只能作為教學的輔助手段，不可替代第一課堂。

（4）停課期間，各地院校紛紛選擇在線開課。在線開課數量多，且高度集中，對在線教學平臺的穩定性要求極高，應選擇經過實踐檢驗的在線教育平臺。藍墨云班課、雨課堂等智慧教學工具把移動終端應用于課堂教學，作為教學輔助工具可以提升教學效果。雖然這些軟件后期進行了升級具有直播功能，但經常出現延遲、卡頓等現象。

2 騰訊課堂網上直播授課

針對“嵌入式系統”課程特點，課堂教學采用“騰訊課堂”直播授課，配合虛擬仿真技術開展課下實驗，從而鍛煉學生自主學習能力，提升學習效果。

騰訊課堂是騰訊推出的專業在線教育平臺，依托QQ 群視頻和騰訊視頻直播功能，實現教師在線上課教學、學生即時互動學習的課堂。2020 年2 月，騰訊推出了騰訊課堂極速版，增加了很多新功能。使用騰訊課堂極速版可以開展直播教學，支持PPT 播放、筆記涂鴉、共享屏幕等實時互動教學模式，也支持課程錄制，方便學生回看復習。教師使用手機號可一鍵注冊登錄，開課后將鏈接或二維碼分享到微信、QQ 等社交平臺，學生無須下載軟件，通過手機或電腦可直接進入課堂直播間。該軟件背靠騰訊強大的技術能力，性能穩定可靠[7]。

1）軟件下載及安裝。

打開電腦瀏覽器，登錄騰訊課堂官網https://ke.qq.com/s，下載“騰訊課堂老師極速版”軟件，并進行安裝。

2）建立課堂。

打開騰訊課堂極速版，輸入課堂名稱和授課內容，并選擇是否生成回放。如果打開回放開關，會在課程結束后24 h 生成回放錄像，供學生在課后復習時使用。

3）邀請學生聽課。

進入課程后，點擊右上角的邀請學生按鈕，就會出現本直播間的二維碼和地址鏈接。將這個二維碼或者鏈接通過QQ 群或微信群分享給學生，學生就能聽課了。學生進入課程后，可以要求學生將個人昵稱改為“專業+班級+序號+姓名”，方便平時過程管理。

4）教學工具的使用。

騰訊課堂具有分享屏幕、播放PPT、播放視頻、攝像頭4 種教學工具。

點擊左側“PPT”按鈕，選擇“使用Office 打開PPT”，軟件會打開選擇的PPT，并展示給學生。在講解過程中，教師可以使用畫板功能，進行手寫板寫字或者圈重點，也可以單擊“畫中畫”，在播放PPT 的同時，打開教師端攝像頭。

在嵌入式系統教學過程中，經常需要演示軟硬件設計及系統仿真，這時就可以切換到“分享屏幕”功能。單擊左側“分享屏幕”，選擇“全屏分享”或者“窗口分享”設置分享區域，可以將教師端計算機屏幕共享給學生，教師在計算機上的操作將實時顯示在學生終端上。

在軟件菜單中，有一個向下的小三角形按鈕，點擊選擇“導出成員列表”就可以下載學員名單，以便于了解學生聽課情況，導出成員中含有聽課時間。準確考勤數據可以在歷史課程中查看。

3 基于Proteus 軟件的虛擬仿真實驗教學

“嵌入式系統”是一門實踐性很強的課程，學生不僅需要掌握嵌入式系統基本原理，還需要掌握軟硬件設計和調試方法[8-9]。

虛擬仿真技術又稱虛擬現實技術或模擬技術，是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統的技術，具有投資少、安全性高、拓展性強等優點，不受時間和空間限制。Proteus 是來自英國Labcenter 公司的嵌入式系統仿真開發軟件，包括原理圖布圖、混合模式仿真、VSM 嵌入式仿真等功能。Proteus 提供了LED/LCD顯示、按鈕、開關、電機等多種模擬和數字電器元件仿真模型，以及示波器、信號源等大量的虛擬儀器和分析工具，在傳統的CAD 功能中添加了嵌入式系統仿真功能，可以完整地仿真51 系列、AVR、ARM 等常用嵌入式系統[9-11]。

本文利用 Proteus 和Keil 軟件，搭建嵌入式系統虛擬仿真平臺。51 單片機嵌入式系統仿真流程如圖1 所示。首先利用Proteus 繪制原理圖，選擇Keil軟件設計源程序代碼；然后編譯代碼，生成目標文件；接著在Proteus 軟件中裝載HEX 文件，仿真調試系統。

圖1 嵌入式系統虛擬仿真實驗流程

借助Proteus 虛擬仿真實驗系統，不需要真實硬件設備，可以方便地設計電路，編寫、編譯、調試程序，實現嵌入式系統動態仿真，從而節省實驗成本，滿足學生隨時隨地學習的需求，為學生營造良好的學習環境，實現課前預習、課后自主學習，推進了信息技術與教育教學深度融合。在進行在線課堂理論教學的同時，可以開展在線實驗教學，提升學習成效，培養學生的自主終身學習能力。

4 項目驅動教學方法

線上教學，自學重于教學。學生線上學習注意力易分散，吸收速度慢，缺乏交流與監督。教師要采用多種形式與學生保持網上互動，引導學生自主學習，加強學習過程、學習效果的監督與反饋。根據課程特點，本文采用項目驅動教學法，減少集中講解的時間，增加學生自學及在線交流時間，加強自學、自律能力的訓練。

項目驅動法是基于探究性學習和協作學習的一種教學模式，它要求師生改變傳統的觀念和角色，充分發揮學生在學習中的主體作用和教師在教學中的組織、引導、促進、控制、咨詢作用，將學生認為枯燥的知識轉變為生動的學習內容。

將項目驅動法引入嵌入式系統課程教學，就是要結合實際工程項目案例，把所要講授的基礎知識和基本技能設計成多層次、多目標的實驗教學案例，引導學生掌握提出問題、分析問題和解決問題的方法，最終讓學生通過自己的努力和教師的指導完成任務。任務設計是項目驅動教學法的關鍵，首先應該確定項目設計案例。在案例的設計和順序安排上，必須注意循序漸進，按照教學進度，關鍵環節要設計對應的課題任務。

5 直流電機控制實驗教學案例設計

直流電機是一種將直流電能轉換為機械能的裝置，廣泛用于電風扇、遙控小車、電動車窗等電器設備中。直流電機控制涉及到單片機I/O 驅動、電機轉向控制、電機速度調節、傳感器測速、定時器、LED數碼管顯示等知識點。

5.1 直流電機PWM 脈寬調速原理

直流電機的轉速與施加的電壓成正比，輸出轉矩則與電流成正比。直流電機轉速調節最常見方法是施加一個脈寬調制（PWM）方波，如圖2 所示。

圖2 PWM 波形

占空比是指高電平的時間占整個周期的比例，

直流電機端電壓大小為：

其中，Ton為導通時間，T為PWM 開關周期，Us為直流電源電壓，ρ為占空比。調節PWM 的占空比可以實現調節電機兩端端電壓的大小，從而實現直流電機調速功能。PWM 脈沖寬度調制可以由單片機的定時器實現。假設PWM 方波周期T為20 ms，單片機晶振頻率選擇12 MHz，一個機器周期為1 μs，定數20 ms需計數20 000。PWM 由單片機P1_2 引腳輸出，利用定時器T0 工作在方式1，可以設計一個PWM 發生器。定時器流程圖如圖3 所示，其中，脈沖寬度可以通過按鍵進行調節。

圖3 定時器中斷服務程序流程圖

定時器中斷服務程序代碼如圖4 所示。

圖4 定時器中斷服務程序代碼

5.2 基于Proteus 的直流電機調速系統仿真

常用的電機驅動芯片有L297/298、MC33886、ML4428 等。L298N 是SGS 公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含2 個H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL 邏輯電平信號，可驅動46 V、2 A以下的電機。

利用Proteus 軟件可以對單片機的直流電機調試系統進行仿真，電機控制系統仿真電路如圖5 所示。通過加、減速按鈕可以調節PWM 的占空比，進而調節電機轉速。

圖5 基于Proteus 的直流電機控制系統仿真圖

電機仿真參數設置如圖6 所示。

利用Proteus 內的虛擬示波器，可以觀察電機的PWM 波形，通過電機仿真模型，可以實時觀察電機轉速，仿真結果如圖7 所示。在此案例基礎上，學生可以進行拓展實驗，比如增加轉速檢測及顯示功能。

圖6 電機仿真參數設置

圖7 仿真結果

6 結語

互聯網+線上線下混合式教學模式已經被越來越多的教育工作者所接受。

（1）優質的學習資源并不等同于有效的學習，學習資源需要與教學內容和教學目標密切關聯，在選擇MOOC 在線教學資源時，一定要結合課程實際情況。

（2）課堂直播能夠與學生直接交流，更接近傳統教學，教師更容易發揮出水平，學生更能集中注意力。

（3）線上教學，自學重于教學。教師要采用多種形式與學生保持網上互動，加強學習過程、學習效果 的監督與反饋。

（4）騰訊課堂極速版可以開展直播教學，支持PPT播放、共享屏幕等實時互動教學，也支持課程錄制。教師可以一鍵注冊登錄，學生無須下載軟件，通過手機或電腦可直接進入課堂直播間學習。騰訊課堂極速版背靠騰訊強大的技術能力，性能穩定可靠。

（5）虛擬仿真技術不需要真實硬件設備，借助Proteus 虛擬仿真實驗系統，可以方便地實現嵌入式系統動態仿真，延伸實驗教學時間和空間，拓展教學內容廣度和深度，節省實驗成本，滿足學生隨時隨地學習的需求。